vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"10.57070/2304-4497-2025-1(51)-102-109vsgiu-22Research ArticleРаздел 2. Металлургия и материаловедениеSection 2. Metallurgy and Materials ScienceФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАФИНИРОВАНИЯ РАСПЛАВА В КОНВЕРТЕРАХ С ЖИДКОФАЗНЫМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМPHYSICO-CHEMICAL MODEL OF REFINING MELT IN LIQUID PHASE REDUCTION CONVERTERShttps://orcid.org/0000-0002-7554-2168ПротопоповЕвгений ВалентиновичProtopopovEvgenii V.

д.т.н., профессор кафедры металлургии черных металлов и химической технологии

Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Department of Ferrous Metallurgy and Chemical Technology

protopopov@sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4403-9006УманскийАлександр АлександровичUmanskiiAleksandr A.

д.т.н., профессор кафедры металлургии черных металлов и химической технологии

Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Department of Ferrous Metallurgy and Chemical Technology

umanskii@bk.ruhttps://orcid.org/0009-0007-4938-5975ШакировМаксим КимовичShakirovMaksim K.

к.т.н., доцент кафедры автоматизации и информационных систем

Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Automation and Information Systems

shakirov.maxim@mail.ruБеленецкийЕвгений Анатольевич

магистрант кафедры черных металлов и химической технологии

info@vpk-oil.ruФатьяновСергей СергеевичFatyanovSergey Sergeevich

магистрант кафедры черных металлов и химической технологии

Master's Student at the Department of Ferrous Metals and Chemical Technology

vestnicsibgiu@sibsiu.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетRussian FederationSiberian State Industrial UniversiRussian Federation20253003202501102109Copyright © Протопопов Е.В., Уманский А.А., Шакиров М.К., Беленецкий Е.А., Фатьянов С.С., 20252025Протопопов Е.В., Уманский А.А., Шакиров М.К., Беленецкий Е.А., Фатьянов С.С.Protopopov E., Umanskii A., Shakirov M., Беленецкий Е.А., Fatyanov S.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsiu.ru/jour/article/view/22

С точки зрения ресурсосбережения актуальным является совершенствование существующих и  разработка новых модификаций конвертерных процессов, в том числе технологии с комбинированной продувкой и элементами жидкофазного восстановления, обеспечивающих переработку различных  отходов и экономию материалов при улучшении технико-экономических показателей и экологической  обстановки. Представлены основные положения процессов с жидкофазным восстановлением  промышленных отходов, предусматривающих двухстадийное газокислородное рафинирование расплава  при пространственном распределении технологических операций в объеме агрегата. Для реализации  технологии конвертер должен иметь системы подачи различных технологических газов в расплав, в том  числе донного перемешивания инертным газом, с использованием двухпоточных продувочных и боковых  фурм. Высокая степень восстановления оксидов железа из техногенных отходов достигается на первой  (восстановительной) стадии. На этом этапе в залитый в агрегат чугун присаживают железосодержащие  отходы и углеродсодержащие материалы (восстановители). Теоретический анализ процесса позволил  выделить основные взаимодействующие фазы и зоны (поверхности) их контакта. Описаны  термодинамические и кинетические закономерности протекания реакций жидкофазного восстановления.  Скорость процесса окисления ‒ восстановления предложено рассматривать как суммарную скорость  процессов окисления железа жидкого чугуна газообразным кислородом и восстановления оксидов железа  кремнием, фосфором и углеродом. Определены основные параметры, влияющие на скорость и полноту протекания процесса восстановления оксидов железа перерабатываемых отходов примесными элементами  жидкого чугуна, а также дополнительно вводимым углеродсодержащим восстановителем. Предложена  математическая модель, описывающая взаимодействие фаз, использование которой позволяет  целенаправленно воздействовать на кинетические факторы в зависимости от текущих термодинамических  условий и решаемых задач. 

