Термодинамика и кинетика металлургических процессов : Моделирование системы «металл - шлак - газ»

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
№ 4353
УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ МИСИС
ИНСТИТУТ ТЕХНОЛОГИЙ
Кафедра металлургии стали, новых производственных 
технологий и защиты металлов
ТЕРМОДИНАМИКА И КИНЕТИКА 
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ
Моделирование системы 
«металл – шлак – газ»
Учебное пособие
Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета
Москва 2023

УДК 669.18:65
 
Т35
Р е ц е н з е н т
канд. техн. наук К.А. Зубарев (ООО «Джет Софт»)
А в т о р ы :
Г.И. Котельников, А.А. Толстолуцкий, С.В. Подкур, Е.В. Лысенкова
Т35  
Термодинамика и кинетика металлургических 
процессов : Моделирование системы «металл – 
шлак – газ» : учеб. пособие / Г.И. Котельников 
[и др.]. – Москва : Издательский Дом НИТУ МИСИС, 
2023. – 38 с.
ISBN 978-5-907560-82-6
Учебное пособие содержит описание методов и основных приемов, необходимых для проведения физико-химических расчетов при описании процессов в сталеплавильных металлургических агрегатах, а также расчеты оптимального состава шихты 
для дуговой сталеплавильной печи.
Учебное пособие соответствует тематике учебных курсов 
«Термодинамика и кинетика металлургических процессов», 
«Прикладная термодинамика и кинетика», «Структура, функции и процессы в технических системах».
Предназначено для обучающихся в бакалавриате и магистратуре по направлениям подготовки «Металлургия» (22.03.02 
и 22.04.02), «Управление в технических системах» (27.03.04 
и 27.04.04).
УДК 669.18:65
Коллектив авторов, 2023
ISBN 978-5-907560-82-6
НИТУ МИСИС, 2023

Содержание
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1. Описание термодинамического блока программного 
комплекса STM  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
2. Описание моделей расчета состояний равновесия 
в фазах  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
2.1. Общие сведения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
2.2. Активность компонентов в металлической фазе . . . . .8
2.3. Активность компонентов шлаковой фазы  . . . . . . . . . .9
3. Работа с программой STM. Особенности интерфейса 
программы  
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
3.1. Запуск программы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
3.2. Основные элементы интерфейса программного 
комплекса STM  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
3.3. Работа с материалами и создание базы 
материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
3.4. Пошаговое моделирование равновесия в системе 
«металл – шлак – газовая фаза» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
4. Пример пошагового моделирования взаимодействия 
компонентов в системе «металл – шлак – газовая фаза» . . .17
5. Моделирование плавки стали марки 08Х20Н9Г7Т  . . . . .19
5.1. Период расплавления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
5.2. Период легирования и доводки металла . . . . . . . . . . .23
5.3. Выпуск металла  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
6. Автоматизация диапазонных расчетов . . . . . . . . . . . . . . .28
7. Оптимизация состава шихты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
Заключение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
3

ВВЕДЕНИЕ
Выплавка стали является сложным процессом. Необходимо 
учитывать 
множество 
факторов, 
влияющих 
на ход выплавки стали. Одним из способов учета этих факторов является использование термодинамических моделей распределения химических элементов в системе «металл – шлак – газовая фаза».
К настоящему моменту разработано достаточно большое 
число термодинамических моделей, в том числе в рамках 
программ, описывающих металлургические расплавы и процессы: АСТРА (ТЕРРА), Outokumpu, ChemSage (FactSage), 
Thermo-Сalc, ABB Ability и др. Их применение позволило 
утилизировать огромное количество справочных данных 
по всевозможным соединениям и существенно сократить 
время проведения термодинамических расчетов. Отрицательным моментом этих программ является низкая адаптируемость к реальным системам, в частности к металлургическим процессам.
Для преодоления указанных недостатков была разработана программа «ГИББС» [1]. Большую роль в ее создании сыграл проф. А.Г. Пономаренко. В дальнейшем на этой 
базе была разработана программа SyTherMa [2], ориентированная на сталеплавильные процессы. С ее помощью можно 
проводить равновесные расчеты состава и массы металла, 
шлака и газовой фазы при заданных значениях температуры и давления. В реализации программы принято, что 
металлургическая система состоит из трех фаз – металла, 
шлака и газовой фазы, их температура принята одинаковой. Дополнительно в программе SyTherMa (далее – STM) 
расширен функционал сталеплавильных расчетов, добавлены модули оптимизации шихты сталеплавильного агрегата. Данное учебное пособие содержит описание компьютерной программы с примерами решения прикладных задач 
в области черной металлургии. Поясняются подходы, применяемые при решении этих задач.
4