blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"blackmet-1283Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESИССЛЕДОВАНИЕ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ ХРОМА ВО ОКСИДНО-ФТОРИДНЫХ ШЛАКАХ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ЭШПSTUDY OF THE OXIDATION DEGREE OF CHROMIUM IN OXIDE-FLUORIDE SLAGS FOR ESRЛевковЛеонид ЯковлевичLevkovLeonid Yakovlevich

Заведующий лабораторией спецэлектрометаллургии

6758745@mail.ruШурыгинДмитрий АлександровичShuryginDmitry Alexandrovich

Ведущий научный сотрудник

shurygind5@mail.ruДубВладимир СемёновичDubVladimir Semyonovich

Научный руководитель ИМиМ

oms@cniitmash.ruКлочайВиктор ВладимировичKlochayViktor Vladimirovich

Председатель Совета директоров ПАО "Русполимет"

e.korzun@ruspolymet.ruКорзунЕвгений ЛеонидовичKorzunEvgeny Leonidovich

Начальник отдела НИОКР

e.korzun@ruspolymet.ruАО "НПО"ЦНИИТМАШ"РоссияJSC «RPA «CNIITMASH»Russian FederationПАО "Русполимет"Russian FederationPJSC «Ruspolymet»Russian FederationПАО "Русполимет"Russian Federation20181412201861121283Copyright © Левков Л.Я., Шурыгин Д.А., Дуб В.С., Клочай В.В., Корзун Е.Л., 20192019Левков Л.Я., Шурыгин Д.А., Дуб В.С., Клочай В.В., Корзун Е.Л.Levkov L.Y., Shurygin D.A., Dub V.S., Klochay V.V., Korzun E.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1283

Заготовки из высокохромистых сталей, обладающих необходимым комплексом механических и коррозионных свойств, широко применяются при производстве ответственных изделий тяжелого и энергетического машиностроения. Одной из наиболее эффективных технологий, получивших широкое распространение при изготовлении таких заготовок, является электрошлаковый переплав (ЭШП).

Выбор шлака, поддержание на оптимальном уровне его окислительно-восстановительного потенциала является предпосылкой эффективного рафинирования высокохромистых сталей при ЭШП, посколькухром и другие элементы, присутствующие в шлаке в различных степенях окисления, участвуют в транспорте кислорода из газовой фазы в жидкий металл.

С позиций теории электронного строения шлаковых систем оценено влияниеокисленности шлака(равновесного парциального давления кислорода Ро2) на степень окисленияхрома в широко используемых в России шлаках типа АНФ-1, АНФ-6 и АНФ-29. Установлены зависимости соотношения концентраций Cr+3/Сr+2 от температуры, окисленности и оптическойосновности шлака.

Work-pieces from high-chromium steels possessing the necessary complex of mechanical and corrosion properties are widely used in the manufacture of critical products of heavy and power engineering. One of the effective technologies widely used in the manufacture of such work-pieces is electroslagremelting (ESR).

The choice of slag, maintaining its optimum oxidation-reduction potential at an optimum level, is a prerequisite for the effective refining of high-chromium steels at the ESR, since chromium and other elements present in the slag in various oxidation degree participate in the transport of oxygen from the gas phase to the liquid metal.

From the standpoint of the theory of the electronic structure of slag systems, the effect of slag oxidation (the equilibrium partial pressure of oxygen Ро2) on the oxidation degree of chromium has been studied for widely used slags of Russia such as ANF-1, ANF-6, and ANF-29.The dependence of the ratio of Cr+3/Cr+2 concentrations on the temperature, oxidation level and optical basicity of the slag is established.

The calculated results are compared with the experimental data for slag systems at a temperature of 1873 K. It is shown that the average oxidation degree of chromium decreases with increasing temperature, a decreasing of the oxygen partial pressure and the optical basicity of the slag. It is shown that the presence of fluorine in the slag affects the variation ratio Cr+3/Сr+2.

