Межрегиональная общественная организация «Ассоциация сталеплавильщиков», Москва, Россия:
Г. Н. Еланский, докт. техн. наук, профессор, эл. почта: elanskiy37@mail.ru

Институт стали Союза немецких металлургов, Дюссельдорф, Германия:
Д. Амелинг, докт.-инж., профессор, эл. почта: mud.ameling@t-online.de

ФГАОУ ВО «НИТУ «МИСиС», Москва, Россия:
Д. Г. Еланский, канд. техн. наук, доцент, эл. почта: de-misis@inbox.ru
Г. И. Котельников, канд. техн. наук, доцент, эл. почта: gikotelnikov@yandex.ru

Дано определение понятия степени окисления элементов, показан расчет средней степени окисления железа при одновременном присутствии FeO и Fe₂O₃. Рассмотрены степени окисления и участие железа в окислительно-восстановительных процессах. Железо может иметь степени окисления от нулевой (чистое железо) до +8. Наиболее важными являются степени окисления 0, +2 и +3. Рассмотрено строение расплавленного шлака. В нем одновременно могут присутствовать продукты диссоциации молекулярных составляющих в виде катионов и анионов, непродиссоциировавшие молекулы и комплексные объединения молекул или катионов с анионами (кластеров, комплексов, ассоциатов). Железо является главным участником процесса переноса кислорода в сталеплавильных процессах. Под воздействием кислорода среды железо окисляется до FeO и Fe₂O₃, образуя в шлаке катион Fe⁺² и анион FeO₂^–1. Рассчитаны средние степени окисления железа в рудах, концентратах, вюстите, в шлаках равновесных процессов распределения фосфора между расплавленным железом и шлаком. Предложена брутто-формула усредненного оксида железа в шлаке FeO_х, где 0 < x ≤ 1,5. Cтепень окисления железа в равновесных процессах распределения фосфора между расплавленным железом и шлаком составляет 2,03–2,47, в расслаивающихся шлаках четырехкомпонентной системы CaO – FeOn – P₂O₅ – SiO₂ — 2,11–2,37, а системы CaO – FeO_n – P₂O₅ – MgO – M_nO_n — 2,12–2,41;  нерасслаивающихся шлаковых системах в среднем 2,20–2,27. Средняя степень окисления железа в шлаках зависит от парциального давления кислорода и состава шлака и не зависит от концентрации оксидов железа.

Авторы выражают благодарность профессору-доктору Клаусу Коху (01.09.1936–20.05.2019, Институт металлургии Технического университета г. Клаусталя, ФРГ), докт. техн. наук Л. Я. Левкову (НПО ЦНИИТМАШ), докт. техн. наук, проф. А. А. Кожухову (Оскольский филиал НИТУ МИСИС) и канд. техн. наук, доценту С. П. Бурмасову (Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина) за предоставленные исходные материалы и плодотворную дискуссию.

