CC BY
20
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧУГУНА
УДК 621.746.628.001.57
Дюльдина Э.В., Гельчинский Б.Р., Селиванов В.Н.
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ РАСПЛАВОВ ШЛАКООБРАЗУЮЩИХ СМЕСЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ В ПРОЦЕССЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ
Аннотация. В работе представлены результаты использования программного обеспечения для визуализации процессов шлакообразования. Рассмотрено задание по расчету структурных свойств десятикомпонентного расплава производственного ишака методом молекулярно-динамического моделирования. Для расплава быпи рассчитаны свойства ближнего порядка: парциальные парные корреляционные функции оксидов с разным содержанием в ишаке, расстояния между атомами в зависимости от их сорта и др. Выполнен поиск и рассчитано число ближайших соседей для нескольких пар металпов, металп - кислород. Показано сложное строение шпака, в том числе образование различных структурных элементов, таких как цепочки кремния.
Ключевые слова: визуализация, преподавание, молекулярная динамика, десятикомпонентный расплав шпака, атомная структура, ближний порядок.
В настоящее время обучение в вузе студентов по направлениям подготовки металлургов требует более глубоких знаний в области теории металлургических процессов. Для современного специалиста необходимо понимание термодинамических и кинетических закономерностей процессов, протекающих в сложных металлургических системах, а также механизмов происходящих при этом физических явлений и химических реакций. Сложность изучения заключается в том, что в процессах черной металлургии участвуют две несмешивающиеся фазы: расплав железа и расплав шлака. Такие процессы с участием расплавов до сих пор наименее изучены. Это связано с недостаточной разработанностью теории жидкого состояния и со значительными экспериментальными трудностями, возникающими при изучении высокотемпературных расплавов.
Опыт ведения образовательной деятельности при изучении физической химии металлургических процессов показывает, что в ходе преподавания прикладных дисциплин требуется более глубокая проработка курсов физики, химии, информатики, компьютерного моделирования.
Для изучения систем с участием расплавов важно знать их строение, т.е. природу сил взаимодействия атомов и ионов, образующих жидкость, и энергию межчастичного взаимодействия. Прогресс в вычислительной технике позволил перейти к моделированию систем, состоящих из многих чстиц. Поскольку структура, которой обладает жидкость, реализуется множеством состояний, можно, располагая достаточными вычислительными средствами, непосредственно воспроизвести этот процесс, рассматривая такое число молекул (атомов), чтобы получить средние значения по времени и по фазовому пространству. Студентов необходимо предварительно ознакомить с методом классической молекулярной динамики, где моделируется движение частиц по траекториям в процессе их взаимодействия друг с другом. В настоящее время существует много
О Дюльдина Э.В., Гельчинский Б.Р., Селиванов В.Н., 2017
работ по моделированию однокомпонентных жидкостей, а также ряд исследований двойных и многокомпонентных систем, обзор которых приведен в работах [1, 2].
Многочисленные технологические процессы производства черных металлов основаны на активном взаимодействии металла с жидким шлаком. Поэтому как характер этого взаимодействия, так и строение самого шлака издавна интересуют металлургов. Представляет научный интерес прогнозное определение свойств и доменного, и сталеплавильного шлака. Особенно это важно в том случае, когда химический состав будущего шлака рассчитывается по составу шихтовых материалов, а температура продуктов плавки опредляется на выходе из печи по содержанию кремния в чугуне. Знание структуры шлака в жидком состоянии могло бы существенно помочь в решении некоторых проблем, стоящих перед металлургами и, в частности, позволило бы получать данные по некоторым важнейшим свойствам шлаков, таким как вязкость, поверхностное натяжение, электропроводность и другим в зависимости от химического состава.
Для успешного решения этой задачи необходима информация о зависимости физико-химических свойств и структуры получающегося шлака от химического состава шлакообразующих материалов. Эти данные могут быть получены из экспериментальных исследований, однако для разработки более эффективных технологических процессов зачастую необходимо знать фундаментальные закономерности, лежащие в их основе. Такую информацию может дать микроскопическая теория расплавов и современные методы компьютерного моделирования.
Одним из эффективных способов, позволяющих наглядно представлять структурообразование в микрообъектах, является визуализация сложных процессов с использованием специализированных программных средств. Сначала исследуют структуру и некоторые свойства реального производственного шлака. Моделирование проводится с помощью метода классической молекулярной динамики, а анализ - с помощью программ, позволяющих
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧУГУНА
произвести визуализацию полученной структуры, например Crystal Maker.
При изучении курса физическая химия металлургических процессов в разделе «Строение и свойства металлургических расплавов» в рамках практических и лабораторных работ студенты-бакалавры, а позднее магистранты могут освоить такие программы. При этом у них появляется возможность самостоятельно формировать параметры моделирования, наблюдать за этим процессом, анализировать графическую информацию, отражающую изменение физических величин, описывающих взаимодействие частиц в процессе шлакообразования. Это позволяет добиваться более глубокого понимания происходящих при высоких температурах процессов в ходе изучения теоретического материала.
Для магистрантов первого года обучения идет адаптация пакета программного обеспечения, предназначенного для моделирования и визуализации атомной структуры жидкостей различной природы.
