Тезисы доклада на международной конференции
Metal 2002 — 11th International Metallurgical & Material Conference
(14—16.5.2002, Cerveny zamek, Hradec nad Moravici, Czech Republic, EUROPE).

Кинетика взаимодействия фаз в сталеплавильных агрегатах

С. А. Храпко

Донецкий национальный технический университет, г.Донецк, Украина

Термодинамика и кинетика взаимодействия металла и шлака в сталеплавильных агрегатах изучались большим количеством исследователей. Значительное количество работ посвящено анализу перехода химических элементов через межфазную границу и кинетике элементарного акта химической реакции.

В настоящее время большинство исследователей пришли к выводу, что процессы взаимодействия в пограничном слое и на межфазной границе не являются лимитирующей стадией окисления примесей в промышленных агрегатах. Считается, что основное «торможение» перехода системы из начального состояния в равновесное (при отсутствии внешних воздействий) связано с доставкой компонентов из циркуляционного объема на границу раздела металл-шлак.

Математическое описание обычно построено на классических уравнениях молекулярной диффузии. Движущей силой потока компонента из одной фазы в другую принимается разность текущей и равновесной концентраций (или активностей). Коэффициент молекулярной диффузии заменяется «эффективным» коэффициентом диффузии (коэффициент «турбулентной» диффузии). Получаемые в результате одно- и двумерные системы дифференциальных уравнений имеют высокую вычислительную сложность при описании реальных процессов.

Мы предлагаем следующий способ расчета: считаем, что поверхностные слои металла и шлака находятся в равновесии. За счет конвективных потоков в объемах фаз через некоторое время эти поверхностные слои заменяются новыми порциями металла и шлака, между которыми снова рассчитываем равновесие. Выводимые поверхностные слои поступают в основные объемы металла и шлака, где они усредняются. После этого весь расчет повторяется.

Скорости обновления поверхностных слоев металла и шлака характеризуются соответствующими постоянными времени и . Аналитический расчет траектории перехода системы в равновесное состояние при дает классические экспоненциальные зависимости приближения системы к равновесию, как и диффузионные модели. Например, при получим :

(1)

Рис 1. Результаты расчета при . Цифры у кривых: 1 - [%Mn] , 2 - [%O] x 10 , 3 -[%Si] x 2 , 4 - [%P] x 20 , 5 - [%S] x 5 , 8 - (FeO) x 0.01 , 9 - M_шл/M_ме x 0.05.

Для ДСП приблизительно (см. рис. 1). Интересно, что такое экспоненциальное поведение состава металла и шлака наблюдается только при . В противном случае возможен временный "переход" содержания некоторых элементов через равновесное состояние (см. рис. 2).

Рис 2. Результаты расчета при (обозначения см. рис.1).

Вообще говоря, используемые в кинетике коэффициенты «турбулентной диффузии» являются попыткой учесть глобальный массоперенос в рамках классических диффузионных уравнений. Однако отличная от диффузии природа рассматриваемых явлений приводит в некоторых случаях к совершенно иным зависимостям. В диффузионных уравнениях невозможен переход через равновесное состояние. У химических элементов нет «инерции», поэтому при достижении равновесной концентрации происходит исчезновение движущей силы. Кроме того, при индивидуальной диффузии не может быть взаимного влияния компонентов и их потоков друг на друга.

Для численной проверки проведен расчет траектории перехода системы в равновесное состояние при следующих исходных данных: раскисленный металл с высоким содержанием кремния и марганца взаимодействовал с окисленным шлаком с высоким содержанием оксида марганца. В результате в начальный период времени содержание марганца увеличивалось, хотя равновесное содержание марганца в рассматриваемой системе было ниже исходного содержания в металле (см. рис. 3—4).

Рис 3.Результаты расчета при (обозначения см. рис.1).

Рис 4. Результаты расчета при (обозначения см. рис.1).

Несмотря на кажущееся противоречие, такое «антиравновесное» поведение марганца легко объясняется высоким содержанием кремния в металле в этот же интервал времени: пока содержание кремния не снизилось до равновесных значений, идет восстановление марганца и фосфора из шлака. После выгорания кремния процесс перехода марганца и фосфора обращается и происходит их снижение до равновесных значений. Таким образом, возникает эффект взаимодействия потоков.

Разработанная модель используется в системе прогноза химического состава металла и шлака. Она предназначена для автоматического управления выплавкой стали в ДСП. Система показала высокую точность, которая позволяет выпускать металла из печи без взятия пробы.

© С.А. Храпко, 2002