1. Welt: Rohstahlerzeugung // Stahl und Eisen. 2019. No. 2. S. 83.
2. Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. — М. : Химия, 1981. — 630 с.
3. Некрасов Б. В. Курс общей химии. — М. : Росхимиздат, 1954. — 972 с.
4. Химические науки и образование в России [Электронный ресурс] URL: http://www.chem.msu.su/Zn/Fe/FeO2.html (дата обращения : 11.08.2020).
5. Киселев Ю. А. Актуальные проблемы стабилизации состояний окисления // Вестник Московского университета. Серия 2: Химия. 1998. Т. 39. № 1. С. 3–18.
6. Wüstite [Электронный ресурс] URL: https://www.mindat.org/min-4316.html (дата обращения : 11.08.2020).
7. Hazen R. M., Jeanloz R. Wüstite (Fe_1–xO): A review of its defect structure and physical properties // Reviews of Geophysic. 1984. Vol. 22, Iss. 1. P. 37–46.
8. Welberry T. R., Goossens D. J., Heerdegen A. P. Local order in wüstite using a pair distribution function (PDF) approach // Mineralogical Magazine. 2014. Vol. 78, Iss. 2. P. 373–385.
9. Fischer R. A., Campbell A. J., Shofner G. A., Lord O. T., Dera P., Prakapenka V. B. Equation of state and phase diagram of FeO // Earth and Planetary Science Letters. 2011. Vol. 304, Iss. 3-4. P. 496–502.
10. Levin E., Robbins C. R., Mcmurdie H. F. Phase diagrams for ceramists. The American Ceramic Society, INC. USA. 1969. — 625 p.
11. Атлас шлаков : пер. с нем. Г. И. Жмойдина / под ред. С. И. Куликова. — М. : Металлургия, 1985. — 208 с.
12. Юсфин Ю. С., Леонтьев Л. И., Черноусов П. И. Промышленность и окружающая среда. — М. : Академкнига, 2002. — 469 с.
13. Kortmann H., Koch K., Grover B., Burghardt O., Troemel G. Influence de la gangue sur le gonflement des boulettes de minerai de fer // Stahl und Eisen. 1973. No. 11. S. 463–472.
14. Печерица А. А., Ламухин А. М., Моров Д. В., Ярмухаметов М. Р., Просвиркин С. П. и др. Опыт по переработке пыли газоочисток ЭСПЦ в филиале ОАО «ОМКсталь» // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической информации. 2013. № 5. С. 91–94.
15. Piepenbrock R., Koch K., Troemel G. Ueber den Verlauf der Reduktion von Wuestit mit Zusetzen an Fremdoxiden // Archiv Eisenhuettenwesen. 1976. No. 3. S. 141–146.
16. Кудрин В. А., Еланский Г. Н., Голубков Б. Н. Оценка окислительной способности шлака // Сталь. 1976. № 6. С. 504–508.
17. Зайцев А. И., Могутнов Б. М. Жидкие шлаки как ассоциированные растворы. Фундаментальные исследования физико-химии металлических расплавов. — М. : Академкнига, 2002. С. 228–246.
18. Шешуков О. Ю., Некрасов И. В., Метелкин А. А., Савельев М. В., Шевченко О. И. К вопросу об основности металлургических шлаков // Сб. тр. XV конгресса сталеплавильщиков и производителей металла (Москва–Тула, 15–19 октября 2018). — М., 2018. С. 161–166.
19. Steelmaking Data Sourcebook. Revised Edition. The Japan Society for the promotion of Science. The 19^th Committee on Steelmaking. Gordon and Breach Science Publishers. New York, 1988. — 325 p.
20. Григорян В. А., Белянчиков Л. Н., Стомахин А. Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. — М. : Металлургия, 1987. — 272 с.
21. Troemel G., Fritze H. W. Gleichgewichte zwischen Eisen und kalkhaltigen Phosphatschlacken FeO_n – P₂O₅ – CaO // Archiv Eisenhuettenwesen. 1959. No. 8. S. 1–12.
22. Koch K., Fix W. Un tersuchungen im Schlakensystem Cao – FeO_n – P₂O₅ – SiO₂ bei 1600 °C // Archiv Eisenhuettenwesen. 1970. No. 2. S. 1–8.
23. Troemel G., Koch K., Fix W., Ameling D. Untersuchungen im Sechsstoff system CaO – FeOn – MgO – M_nO_n – P₂O₅ – SiO₂ bei 1600 °C im Gleichgewicht mit Eisen // Archiv Eisenhuettenwesen. 1974. No. 10. S. 671–678.
24. Koch K. Die Gleichgewichte zwischen Eisenschmelzen und Schlacken des Systems CaO – FeO_n – P₂O₅ – SiO₂ bei 1600 °C: Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingeniours // Technische Hochschule Clausthal, 1967.
25. Ameling D. Untersuchungen im Sechsstoff system CaO – FeOn – MgO – M_nO_n – P₂O₅ – SiO₂ bei 1600 °C im Gleichgewicht mit Eisen: Dissertation zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieurs. Technische Hochschule Clausthal, 1971.
26. Khadhraoui S., Hack K., Jantzen T., Odenthal H.-J. Study of the State of Industrial P2O5–Containing Slags Relevant to Steelmaking Processes Dased on New Thermodynamic Database Developed for CaO – FeO_x – P₂O₅ – SiO₂ – MnO – Mg) – Al₂O₃ Slags. Part I: Ternary and Lower Order Systems // Steel Research International. 2019. Vol. 90, Iss. 8. 1900085.