From the point of view of resource conservation, it is important to improve existing and develop new modifications of converter processes, including technologies with combined purging and liquid-phase recovery elements, which ensure the processing of various wastes and save materials while improving technical and economic performance and environmental conditions. The main provisions of processes with liquid-phase recovery of industrial waste involving two-stage oxygen-gas refining of the melt with spatial distribution of technological operations in the volume of the unit are presented. To implement the technology, the converter must have systems for supplying various process gases to the melt, including bottom mixing with inert gas, using two-flow purge and side tuyeres. A high degree of reduction of iron oxides from man-made waste is achieved at the first (reducing) stage. At this stage, iron-containing waste and carbon-containing materials (reducing agents) are added to the cast iron poured into the unit. A theoretical analysis of the process made it possible to identify the main interacting phases and the zones (surfaces) of their contact. Thermodynamic and kinetic patterns of liquid-phase reduction reactions are described. The rate of the oxidation‒reduction process is proposed to be considered as the total rate of oxidation of iron in liquid cast iron with gaseous oxygen and reduction of iron oxides with silicon, phosphorus and carbon. The main parameters influencing the speed and completeness of the iron oxide reduction process of the processed waste by impurity elements of liquid cast iron, as well as an additional carbon-containing reducing agent, are determined. A mathematical model describing the interaction of phases is proposed, the use of which makes it possible to purposefully influence kinetic factors depending on the current thermodynamic conditions and the tasks being solved.