степень окисленияпарциальное давление кислородаэлектрошлаковый переплавоптическая основность шлакаэлектроотрицательностьМинистерство образования и науки Российской ФедерацииReferencesThe European COST536 project for the development of new high temperature rotor materials / T.-U. Kern, B. Scarlin, G. Zeiler et al.//Proc. 17th IFM. - 2008. – 1081 p.The European COST536 project for the development of new high temperature rotor materials / T.-U. Kern, B. Scarlin, G. Zeiler et al.//Proc. 17th IFM. - 2008. – 1081 p.Принципиальная технология производства новой наноструктурированной коррозионностойкой дуплексной стали /Уткина К.Н., Баликоев А.Г., Левков Л.Я., Дуб В.С. и др.// Сб. докладов «19-й Конференции молодых специалистов по ядерным энергетическим установкам», Подольск. - 2017.- С. 351-359.Принципиальная технология производства новой наноструктурированной коррозионностойкой дуплексной стали /Уткина К.Н., Баликоев А.Г., Левков Л.Я., Дуб В.С. и др.// Сб. докладов «19-й Конференции молодых специалистов по ядерным энергетическим установкам», Подольск. - 2017.- С. 351-359.Deoxidation in the Electroslag Process / А.Mitchell, F.Reyes-Carmona, Wei C.-h. // Proc. of 39th Electric Furnace Conference. - 1981. - P. 103-107.Deoxidation in the Electroslag Process / А.Mitchell, F.Reyes-Carmona, Wei C.-h. // Proc. of 39th Electric Furnace Conference. - 1981. - P. 103-107.Optimized control of slag chemistry for the electroslagremelting of large size ingots / J. Reitz, M. Maurischat, B. Friedrich // Proc. of IFM. - 2008. - Р.28-36.Optimized control of slag chemistry for the electroslagremelting of large size ingots / J. Reitz, M. Maurischat, B. Friedrich // Proc. of IFM. - 2008. - Р.28-36.Review of mathematical models of fluid flow, heat transfer and mass transfer in electroslagremelting process / B. Hernandez-Morales, A. Mitchell // Ironmaking and Steelmaking. – 1999. - vol. 26. - No.6. - P.423-438.Review of mathematical models of fluid flow, heat transfer and mass transfer in electroslagremelting process / B. Hernandez-Morales, A. Mitchell // Ironmaking and Steelmaking. – 1999. - vol. 26. - No.6. - P.423-438.О валентности металлов в оксидных и солевых расплавах / А.Г. Пономаренко, Е.Н. Иноземцева // Научные сообщения 4-й Всесоюз. конф. по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов- 1980.- ч. 3.- С.67-70.О валентности металлов в оксидных и солевых расплавах / А.Г. Пономаренко, Е.Н. Иноземцева // Научные сообщения 4-й Всесоюз. конф. по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов- 1980.- ч. 3.- С.67-70.Физико-химические свойства поливалентных элементов в расплавах и разработка энергоресурсосберегающих металлургических технологий. дис. … докт. техн. наук.: 05.16.02 / Павлов Александр Васильевич. - М. - 2002. - 351 с.Физико-химические свойства поливалентных элементов в расплавах и разработка энергоресурсосберегающих металлургических технологий. дис. … докт. техн. наук.: 05.16.02 / Павлов Александр Васильевич. - М. - 2002. - 351 с.The effects of temperature, slag chemistry and oxygen partial pressure on the behaviour of chromium oxide in melter slags / N.J. Bartie // University of Stellenbosch. - 2004.-137 р.The effects of temperature, slag chemistry and oxygen partial pressure on the behaviour of chromium oxide in melter slags / N.J. Bartie // University of Stellenbosch. - 2004.