Введение к работе
Развитие качественной черной металлургии обусловлено ростом объема выпуска ферросплавной продукции - рядовых и комплексных ферросплавов (например, в пределах бывшего СССР в 15 раз с 1955 по 1990 год). Однако, традиционные шлаки, например сплавов марганца, неблагоприятны для электротермии из-за применения Сотеє бедных руд, требующих глубокого обогащения. Известные данные, включая материалы Г-VI Всесоюзных конференций по строению и свойствам металлургических расплавов, не вносят полную ясность на природу расплавов металлургии, хотя ряд исследователей склоняются на их микгюнеоднородную структуру.
Разработано новое направление анализа и прогнозирования металлургической технологии на основе формализованной модели оксидных расплавов как ассоциации микронеоднородностей, соответствующих конгруэнтным соединениям системы, базовой для исходных материалов электротермии. Это позволило разработать и интенсифицировать ферросплавные технологии посредством создания оптимальных составов печных шлаков и способов ведения плавки, чем подтверждена действенность предлагаемого моделирования, повышающего простоту и эффективность исследований сложных систем, против традиционных методов, многофакторных, с большими материальными и временными издержами.
Цель и задачи исследований. Основная цель работы - разработка ^приложение формализованной модели оксидных расплавов, как ассоциации микронеоднородностей на базе конгруэнтных соединений, к анализу и прогнозированию шлакового реамма элек тротермии с целью разработки и интенсификации технологий ферросплавов. Это реализовано применительно к электротермии
4 сплавов марганца, ферроалюмосиликокальция (ФАСК), ФАСК с барием (ФАСКБа), АМС {A?-Mh-$i).
При выполнении работы решены следующие задачи:
Обоснование метода оценки структурного состояния расплавов на основе данных диаграмм фазового состава;
Выявление закономерностей разрушения сложных шпинелей с оксидами марганца и железа .в восстановительных условиях;
Создание формализованных моделей шлаков установлением областей равновесий конгруэнтных соединений в окоидньх системах, базовых для производства рядовых и комплексных ферросплавов;
Отображение изменения состава шлаков электротермии в диаграмме фазового состава базовой системы с визуализацией превращений стабильных соединений;
Расширение интервала изучения фазочувствительных свойств посредством математическоно планирования в областях равновесий конгруэнтных оксидов;
Аналитическое выражение содержаний конгруэнтных оксидов в шлаках в зависимосги от изменения составляющих оксидной системы;
Подтверждение эффективности предлагаемого метода анализа и прпгнозирования шлакового режима оптимизацией электротермии ферросплавов, разработкой новых способов и шихт на его основе.
Иссладования по теме диссертации выполнены по планам работ Химико-металлургического'института ЦКО АН КазССР и Института металлургии УО АН СССР, в том числе по направлению 2.26 "Физико-химические основы металлургических процессов на 1986-
5 1990 годи и на период до 2000г." (Постановление Президиума АН СССР и коллегии Минчерыета СССР Кг 470/120 от .), по Постановлениям ГКНТ СССР № 170 от 23.04.1975г. и Госплана СССР № 58 от 28.04.1987г., а также по координация!» МЧМ СССР, в частности, в период 1976-1980 годы.
Объекты исследования - синтетические и производственное шлаки систем FeO-M*fl- CaJ-/f{^ , МпО-CaO-A^-SiO^ , СаО-Ва.0-FeO-dfj)fS;02, Gxf)-FeO-At,OrS;Oz, M
Методы исследований» Кинетику восстановления оксидных материалов углеродом изучали газооСьемным методом. Разновесные условия восстановлэния слоиных шпинелей определены на вакуумной циркуляционной установке ИМЕТ 10 АН СССР, а фазовые соотношения в продуктах процесса - рентгепоструктурным анализом. Соотношения конгруэнтных соединений в шлаках установлены по данным термодинамики оксидов, диаграмм состояния и закономерностей их отображения, уточнены предпосылки, упрощающие построение диаграмм. Впервые шлаки рядовых (сплавы марганца) и комплексных (ФАСК, ФАСКБа, АМС) ферросплавов промоделированы как ассоциации микроне однородноетей, соотносимых к конгруэнтный соединениям и результаты проконтролированы измерениями вязкости, электропроводности. Термодинамические функции шпинелей системы Мп-Ре-АцСу-О. определяли из равновесных давлений кислорода над продуктами восстановления, активности компонентов - такке статистическим методом и графически интегрированием по Гиббсу-Дюгему. Результаты прогнозирования состава шлаков электроплавки контролировали отбором проб в
опытно-промышленных условиях. При выплавке сплавов ФАСК, ФАСКБа, АМС выполнены замеры температуры в ванне электропечи. Вячкость и электропроводность шлаков измеряли на вибрационном вискозиметре. При этом для расширс :ия интервала исследования использовано математическое (с применением ЭВМ ЕС-Г020) планирование по Шеффа, модифицированное применительно к раоп-лавам с тугоплавкими компонентами. Массовые дили вториччых компонентов в расплавах установлены аналитически. Исследования электротермии ферросплавов проводили на лабораторных (ХИИ ) и опытно-промышленных (ЕЗФ) агрегатах. Особенности формирования сплава АМС изучали на продуктах плавки, замороженных в электропечи.
Научная новизна. Обосновано новое направление анализа и прогнозирования процесса воссіановлоиия оксидных расплавов на базе их формализованной модели как совокупности микронеодно-родностей, соотносимых к конгруэнтным соединениям, вскрывающее особенности шлакового режима процесса.