конвертержидкофазное восстановлениекомбинированная продувкашлако-металлическая эмульсиямодель рафинированияconverterliquid phase reductioncombined purgingslag-metal emulsionrefining modelReferencesJan van der, Louwerse G. Top gas recycling blast furnace benefits and “green” and sustainable ironmaking. Ironmaking and Steelmaking. 2013;40(7):483‒489. https://doi.org/10.1179/0301923313Z.000000000221Jan van der, Louwerse G. Top gas recycling blast furnace benefits and “green” and sustainable ironmaking. Ironmaking and Steelmaking. 2013;40(7):483‒489. https://doi.org/10.1179/0301923313Z.000000000221Voraberger B., Wimmer G., Dieguez Salgado U., Wimmer E., Pastucha K., Fleischanderl A. Green LD (BOF) Steelmaking ‒ Reduced CO2 Emissions via Increased Scrap Rate. Metals. 2022;12: 466.Voraberger B., Wimmer G., Dieguez Salgado U., Wimmer E., Pastucha K., Fleischanderl A. Green LD (BOF) Steelmaking ‒ Reduced CO2 Emissions via Increased Scrap Rate. Metals. 2022;12: 466. https://doi.org/10.3390/met12030466https://doi.org/10.3390/met12030466Fruehan R. Recycling of Waste Oxides in Steelmaking. Final Report for Project. 2000:103. https://doi.org/10.2172/789632Fruehan R. Recycling of Waste Oxides in Steelmaking. Final Report for Project. 2000:103. https://doi.org/10.2172/789632Singh A.K., Raju M.T., Jha U. Recycling of Basic Oxygen Furnace (BOF) sludge in iron and steel works. International Journal of Environmental Technology and Management. 2011;14(1/2/3/4):19‒32. https://doi.org/10.1504/IJETM.2011.039255Singh A.K., Raju M.T., Jha U. Recycling of Basic Oxygen Furnace (BOF) sludge in iron and steel works. International Journal of Environmental Technology and Management. 2011;14(1/2/3/4):19‒32. https://doi.org/10.1504/IJETM.2011.039255Lyakishev N.P., Shalimov A.G. Comparative characteristics of oxygen converter steel production in Russia and abroad. Moscow: Eliz, 2000:64. (In Russ.).Лякишев Н.П., Шалимов А.Г. Сравнительная характеристика состояния кислородно-конвертерного производства стали в России и за рубежом. Москва: Элиз, 2000:64.Grigorovich K.V. The current state of ferrous metallurgy and the directions of its development in the digital economy. In: Proceedings of the XV International Congress of Steelmakers, Moscow – Tula, October 15-19, 2018, Moscow: OOO «RPK PrintAP», 2018:42‒59. (In Russ.).Григорович К.В. Современное состояние черной металлургии и направления ее развития в цифровой экономике. В кн.: Труды XV международного конгресса сталеплавильщиков, Москва – Тула, 15-19 октября 2018 г. Москва: ООО «РПК ПринтАП», 2018:42‒59.Merker E.E., Karpenko G.A. Physical processes in the converter and energy-ecological indicators of production. Stary Oskol: Izd-vo «Tonkie naukoemkie tekhnologii», 2014:328. (In Russ.).Меркер Э.Э., Карпенко Г.А. Физические процессы в конвертере и энергоэкологические показатели производства. Старый Оскол: Изд-во «Тонкие наукоемкие технологии», 2014:328.Grigorovich K.V. Metallurgy of the XXI century: current state and directions of development. In: Proceedings of the XIV International Congress of Steelmakers, Moscow – Elektrostal, October 17-21, 2016, Moscow: OOO «RPK PrintAP», 2016:56‒65. (In Russ.).Григорович К.В. Металлургия XXI века: современное состояние и направления развития. В кн.: Труды XIV международного конгресса сталеплавильщиков, Москва – Элек-тросталь, 17-21 октября 2016 г. Москва: ООО «РПК ПринтАП», 2016:56‒65.Protopopov E.V., Shakirov K.M., Aizatulov R.S. Substantiation of certain parameters of the technology of converter melting with elements of liquid phase reduction. Izvestiya. Ferrous metallurgy. 1998;12:15‒18. (In Russ.).Протопопов Е.В., Шакиров К.М., Айзатулов Р.С. Обоснование некоторых параметров технологии конвертерной плавки с элементами жидкофазного восстановления. Известия вузов. Черная металлургия. 1998;12:15‒18.Shakirov K.M. Kinetics of heterogeneous processes. An expanded kinetic equation of fast heterogeneous reactions in a flow. Novokuznetsk: ITs SibGIU, 2012:76. (In Russ.).Шакиров К.М. Кинетика гетерогенных процессов. Развернутое кинетическое уравнение быстрых гетерогенных реакций в потоке. Новокузнецк: ИЦ СибГИУ, 2012:76.Popel' S.I., Sotnikov A.I., Borisenkov V.N. Theory of metallurgical processes. Moscow: Metallurgiya, 1986:463. (In Russ.).Попель С.И., Сотников А.И., Борисенков В.