Влияние оксида бора и основности на вязкость и температуру начала кристаллизации шлаков системы СаО–SiO₂–B₂O₃–12%Cr₂O₃–3%Аl₂O₃–8%МgO

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день производство низкоуглеродистой нержавеющей стали достаточно широко распространено в мире и представлено большим числом марок стали, которые находят широкое применение в химической, энергетической, фармацевтической промышленности, а также в строительстве и быту. Причем спрос на нее постоянно растет, и в период с 1950 по 2022 год ее производство выросло с 1.0 до 58.3 млн т, опережая темпы роста производства углеродистой стали [1]. Важнейшим легирующим элементом для нержавеющих сталей является Cr, который частично окисляется в ходе операции обезуглероживания стали. Шлаки, насыщенные Cr₂O₃, отличаются повышенной вязкостью и при росте содержания Cr₂O₃ с 5 до 20% она возрастает с 0.5 до 5.0 Па·с [2]. Содержание оксида хрома в шлаках производства нержавеющей стали может достигать 18% и более, поэтому традиционно в ходе формирования хромсодержащих шлаков в качестве разжижителя используют плавиковый шпат, который с оксидом кальция образует двойную систему с эвтектической температурой плавления 1360°С. Добавка плавикового шпата в систему CaO-SiO₂-Al₂O₃ приводит к снижению вязкости, что подтверждается результатами исследований, приведенных в работах [3, 4]. Однако, в связи с высокой летучестью фторидов при температурах выплавки стали, воздействие плавикового шпата на физико-химические характеристики шлаков носит краткосрочный характер [5–8], а выделяющиеся соединения фторидов негативно воздействуют на окружающую среду, что делает плавиковый шпат экологически вредной присадкой [6].

Одним из вариантов решения проблемы изменения физических свойств шлаков по ходу плавки и соблюдения ужесточающихся экологических требований является разработка составов шлаков, в которых в качестве разжижителя вместо плавикового шпата выступает оксид бора. Оксид бора отличается низкой температурой плавления и склонностью к образованию легкоплавких эвтектик с основными компонентами шлака, например, CaO·B₂O₃ с температурой плавления 1130°С. Его применение понижает температуру кристаллизации шлака, расширяет интервал температур с низкой вязкостью, за счет чего обеспечивается раннее наведение шлака и постоянство его свойств в течение выплавки металла, что отмечено в работах авторов [2, 9–18], изучающих влияние оксида бора на физико – химические свойства доменных шлаков, шлаков внепечной обработки и шлаков, используемых при непрерывной разливке (ШОС) и пр.

Из-за сложностей, сопровождающих процесс измерения вязкости хромсодержащих шлаков (высокие температуры плавления шлаков, длительность экспериментов и их сложность), опубликованных данных о вязкости хромсодержащих шлаков достаточно мало. При этом практически отсутствуют публикации, описывающие влияние оксида бора на вязкость хромсодержащих шлаков.

В статье для изучения влиянии оксида бора и основности на вязкость хромсодержащих шлаков выбрана оксидная система СаО–SiO₂–B₂O₃–12%Cr₂O₃–3%Аl₂O₃–8%МgO, содержащая 3.0–6.0% оксида бора с основностью (CaO/SiO₂), изменяющейся в диапазоне 1.0–2.5.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Изучение зависимости вязкости шлаков от их химического состава и температуры проводили с использованием метода симплексных решеток планирования эксперимента, сущность которого заключается в построении математической модели в виде приведенного полинома III степени [19]. Для исследования вязкости и температуры начала кристаллизации оксидной системы СаО–SiO₂–B₂O₃–12%Cr₂O₃–3%Аl₂O₃–8%МgO были сформированы шлаки, соответствующие составу матрицы планирования эксперимента (таблица 1).