Показано, что действенность метода возрастает при привлечении данных вязкости, электропроводности и температуры ликвидус опытных расплавов. Установлены в шинельных растворах поведение, активности, соотношения компонентов и их термодинамические функции из данных рентгенострукгурного анализа и равновесного давления кислорода над продуктами восстановления ферроалюминатов и феррохромитов марганца. Показаны малые (до 20%) положительные огклонения от идеальности в растворе MhO-FeO Анализом восстановления шпинелей обоснована применимость диаграмм фазового состава для прогнозирования равновесного процесса. Данные вязкости и электропроводности в широкой интер-
вале составов и поведение оксидов при высоких температурах подтвердили правомерности выделения областей равновесий конгруэнтных оксидов посредством построения диаграмм фазового состава. Изучены во взаимосвязи шлаковый режим и составы шихтовых материалов при электротерцин сплавов марганца. Анализом технологии производства ферросплавов показана адекватность моделирования шлакового режима на базо формализованной модоли шлаковых расплавов.
Практическая ценность. Разработанным мотодом физико-химического анализа восстановительных процессов вскрыты резервы интенсификации традиционных технологий и разработки новых, благодаря визуализации на базе формализованных моделей шлаковых расплавов влияния содержания первичных компонентов минеральной части шихты на соотношение конгруэнтных соединений в шлаке. Этот метод эффективен применительно к таковым и ма-лоилакозых процессам электротермии ферросплавов. Прогнозированы области шлаков, пригодных для выплавки сплавов марганца. Разработаны технологии получения силикомарганца на глиноземистых шлаках и переменном электрическом реаиме, а такне новые способы производства рафинированного ферромарганца. Показаны резервы инюноификации производства углеродистого ферромарганца, а также комплексных сплавов корректировкой печных шлаков, например наведоннеы магнезиальных при получении AUG {Аі-Мн~$і ) и введением барийсодержащих материалов - ФАСК (Pe-dc-Si'-Сл), Результаты исследований, в частности, - основа и содераанио работ по вовлечению марганцевых руд Казахстана в ферросплавное производство.
Апробация работы. Основные положения диссертационной ра-
8 боты доложены и обсуждены на: Ї Всесоюзной конференции по термодинамике оксидных и сульфидных растворов (Свердловск, 1968г.)» республиканских конференциях по комплексному использованию келоаорудного и полиметаллического и химического сырья Казахстана, а также по озране природы и рационально у использованию природных ресурсов (Караганда, 1977г.); Ш_,У\УЇ Республиканских научно-технических конференциях ферросплавщиков Украины (Днепропетровск, 1978, 1981, 1985г.); ЇЇ, Республиканских конференциях ферросплавщиков Грузии (Зестафони,
-
1983г.); Всесоюзных цаучно-тохішческих совещаниях "Повышение качества металла и эффективности производства ферросплавов", ''Улучшение качества металла и его экономия за счет применения новых ыодифж іторов", УП ферросплавщиков (Челябинск,
-
1984, 1987г.) и "Совершенствование технологий производства сплавов марганца (Никополь, 1980г.); межвузовской конференции по приманений вычислительной техники и математических методов в научных исследованиях (Алма-Ата, 1980г.); Республиканской научно-технической конференции "Автоматизация технологических процессов производства в черной металлургии в Казахстана (Караганда, 1979г.); Всесоюзных совоцаннях ЇЇ-ІУ по металлургии марганца (Тбилиси, 1977, 1984г., Москва- 1981г.) и Й угольном (Ростов-на-Дону, 1981г.); Всесоюзной конференции по комплексному использованию руд и концентратов (Москва, 1983г.); региональной научно-техничеокой конференции "Комплексное использование руд Лисаковского месторождения" (Караганда, 1986г.); Всесоюзных совещании (Челябпнск-Чебрчкуль, 1985г.) и I» _ХУ» О конференциях по металлическим и шлаковым расплавам (Свердловск, 1978, 1980, 1986г.), УЇ Всесоюзной школе-семина-
ре "Применение математичеоких методов для описания и изучения физико-химических равновесий" (Новосибирск, 1989г.).
На защиту выносятся; I. Обоснование и разработка нового направления физико-химического анализа и прогнозирования металлургических технологий (на базе производства ферросплавов) посредством визуализации возможных в шлаках процессов на осново формализованных моделей оксидных расплавов как ассоциации шкронеоднородностай, соответствующих конгруэнтным соадицашшы, с целью интенсификации и усовершенствования их оптимизацией шлакового режима.
3. Построение формализованных моделей шлаковых расплавов электротермии сплавов марганца и комплексных сплавов ФАСК, ФАСКБа, АЫС на базе данных оксидных систем, базовых для опытных аланов;
Экспериментальные исследования вязкости, электропроводности расплавов базовк . оксидных систем с целью корректировки диаграмм фазового состава и уточнения оптимального шлакового режима опытной технологии;
Обоснование взаимосвязи составов исходных шихт и шлакового режима при электротермии сплавов марганца и комплексных: ферроалюыосиликокальция (ФАСК), ФАСК с барием (ФАСКБа), АШ
3. Технические решения в металлургии ферросплавов, включающие :
- совершенствовании электротермии их на базе формализован
ных моделей шлаковых расплавов разработкой новых технологичес
ких способов, эффективных за счет наведения оптимальных:
а) конечных шлаков при выплавке шлаковым процессом спла-
10 bob марганца (авт.свид.СССР й 462882, 558060, 608879, 897882, 990852);
б) промежуточных шлаков при малошлаковом производстве комплексных сплавов (авт.свид.СССР № ІІ64299, 1206329,13?8398).