Обычно промышленные шлакообразующие смеси разрабатываются в базовой системе Ca0-Si02-AI203. Требуемые физико-химические свойства расплава обеспечивают введением в их состав в небольших количествах соединений магния, фтора, натрия и др. Такие смеси следует относить к многокомпонентным системам. Диаграмм состояния таких систем в литературе нет, а изучать микроструктуру таких шлаков экспериментально не представляется возможным. Однако атомную структуру расплава можно моделировать и визуализировать результаты моделирования (рис.1). Приведенная на этом рисунке структура была получена в результате выполнения типового задания по расчету структурных свойств многокомпонентного расплава шлака метдом молекулярно-динамического моделирования (МД). Для этого была взята шлакообразующая смесь для кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок при разливке низкоуглеродистой стали, состоящая из 10 ионов (Si, Са, AI, Мд, Мп, К, Na, Fe, F, О), многокомпонентной смеси (Si02 -СаО - AI203 - МдО - MnO - CaF2 - Na20 - К20- FeO).
Рис. 1. Ячейка 10-компонетного шлака 2002 атома
Основными структурными характеристиками многокомпонентных систем являются парные корреляционные функции (ПКФ), описывающие вероятность обнаружения пары частиц сортов \ и ] на расстоянии г. Рассматривая множество всех ПКФ, возможных для конкретного распла-
ва, получают картину взаимного расположения атомов в пространстве. Именно такая картина взаимного расположения частиц 10-компомпонентной системы, представлена на (рис. 1.) Для исследуемого нами расплава были рассчитаны свойства ближнего порядка: парциальные парные корреляционные функции оксидов с разным содержанием в шлаке, расстояния между атомами в зависимости от их сорта и др. Выполнен поиск и рассчитано число ближайших соседей для нескольких пар металл - кислород.
Из анализа модельной картины ясно, что кремний располагается неравномерно по всему объему шлака, не в виде каких-либо объемных кластеров, а в виде длинных вытянутых цепочек. Программа позволяет рассмотреть как отдельно выделенные компоненты и их связи, так и в окружении других компонентов.
Из теории строения шлаков известно, что основу их структуры составляют кремнекислородные тетраэдры и их группы. На (рис. 2) слева показано расположение атомов кремния и овалом выделена одна из его цепочек. Справа показана эта же цепочка в окружении ближайших атомов кислорода (цепочка кремнекислородных тетраэдров).
с
Рис. 2. Цепочка кремния в шлаке (сверху) и цепочка кремния, окруженная кислородом (снизу)
Таким образом, метод компьютерного моделирования дает наглядное представление о характере межчастичного взаимодействия в оксидных и шлаковых расплавах и позволяет изучать взаимосвязь их физико-химических свойств и строения.
№1 (20). 2017
5
Раздел 1
Список литературы
1. Белащенко Д.К. Компьютерное моделирование жидких и аморфных веществ. М.: МИСиС,
2. Физико-химические исследования оксидов и шлаковых систем./ Гельчинский Б.Р., Дюльдина Э.В., Селиванов В.Н., Белащенко Д.К. М: ФИЗМАТЛИТ, 2016.136 с.^ВЫ 978-5-9221-1700-5.
2005.408 с.
Сведения об авторах
Дюльдина Эльвира Владимировна - канд. техн. наук, доц., профессор каф. ХТиФХ, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», тел. (3519)29851, E-mail: devi@,magtu.ru.
Гельчинский Борис Рафаилович - д-р физ.-мат. наук, зав. лабораторией порошковых, композиционных и наноматериалов ФГБУ ИМЕТ УрО РАН, тел. (343)267-89-14, E-mail: brg47i@list.ru.
Селиванов Валентин Николаевич - канд. техн. наук, доц., профессор кафедры МЧМ, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», тел. (3519)298449. E-mail: mcm@magtu.ru.
INVESTIGATION OF THE PROPERTIES OF MELTS OF SLUDGE-FORMING MIXTURES WITH THE USE OF VISUALIZATION MEANS IN THE PROCESS OF PHYSICO-CHEMICAL TRAINING OF METALLURGICAL PROFILE SPECIALISTS
Dyuldina Elvira Vladimirovna - Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russian Federation. Phone: (3519)298433. E-mail: dcvf/magtu.ru
Gelchinski Boris Rafailovich - Dr. Sc. (Phys.-Math), Head of Laboratory for Powdery, Composite and Nano-Materials, Magnitogorsk, Russian Federation.
Selivanov Valentin Nikolaevich ~ PhD. (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russian Federation. Phone: (3519)298449. E-mail: mcnri7 magtu.ru
Abstracts. The results of the use of software for visualization slagging processes are presented. The task of calculating the structural properties of the ten-component melts of industrial slag production by molecular dynamics simulation is given. Melt's properties of the short-range order have been calculated: the partial correlation functions paired with different contents of oxides in the slag, the distance between the atoms according to their grades, etc. A search is calculated, and the number of nearest neighbors for several pairs of metal, metal - oxygen. Slag complicated structure, including the formation of various structural elements, such as silicon chain is shown. Keywords: visualization, teaching, molecular dynamics, molten slag, atomic structure, short-range order.
Ссылка на статью:
Дюльдина Э.В., Гельчинский Б.Р., Селиванов В.Н. Изучение свойств расплавов шлакообразующих смесей с использованием средств визуализации в процессе физико-химической подготовки специалистов металлургического профиля // Теория и технология металлургического производства. 2017. №1(20). С. 4-6.
Dyuldina Е. V., Gelchinski B.R., Selivanov V. N. Investigation of the properties of melts of sludge-forming mixtures with the use of visualization means in the process of physico-chemical training of metallurgical profile specialists. Teoria i tehnologia metallurgiceskogo proizvod-stv. [The theory and process engineering of metallurgical production], 2017, vol. 20, no. 1, pp. 4-6.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
♦
♦
♦