 

Таблица 1. Состав экспериментальных шлаков, содержащих 12% Cr₂O₃,8% MgO и 3%Al₂O₃

№	Индекс шлака	Состав шлака
		в координатах псевдо-компонентов, дол.				в координатах исходных компонентов, масс.%			B
		X1	X2	X3	X4	CaO	SiO2	B2O3
1	Y1	1	0	0	0	37.00	37.00	3.0	1.0
2	Y2	0	1	0	0	52.86	21.14	3	2.5
3	Y3	0	0	1	0	50.71	20.29	6.0	2.5
4	Y4	0	0	0	1	35.50	35.50	6	1.0
5	Y12	0.67	0.33	0	0	42.29	31.71	3	1.3
6	Y13	0.33	0.67	0	0	47.57	26.43	3	1.8
7	Y21	0	0.67	0.33	0	52.14	20.86	4.0	2.5
8	Y22	0	0.33	0.67	0	51.43	20.57	5.0	2.5
9	Y31	0	0	0.67	0.33	45.64	25.36	6	1.8
10	Y32	0	0	0.33	0.67	40.57	30.43	6	1.3
11	Y41	0.33	0	0	0.67	36.00	36.00	5	1.0
12	Y42	0.67	0	0	0.33	36.50	36.50	4	1.0
13	Y121	0.67	0	0.33	0	41.57	31.43	4	1.3
14	Y122	0.33	0	0.33	0.33	41.07	30.93	5	1.3
15	Y131	0.33	0.33	0.33	0	46.86	26.14	4	1.8
16	Y132	0.33	0	0.67	0	46.14	25.86	5	1.8

 

Базовые шлаки Y₁, Y₂, Y₃ и Y₄ выплавлялись в печи сопротивления в Mo-тиглях в атмосфере аргона из прокаленных в муфельной печи в течении 3 часов при 800°С (B₂O₃ при 100°С) оксидов марки ч.д.а. После полного расплавления шлаки выдерживались в течении 30 минут и быстро охлаждались. Промежуточные шлаки №5 (Y₁₂)–№16 (Y₁₃₂) формировали «встречной шихтовкой» путем смешения базовых шлаков, исходя из соотношений, указанных в таблице 1. Вязкость расплавленных опытных образцов шлака измерялась посредством вибрационного вискозиметра [20] в молибденовых тиглях в атмосфере аргона при постепенном охлаждении печи сопротивления. Замер температуры производился при помощи W-Re термопары. Полученные данные, характеризующие зависимость вязкости шлаков от температуры, использовались для построения графиков в координатах ln η–1/T. Перелом политерм вязкости в данных координатах, согласно теории вязкого течения Френкеля, обозначает температуру начала кристаллизации шлаков [21].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Графическое изображение результатов моделирования на тройных диаграммах «состав – свойство» состоит из двух этапов, поскольку вязкость шлаков зависит не только от их химсостава, но и температуры. На первом этапе по результатам экспериментальных исследований вязкости и температуры начала кристаллизации шлаков 16 точек плана локального симплекса (табл. 1) построены аппроксимирующие математические модели в виде приведенных полиномов III степени, описывающие влияние состава шлаков на температуру при постоянной вязкости. Пример диаграммы, содержавшей изотермы линий постоянной вязкости 0.4 Па·с представлен на рис. 1. На следующем этапе совмещением соответствующих температур, снимаемых со всех диаграмм постоянной вязкости, строятся диаграммы состав-вязкость, которые представляют собой изотермический разрез (рис. 2–3). Температура начала кристаллизации зависит только от химсостава и поэтому диаграмма строится в один этап (рис. 4).

 

Рис. 1. Диаграмма заданной вязкости 0.4 Па·с шлаков системы СаО-SiO₂-12%Cr₂O₃-3%Al₂O₃-8%MgO при содержании B₂O₃ от 3 до 6% (синие линии – температура, ^оС; черные – линии основности).

 

Рис. 2. Диаграмма состав-вязкость шлаков системы СаО-SiO₂-12%Cr₂O₃-3%Al₂O₃-8%MgO при содержании B₂O₃ от 3 до 6% и температуре 1600 ^оС. (синие линии – вязкость, Па·с; черные линии – основность).

