Термодинамика и кинетика металлургических процессов: физико-химические расчеты распределения компонентов между металлом, шлаком и газом с использованием компьютерной программы «ГИББС - МИСиС»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2048 

Кафедра металлургии стали и ферросплавов 

Термодинамика и кинетика 
металлургических процессов 

Физико-химические расчеты распределения 
компонентов между металлом, шлаком и газом 
с использованием компьютерной программы 
«ГИББС – МИСиС» 

Учебное пособие 

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве 
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению 150100 – Металлургия 

Москва 2011 

УДК 669.04 
 
Т35 

Работа выполнена в рамках Аналитической ведомственной целевой программы 
«Развитие научного потенциала высшей школы», проект № 2.1.2/6832. 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. П.И. Черноусов 

Авторы: Г.И. Котельников, А.В. Павлов, А.А. Толстолуцкий,  
К.Л. Косырев, А.Я. Стомахин, Д.А. Мовенко 

Термодинамика и кинетика металлургических процессов : фи- 
Т35 зико-химические расчеты распределения компонентов между 
металлом, шлаком и газом с использованием компьютерной 
программы «ГИББС – МИСиС» : учеб. пособие / Г.И. Котельников, А.В. Павлов, А.А. Толстолуцкий [и др.]. – М. : Изд. Дом 
МИСиС, 2011. – 49 с. 
ISBN 978-5-87623-417-9 

Учебное пособие содержит описание компьютерной программы «ГИББС – 
МИСиС». Представлены решения следующих физико-химических задач: термодинамика распределения элементов между металлом и шлаком; равновесие железоуглеродистых расплавов с окислительными шлаками; термодинамика обезуглероживания металла; термодинамика растворов азота в расплавах; растворимость газов в легированной стали; раскислительная способность шлака. Поясняется методика подхода к таким задачам. 
Соответствует программе курса «Термодинамика и кинетика металлургических процесов». 
Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 150100 «Металлургия». 

УДК 669.04 

ISBN 978-5-87623-417-9 
© Коллектив авторов, 2011 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение 
4 
1  Описание компьютерной программы «ГИББС – МИСиС» 
5 
1.1  Модели расчета состояний в фазах 
6 
1.2  Активность компонентов в металлической фазе 
7 
1.3  Активность компонентов в шлаковой фазе 
8 
1.4  Уравнения системы металл – шлак – газ 
8 
1.5  Приведение системы уравнений к общему виду 
15 
1.6  Основные функции программного комплекса 
«ГИББС – МИСиС» 
23 
1.7  Методика использования программы «ГИББС – МИСиС» 24 
2  Решение физико-химических задач с помощью программы 
«ГИББС – МИСиС» 
27 
2.1  Расчет распределения элементов между металлом  
и шлаком с использованием теории регулярных ионных 
растворов (ТРИР) 
27 
2.2  Равновесие расплава Fe – C с окислительными шлаками 
30 
2.3  Термодинамика обезуглероживания металла с учетом 
одновременного образования СО и СО2 
32 
2.4  Определение растворимости азота в расплавах 
с помощью параметров взаимодействия 
37 
2.5  Вычисление растворимости азота в нержавеющей стали 
с помощью уравнения Чипмана – Корригана 
38 
2.6  Сравнение растворимости водорода и азота 
в легированной стали 
41 
2.7  Раскислительная способность шлака 
45 
Список использованных источников 
48 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Выплавка стали является сложным процессом. Необходимо учитывать множество факторов, влияющих на проведение плавки. Человек не 
всегда в состоянии правильно предсказать ход процесса. Для этого нужен большой опыт работы. Во время быстрой плавки сталевар с трудом 
успевает справляться с управлением агрегатом. Времени на осмысление 
процесса и расчет необходимого количества ферросплавов, легирующих и шлакообразующих элементов остается очень мало. В решении 
этой задачи могут быть полезными различные системы расчетов [1–19]. 
Они позволяют автоматизировать большую часть рутинного процесса 
выплавки стали, снизить нагрузку на человека и нацелить его интеллект 
на осмысление и совершенствование технологии плавки. 
В настоящее время существует достаточно большое количество 
термодинамических моделей, описывающих металлургические расплавы и процессы. К ним относятся АСТРА (ТЕРРА), Outokumpu, 
ChemSage (FactSage), HSC, ОРАКУЛ. Они позволяют автоматизировать значительную часть термодинамических расчетов. Отрицательным моментом первых трех программ является избыточная общность 
и малая адаптируемость к реальным металлургическим системам. 
Последняя программа более предметно адаптирована, но ограничена 
в возможностях расчета. Программа удовлетворительно рассчитывает равновесие в системе металл – шлак, но с ее помощью невозможно 
рассчитать, к примеру, растворимость азота и водорода в металле 
или полный состав газовой фазы, равновесной с металлом. 
Для устранения недостатков названных моделей была разработана 
модель «ГИББС – МИСиС»*. Модель ориентирована на металлургические и, в частности, сталеплавильные процессы. С ее помощью можно 
произвести равновесные расчеты состава и массы металла, шлака и газовой фазы при заданных температуре и давлении. Модель обеспечивает: 
-  расчет активностей компонентов в металле и шлаке; 
-  учет внешнего давления в газовой фазе (избыточное или остаточное давление в вакуумном металлургическом агрегате). 
В модели приняты следующие допущения: 
- принимается, что металлургическая система состоит из трех фаз: 
металла, шлака и газовой фазы; 
- шлак представляет собой конденсированную фазу, в которой 
растворены различные химические соединения: оксиды, сульфиды, 
фториды, нитриды и др.; 
- температуры металла, шлака и газа приняты одинаковыми. 
––––––––– 
* Модель названа по имени американского физика Джозайи Уилларда Гиббса 
(1839–1903), одного из создателей термодинамики и статистической механики. 

1 ОПИСАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПРОГРАММЫ 
«ГИББС – МИСИС» 

Работу программы в различных режимах, устанавливаемых по 
выбору пользователя, обеспечивает система, представляющая собой 
совокупность различных по назначению взаимосвязанных частей. 
Взаимодействие основных блоков системы «ГИББС – МИСиС» 
представлено на рисунке 1.1. 

 

Рисунок 1.1 – Структура взаимодействия блоков системы 

Из рисунка 1.1 видно, что термодинамический блок обеспечивает 
расчет равновесного состава металла, шлака и газовой фазы. Основные 
условия ведения плавки (расчета) вводятся через управляющий блок. 

1.1 Модели расчета состояний в фазах 

Широкий диапазон областей применения методов термодинамики 
обусловливает разнообразие применяемых моделей, используемых 
для исследования равновесных состояний и процессов. Наиболее 
распространенной из них является идеальная модель, в основу которой положены допущения о том, что поведение газовой фазы описывается уравнением состояния идеального газа и все растворы являются идеальными. Однако в металлургии существуют задачи, для 
решения которых необходимо использовать более сложные модели. 

Управляющий 
блок

Термодинамический
 
блок

Состав 
металла,
шлака, газа

Константы
равновесия 

Коэффициенты
активности

Параметры
взаимодействия

Время

Электроэнергия

Материалы

............. 

Кислород