ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

Многочисленные работы по моделированию сталеплавильных процессов ориентированы, как правило, на комплексное использование текущей информации об объекте исследования и априорных данных о протекающих реакциях, формализованных в виде математических моделей массо и теплообмена. В термодинамических моделях системы металл—шлак—газ основным требованием для функционирования является обеспеченность моделей реагирующих фаз подгоночными параметрами, позволяющими доводить расчеты состава продуктов плавки до конечного количественного результата. Дальнейшее расширение возможностей использования имеющихся баз фундаментальных и технологических данных для более точного, чем достигнутый, уровня решения задач оптимизации и прогнозирования результатов сталеплавильных процессов в конкретных условиях может быть обеспечено путем разработки физикохимических моделей структуры взаимодействующих фаз, позволяющих прогнозировать их свойства и результаты взаимодействия многокомпонентных металлических и шлаковых расплавов по результатам изучения более простых систем и ситуаций.

Одним из перспективных путей решения комплекса вытекающих отсюда задач является учет эффектов анизотропии электронного распределения между собой парой взаимодействующих в расплавах атомов. Модели структуры металлических [1] и оксидных [2] расплавов, базирующиеся на такой трактовке элементарного акта парного взаимодействия, основаны на допущении, что в расплавах, как и в кристаллических веществах, между характеристиками взаимодействия в первой и второй координационных сферах устанавливаются вполне определенные, индивидуальные для каждой группы изоструктурных материалов, соотношения.

Физикохимическая модель структуры металлических расплавов позволяет по составу многокомпонентной системы рассчитать интегральные и парциальные параметры направленного межатомного взаимодействия. К числу первых относятся: Z— химический эквивалент состава, суммирующий информацию об эффективных зарядах компонентов с учетом вероятностей образования парных связей разного типа, d — структурный фактор, пропорциональный радиусу второй координационной сферы (табл. 1).

В качестве парциальных характеристик взаимодействия используются среднестатисти ческие значения (Z^) компонентов в распла ве данного состава и значения Z для отдельных парных связей.

В случае шлаковых расплавов также вычисляется химический эквивалент состава (Ае\ параметры d и Однако величины Ае и d определяются как среднестатистические для взаимодействия катионанион в октаэдрических и тетраэдрических междоузлиях непрерывного анионного каркаса. Степень заполнения этих междоузлий характеризует параметр />, численно равный отношению чисел катионов и анионов в 100 г расплава.

Основное достоинство описания структуры многокомпонентных металлических и шлаковых расплавов в модельных терминах связано со "сверткой" информации об их составе к виду, позволяющему сравнивать между собой свойства и реакционную способность систем с различным числом компонентов и разнообразными соотношениями их концентраций.

На рис. 1 и 2 проиллюстрированы два основных варианта следствий такой свертки. В первом из них нелинейная форма связи сопоставляемых параметров свидетельствует о существовании оптимального состава шлака, обеспечивающего максимальное удаление фосфора из металла в равновесных условиях. Экстремальный характер этой зависимости отражает то обстоятельство, что влияние любого компонента шлака на процесс дефосфорации носит переменный характер.

Вычислительный эксперимент показывает, например, что добавки Si02 в ковшовые шлаки

Cложные, нелинейные зависимости рафинирующих свойств от состава и эффективно использовать современные математические методы обработки опытных данных для получения весьма точных линейных регрессионных моделей [типа уравнений (1) — (4)] с минимальным числом переменных.

Идеология физикохимического моделирования сталеплавильных процессов базируется на трактовке взаимодействия в системе металл шлак—гдз как кооперативного ионообменного процесса, на всех стадиях которого изменение состава реагирующих фаз происходит согласованно. Наличие модельных параметров структур расплавов позволяет конкретизировать это общее положение применительно к каждому типу агрегата.

Из анализа приведенных уравнений в сочетании с данными табл. 1 и 2 следует, что все компоненты шлакового и железоуглеродистого расплавов оказывают определенное влияние на степень извлечения серы и фосфора из металла, причем степень этого влияния зависит от концентрации всех остальных компонентов. Тем самым этот достаточно тривиальный общий тезис реализуется в форме, удобной для практического использования.

Разработаны модели структуры металлургических расплавов на базе фундаментальной информации о процессах межатомного взаимодействия. "Свертка" информации о составе расплавов в модельных терминах и трактовка взаимодействия в системе металл—шлак—газ как кооперативного ионнообменного процесса позволяет описывать закономерности формирования состава, структуры и свойств металлургических расплавов по ходу сталеплавильных. процессов.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 2, Москва 1994