 

Рис. 3. Диаграмма состав-вязкость шлаков системы СаО-SiO₂-12%Cr₂O₃-3%Al₂O₃-8%MgO при содержании B₂O₃ от 3 до 6% и температуре 1650 ^оС. (синие линии – вязкость, Па·с; черные линии – линии основности).

 

Рис. 4. Диаграмма состав-температура начала кристаллизации шлаков системы СаО-SiO₂-12%Cr₂O₃-3%Al₂O₃-8%MgO при содержании B₂O₃ от 3 до 6%. (синие линии – температура начала кристаллизации, Па·с; черные линии – основность).

 

Видно (рис. 2), что при температуре 1600^оС с ростом основности формируемого шлака с 1.0 до 2.5 в диапазоне концентрации оксида бора 3.0–6.0% наблюдается увеличение вязкости шлаков с 0.3 до 0.7 Па·с. При этом увеличение содержания оксида бора в шлаке с 3 до 6% благоприятно сказывается на жидкоподвижности формируемых шлаков. Например, увеличение концентрации оксида бора с 3 до 6% в шлаке основностью 2.0–2.5 сопровождается снижением его вязкости с 0.7 до 0.3 Па·с. При этом снижение концентрации оксида бора с 5 до 3% в области повышенной до 2.3–2.5 основности сопровождается повышением вязкости формируемого шлака до 2.0 Па·с. Это обусловлено, по-видимому, гетерогенизацией формируемого шлака с температурой начала кристаллизации 1600°С (рис. 4).

Увеличение температуры исследуемой оксидной системы до 1650°C в рассматриваемом диапазоне основности (2.0 – 2.5) рост концентрации оксида бора с 3–4 до 5–6% слабо влияет на вязкость, которая снижается с 0.4 до 0.3 Па·с, обеспечивая высокую жидкоподвижность формируемого шлака в рассматриваемом диапазоне основности и концентрации оксида бора (рис. 3).

На рисунке 4 представлена диаграмма «состав-температура начала кристаллизации» шлаков изучаемой оксидной системы. Видно, что в рассматриваемом диапазоне концентрации оксида бора (3–6%) с повышением основности формируемого шлаков с 1.0 до 2.5 температура начала кристаллизации увеличивается с 1300 до 1600°С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе с использованием метода симплексных решеток планирования эксперимента и метода вибрационной вискозиметрии изучено влияние состава шлаков исследуемой оксидной системы CaO–SiO₂–B₂O₃–12%Cr₂O₃–3%Al₂O₃–8%MgO, формируемой в восстановительный период АКР-процесса, на их вязкость и температуру начала кристаллизации. Обобщение результатов экспериментальных исследований позволило построить аппроксимирующие математические модели в виде приведенного полинома III степени с графическим отображением результатов математического моделирования в виде диаграмм «состав-свойство». Отмечено, что при 1600 и 1650°C увеличение содержания оксида бора в шлаке с 3 до 6% благоприятно сказывается на жидкоподвижности формируемых шлаков в диапазоне основности 1.0–2.5. Например, увеличение концентрации с 3 до 6% обеспечивает снижение вязкости шлаков с 2.0 до 0.5 Па·с при температуре 1600°С и с 0.4 до 0.3 Па·с в области повышенной до 2.0–2.5 основности. Температура начала кристаллизации при этом остается на уровне 1600°С.

Исследование выполнено за счет государственного задания ИМЕТ УрО РАН.

Об авторах

А. А. Бабенко

Институт металлургии УрО РАН

Email: rr.shartdinov@gmail.com
Россия, Екатеринбург

Р. Р. Шартдинов

Институт металлургии УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: rr.shartdinov@gmail.com
Россия, Екатеринбург

А. Г. Уполовникова

Институт металлургии УрО РАН

Email: rr.shartdinov@gmail.com
Россия, Екатеринбург

А. Н. Сметанников

Институт металлургии УрО РАН

Email: rr.shartdinov@gmail.com
Россия, Екатеринбург

Список литературы

Дополнительные файлы