Изучение структуры и динамической вязкости модельных шлаковых систем CaO-SiO₂ и CaO-SiO₂-В₂О₃

Цель – изучение корреляционных зависимостей между динамической вязкостью шлаков и параметрами их структуры для определения оптимальной основности шлака кремниевой плавки при добавлении (для устранения ошлакования подины рудотермической печи) оксида бора. Экспериментальные исследования проводились на модельных шлаках CaO-SiO₂, CaO-SiO₂-В₂О₃, полученных при 1600°С. Рамановский спектроскопический анализ проводился на анализаторе Horiba Jobin–Yvon HR800UV (Франция). Теоретические расчеты вязкости шлаков осуществлялись с применением моделей Урбена и Миллса. В ходе экспериментов фундаментальные показатели, описывающие структуру шлаковых систем, варьировались в пределах: экспериментальная функция деконволюции спектра Рамана от 1,41 до 2,45, оптическая основность от 0,58 до 0,68. Полученные экспериментальные и теоретические данные были связаны математическими зависимостями. Установлено, что динамическая вязкость шлака может быть оперативно определена методом рамановской спектроскопии на основе математических моделей. Полученная зависимость показывает, что вязкость шлака снижается при увеличении числа мостиковых атомов кислорода в структуре силикатного аниона. При этом снижение вязкости шлака наблюдается до величины для экспериментальной функции деконволюции спектра Рамана ~1,55–1,60 или оптической основности шлака 0,60–0,62; при добавлении В₂О₃ вязкость далее снижается. На практике для шлаков системы CaO-SiO₂ использование в качестве разжижающего агента борсодержащего флюса целесообразно при CaO/SiO₂ = 0,61–0,63 при поддержании содержания В₂О₃ в составе шлака на уровне 1%. Показано, что для теоретического расчета вязкости в системах CaO-SiO₂, CaO-SiO₂-В₂О₃ более подходят две модели (классическая и модифицированная), предложенные Урбеном. Показано, что модель Миллса не подходит для этих целей, так как коэффициенты корреляции в соответствующей математической модели недостаточно велики. Необходимо продолжение работ в данном направлении с целью установления соответствующих зависимостей вязкости от параметров структуры шлаков при различных температурах с целью поиска обобщающих закономерностей.

1. Ракипов Д.Ф., Бардин Н.М., Жуков В.П. Физико-химические основы и технология переплава алюминиевого лома и сплавов в среде расплавленных хлоридов. Екатеринбург: ИздатНаукаСервис, 2009. 194 с.

2. Popov I., Mitrofanov Y., Ustinov S.M. Feasibility of using aegirine concentrate as a complex flux in copper metallurgy // Metallurgist. 2012. Vol. 56. Р. 64–70. https://doi.org/10.1007/s11015-012-9537-4.

3. Попов Д.А., Пентюхин С.И., Соснов В.О., Трапезников А.В. Флюсы для производства алюминиевых сплавов // Металлургия машиностроения. 2016. № 5. С. 15–19. EDN: WMNMYB.

4. Abdeyazdan H., Edris H., Abbasi M.H. The effect of CaF2 сontent in hot metal pretreatment flux based on lime // International Journal of Iron & Steel Society of Iran. 2011. Vol. 8. No. 2. P. 5–8.

5. Жеребцов С.Н., Чернышов Е.А. Особенности физико-химических свойств флюсов, используемых в технологиях электрошлакового переплава // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. 2016. № 1. С. 228–235. EDN: VZDVEZ.

6. Ким А.С., Акбердин А.А., Султангазиев Р.Б., Орлов А.С., Адамова Г.Х. Экспериментальные лабораторные исследования по разработке оптимальных технологических параметров выплавки борсодержащего силикохрома // Труды университета. Машиностроение. Металлургия. 2022. Т. 4. С. 72–79. https://doi.org/10.52209/1609-1825_2022_4_72.

7. Жучков В.И., Заякин О.В., Акбердин А.А. Перспективы использования бора в металлургии. Сообщение 1 // Известия вузов. Черная металлургия. 2021. Т. 64. № 7. С. 471–476. https://doi.org/10.17073/0368-0797-20217-471-476. EDN: AWOXRZ.

8. Гасик М.И., Гасик М.М. Электротермия кремния. Днепропетровск: Национальная металлургическая академия Украины, 2011. 487 с.

9. Немчинова Н.В., Тютрин А.А., Хоанг В.В., Жидков К.И. Шлаки кремниевого производства // Международный научно-исследовательский журнал. 2022. № 11. https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.125.3. EDN: ZNLKJP.