Н. Теория металлургических процессов. Москва: Металлургия, 1986:463.Pal J., Singh S., Ghose A.K., Mohan S. A mathematical model for end point control of basic oxygen steelmaking furnace. Journal of Metallurgy and Materials Science. 2002;44(1):39–49.Pal J., Singh S., Ghose A.K., Mohan S. A mathematical model for end point control of basic oxygen steelmaking furnace. Journal of Metallurgy and Materials Science. 2002;44(1):39–49.Okorokov B.N. Linear energy dynamics of open systems of steelmaking processes. Moscow: Metallurgizdat, 2021:520. (In Russ.).Окороков Б.Н. Линейная энергодинамика открытых систем сталеплавильных про-цессов. Москва: Металлургиздат, 2021:520.Mokrinskii A.V., Protopopov E.V., Chernyatevich A.G., Zhibinova I.A., Shakirov K.M., Ganzer L.A. Investigation of the hydrodynamics of a converter bath during purging of a melt in a liquid-phase reduction unit. Izvestiya. Ferrous metallurgy. 2006;(6):7‒11. (In Russ.).Мокринский А.В., Протопопов Е.В., Чернятевич А.Г., Жибинова И.А., Шакиров К.М., Ганзер Л.А. Исследование гидродинамики конвертерной ванны при продувке расплава в агрегате жидкофазного восстановления. Известия вузов. Черная металлургия. 2006;(6):7‒11.Protopopov E.V., Aizatulov R.S., Sokolov V.V. etc. Method of steel smelting in a con-verter. Pat. 2107737 RF.; zayavl. 26.02.97; opubl. 27.03.98. (In Russ.).Пат. 2107737 РФ. Способ выплавки стали в конвертере / Е.В. Протопопов, Р.С. Айзатулов, В.В. Соколов и др.; заявл. 26.02.97; опубл. 27.03.98.Zhibinova I.A., Shakirov K.M., Protopopov E.V., Shakirov M.K. Thermodynamic substantiation of the technology of liquid-phase reduction of oxide materials in the oxygen converter process. Izvestiya. Ferrous metallurgy. 2009;(2):17‒20. (In Russ.).Жибинова И.А., Шакиров К.М., Протопопов Е.В., Шакиров М.К. Термодинамическое обоснование технологии жидкофазного восстановления оксидных материалов в условиях кислородно-конвертерного про-цесса. Известия вузов. Черная металлургия. 2009;(2):17‒20.Chen, J.D., Zhang C.J. and Feng J.H. Static mechanics model in loading converter and energy saving. Journal of Hebei Institute of Technology. 2007;29(1):32–35.Chen, J.D., Zhang C.J. and Feng J.H. Static mechanics model in loading converter and energy saving. Journal of Hebei Institute of Technology. 2007;29(1):32–35.Ray S.K., Gautam Chattopadhyay G., Asim K. Ray A.K. Evaluation of Dust Generated from Basic Oxygen Furnace Steel Making. Journal of the Air & Waste Management Association. 1997.47(6):716‒721. https://doi.org/10.1080/10473289.1997.10463929Ray S.K., Gautam Chattopadhyay G., Asim K. Ray A.K. Evaluation of Dust Generated from Basic Oxygen Furnace Steel Making. Journal of the Air & Waste Management Association. 1997.47(6):716‒721. https://doi.org/10.1080/10473289.1997.10463929Pal J., Ghorai S., Singh D. P. Performance Assessment of CO2 Treated Fluxed Iron Oxide Pellets in Basic Oxygen Steel Making Process. ISIJ International. 2010;50(1):105–114.Pal J., Ghorai S., Singh D. P. Performance Assessment of CO2 Treated Fluxed Iron Oxide Pellets in Basic Oxygen Steel Making Process. ISIJ International. 2010;50(1):105–114.Dering D, Swartz C, Dogan N. Dynamic Modeling and Simulation of Basic Oxygen Furnace (BOF) Operation. Processes. 2020;8(4):483. https://doi.org/10.3390/pr8040483Dering D., Swartz C., Dogan N. Dynamic Modeling and Simulation of Basic Oxygen Furnace (BOF) Operation. Processes. 2020;8(4):483. https://doi.org/10.3390/pr8040483Zhibinova I.A., Shakirov K.M., Protopopov E.V., Poshevneva A.I. Thermodynamic analysis of reactions of reduction of iron and manganese from their monoxides by metal impurities under conditions of "suppressive" oxidation of iron. Izvestiya. Ferrous metallurgy. 2005;(2):3‒6. (In Russ.).Жибинова И.А., Шакиров К.М., Протопопов Е.В., Пошевнева А.И. Термодинамический анализ реакций восстановления железа и марганца из их монооксидов примесями металла в условиях «подавляющего» окисления железа. Известия вузов. Черная металлургия. 2005;(2):3‒6.Жибинова И.А., Шакиров К.М., Протопопов Е.В., Пошевнева А.И. Термодинамический анализ реакций восстановления железа и марганца из их монооксидов примесями металла в условиях «подавляющего» окисления железа. Известия вузов. Черная металлургия. 2005;(2):3‒6.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.