Дослідження фізико-хімічного механізму розчинення частинок неметалевих включень у рафінувальному шлаку проміжного ковша

У цьому дослідженні показано, що важливе значення набуває вміст неметалевих включень на останньому етапі виробництва сталі у проміжному ковші. Доведено, що утворення неметалевих включень відбувається на всіх етапах розливання сталі у проміжному ковші. Визначено, що одним з найкращих методів видалення неметалевих включень є розчинення їх у шлаковій фазі. У даній роботі встановлено фізико-хімічний механізм розчинення частинок Al2O3 у рафінувальному шлаку проміжного ковша, який складається з трьох стадій, а саме транспортування неметалевих включень до межі поділу розплав сталі шлак, відокремлення неметалевого включення від розплаву сталі та подолання поверхневого натягу шлакової фази та розчинення у ній. В роботі доведено, що найменш вивченою стадією є друга стадія. З використанням термодинамічних залежностей визначено, що відокремлення неметалевих включень від межі поділу фаз розплав сталі – шлак супроводжується зниженням вільної енергії системи. Встановлено, що розчинення неметалевих включень у шлаковій фазі відбувається у дифузійній області і контролюється законами дифузії. Для вивчення механізму розчинення неметалевих включень у шлаковій фазі у роботі було проведено експерименти по розчиненню частинок Al2O3 у шлаку промислового складу в діапазоні температур 1500–1600°C. В дослідженнях показано, що висока в’язкість шлаку обмежує дифузію частинок Al2O3 особливо при високих температурах. Доведено, що утворення зони розчинення навколо частинки неметалевого включення в умовах природної конвекції обмежує швидкість розчинення. Встановлено, що утворення продуктів реакції розчинення Al2O3 таких як CaAl4O7 (CA2) і CaAl2O4 (CA) є непрямим процесом розчинення, а відбувається на межі поділу фаз Al2O3 – шлак. Показано, що цей процес має незначний вплив на загальну швидкість розчинення неметалевих включень у шлаку. Встановлено, що наявність значного градієнта Al2O3 у шлаку поблизу межі поділу вказує на те, що транспортування частинок у шлаку контролює загальну швидкість розчинення. У роботі представлено механізм гетерогенного процесу розчинення твердих включень у рафінувальному шлаку проміжного ковша за рахунок дифузійних процесів. Доведено, що продукти реакції розчинення неметалевих включень утворюють суцільний шар на поверхні частинок. Показано, що кінетика розчинення залежить від швидкості дифузії у зоні розчинення.

This study shows that the content of non-metallic inclusions at the last stage of steel production in the intermediate ladle becomes important. It has been proven that the formation of non-metallic inclusions occurs at all stages of pouring steel in the intermediate ladle. It was determined that one of the best methods of removing non-metallic inclusions is their dissolution in the slag phase. In this work, the physico-chemical mechanism of dissolution of Al2O3 particles in the refining slag of the intermediate ladle is established, which consists of three stages, namely, the transportation of non-metallic inclusions to the separation boundary of the molten steel slag, the separation of the non-metallic inclusion from the molten steel and overcoming the surface tension of the slag phase and dissolution in her The paper proves that the least studied stage is the second stage. With the use of thermodynamic dependences, it was determined that the separation of non-metallic inclusions from the phase separation boundary between molten steel and slag is accompanied by a decrease in the free energy of the system. It was established that the dissolution of non-metallic inclusions in the slag phase occurs in the diffusion region and is controlled by the laws of diffusion. In order to study the mechanism of dissolution of non-metallic inclusions in the slag phase, experiments were conducted on the dissolution of Al2O3 particles in slag of industrial composition in the temperature range of 1500–1600°C. Studies have shown that the high viscosity of slag limits the diffusion of Al2O3 particles, especially at high temperatures. It has been proven that the formation of a dissolution zone around a non-metallic inclusion particle under natural convection limits the dissolution rate. It was established that the formation of Al2O3 dissolution reaction products such as CaAl4O7 (CA2) and CaAl2O4 (CA) is an indirect dissolution process, and occurs at the boundary of the Al2O3 – slag phase separation. It is shown that this process has a minor effect on the overall rate of dissolution of non-metallic inclusions in the slag. The presence of a significant Al2O3 gradient in the slag near the separation boundary is found to indicate that particle transport in the slag controls the overall dissolution rate. The work presents the mechanism of the heterogeneous process of dissolution of solid inclusions in the refining slag of the intermediate ladle due to diffusion processes. It has been proven that the products of the dissolution reaction of non-metallic inclusions form a continuous layer on the surface of the particles. It is shown that the dissolution kinetics depends on the diffusion rate in the dissolution zone.