10. Ефимец А.М., Акбердин А.А., Ким А.С. Разработка и промышленное освоение технологии производства ферросилиция в руднотермических печах на борсодержащих шлаках // Труды Карагандинского государственного технического университета. 1999. Вып. 5. С. 65–68.

11. Ким А.С. Особенности выплавки ферросплавов с использованием боратовых руд // Сталь. 2008. № 8. С. 55–58. EDN: JUWNUZ.

12. Kline J., Tangstad M., Tranell G. A Raman spectroscopic study of the structural modifications associated with the addition of calcium oxide and boron oxide to silica // Metallurgical and Materials Transactions B. 2015. Vol. 46. Р. 62–73. https://doi.org/10.1007/s11663-014-0194-9.

13. Mills K.C. The influence of structure on the physico-chemical properties of slags // ISIJ International. 1993. Vol. 33. Iss. 1. P. 148–155. https://doi.org/10.2355/isijinternational.33.148.

14. Mysen B., Richet Р. Melt and glass structure: basic concepts //Silicate Glasses and Melts: Рroperties and Structure. Amsterdam: Elsevier, 2005. Vol. 10. Part 4. P. 101–130. https://doi.org/10.1016/s0921-3198(05)x8001-2.

15. Duffy J.A. A review of optical basicity and its applications to oxidic systems // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1993. Vol. 57. Iss. 16. P. 3961–3970. https://doi.org/10.1016/0016-7037(93)90346-X.

16. Duffy J.A., Ingram M.D. Establishment of an optical scale for Lewis basicity in inorganicoxyacids, molten salts, and glasses // Journal of American Chemical Society. 1971. Vol. 93. Iss. 24. P. 6448–6454. https://doi.org/10.1021/ja00753a019.

17. Urbain G., Cambier F., Deletter M., Anseau M.R. Viscosity of silicate melts // Transactions and Journal of British Ceramics Society. 1981. Vol. 80. No. 4. P. 139–141.

18. Urbain G. Viscosity estimation of slag //Steel Research. 1987. Vol. 58. Iss. 3. P. 111–116. https://doi.org/10.1002/Srin.198701513.

19. Mills K.C., Sridhar S. Viscosities of ironmaking and steelmaking slags // Ironmaking and Steelmaking. 1999. Vol. 26. Iss. 4. P. 262–268. https://doi.org/10.1179/030192399677121.

20. Mills K.С. Slag atlas / ed. V.D. Eisenhuttenleute. Dusseldorf: Verlag Sthleisen GmbH, 2008. P. 349–401.

21. Kekkonen M., Oghbasilasie H., Louhenkilpi S. Viscosity models for molten slags. Helsinki: Unigrafia Oy, 2012. 34 р.

22. Рожихина И.Д., Нохрина О.И., Ходосов И.Е., Ёлкин К.С. Исследование основных характеристик шлаков рафинирования кристаллического кремния // Металлургия: технологии, инновации, качество. Металлургия. 2019: труды XXI Междунар. научно-практич. конф. (г. Новокузнецк, 23–24 ноября 2019 г.). Новокузнецк: Сибирский государственный индустриальный университет, 2019. Ч. 1. С. 66–72.

23. Orlando A., Franceschini F., Muscas C., Pidkova S., Bartoli M., Rovere M., et al. A comprehensive review on Raman spectroscopy applications // Chemosensors. 2021. Vol. 9. Iss. 9. Р. 262. https://doi.org/10.3390/chemosensors9090262.

24. Kemmer G.C., Keller S. Nonlinear least-squares data fitting in Excel spreadsheets // Nature Protocols. 2010. Vol. 5. No. 2. P. 267–281. https://doi.org/10.1038/nprot.2009.182.

25. Mysen B.O., Finger L.W., Virgo D., Seifert F.A. Curve-fitting of Raman spectra of silicate glasses // American Mineralogist. 1982. Vol. 67. P. 686–695.

26. Ferraro J.R., Nakamoto K., Brown C.W. Introductory Raman spectroscopy // 2nd. ed. Elsevier, 2003. 434 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-254105-6.X5000-8.

27. McMillan P. A Raman spectroscopic study of glasses in the system CaO–MgO–SiO2 // American Mineralogist. 1984. Vol. 69. Iss. 7-8. P. 645–659.

28. Ilin A.A., Zobnin N.N., Pikalova I.A., Nemchinova N.V. Distribution of iron and boron between silicon metal smelting products in industrial SAF using borate fluxes //Silicon. 2024. Vol. 16. P. 3085–3092. https://doi.org/10.1007/S12633-024-02895-z.