-137 р.Recent developments in physico-chemical characterisation and modelling of ferroalloy slag systems / S. Jahanshahi, S. Sun, L. Zhang // 10th Int. Ferroalloys Congress INFACON. South Africa. February - 2004. - P.316-332.Recent developments in physico-chemical characterisation and modelling of ferroalloy slag systems / S. Jahanshahi, S. Sun, L. Zhang // 10th Int. Ferroalloys Congress INFACON. South Africa. February - 2004. - P.316-332.Degree of oxidation of iron in СaO-SiО2-FeОn slag melts as a Function of the oxygen partial pressure of the gas phase / J.Mikelsons // Arhiv fur dusEisenhuttenwesen. - 1982. - V.53. - № 6. - P.251–265.Degree of oxidation of iron in СaO-SiО2-FeОn slag melts as a Function of the oxygen partial pressure of the gas phase / J.Mikelsons // Arhiv fur dusEisenhuttenwesen. - 1982. - V.53. - № 6. - P.251–265.Термодинамическая модель системы металл-шлак для АСУ и машинных экспериментов по оптимизации технологии сталеплавильного процесса: дис. … канд. техн. наук.: 05.16.02 / Храпко Сергей Александрович. – Донецк.: ДПИ. - 1990. - 81 с.Термодинамическая модель системы металл-шлак для АСУ и машинных экспериментов по оптимизации технологии сталеплавильного процесса: дис. … канд. техн. наук.: 05.16.02 / Храпко Сергей Александрович. – Донецк.: ДПИ. - 1990. - 81 с.Угар титана в процессе электрошлакового переплава / А. Митчелл, М. Этьен// Электрошлаковый переплав-Вып. 2.–М.: Металлургия.- 1971.-С.161-169.Угар титана в процессе электрошлакового переплава / А. Митчелл, М. Этьен// Электрошлаковый переплав-Вып. 2.–М.: Металлургия.- 1971.-С.161-169.The Reactions of Titanium and Silicon with Al2O3-CaO-CaF2 Slags in the ESR Process / H. Biele, G. Pateisky, H.J. Fleischer // Journal of Vacuum Science and Technology. – 1972. - Vol. 9.- No. 6. - P.1318-1321.The Reactions of Titanium and Silicon with Al2O3-CaO-CaF2 Slags in the ESR Process / H. Biele, G. Pateisky, H.J. Fleischer // Journal of Vacuum Science and Technology. – 1972. - Vol. 9.- No. 6. - P.1318-1321.Левков Л.Я. Теоретические предпосылки и практические методы управления физико-химическими и теплофизическими процессами при электрошлаковом переплаве, определяющие качество ответственных изделий: дис. … докт. техн. наук.: 05.16.02 / Левков Леонид Яковлевич. – М. - 2016. - 339 с.Левков Л.Я. Теоретические предпосылки и практические методы управления физико-химическими и теплофизическими процессами при электрошлаковом переплаве, определяющие качество ответственных изделий: дис. … докт. техн. наук.: 05.16.02 / Левков Леонид Яковлевич. – М. - 2016. - 339 с.Окоукони П.И. Разработка элементов САПР технологии плавки стали: дис.… канд.техн.наук : 05.16.02 / ОкоукониПатрикИбара.– Донецк.: ДПИ. - 1993. – 168 с.Окоукони П.И. Разработка элементов САПР технологии плавки стали: дис.… канд.техн.наук : 05.16.02 / ОкоукониПатрикИбара.– Донецк.: ДПИ. - 1993. – 168 с.Slags in ferroalloys production-review of present knowledge / Y. Xiao, L. Holappa // The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy. - 2004. – August. - P.439-437.Slags in ferroalloys production-review of present knowledge / Y. Xiao, L. Holappa // The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy. - 2004. – August. - P.439-437.Redox Equilibria of Chromium in Calcium Silicate Base Melts / K. Schwerdtfeger, A. Mirzayousef-Jadid // Proc. of the Belton Symposium. - 2000. -AIME, ISS.- P.108-119.Redox Equilibria of Chromium in Calcium Silicate Base Melts / K. Schwerdtfeger, A. Mirzayousef-Jadid // Proc. of the Belton Symposium. - 2000. -AIME, ISS.- P.108-119.Activity of chromic oxide in the CaF2-CaO-Cr2O3 and CaF2-Al2O3-Cr2O3 systems / A. Mohanty, A. Kay // Metal. Trans. B. – 1975. - vol. 6. - P.159-166.Activity of chromic oxide in the CaF2-CaO-Cr2O3 and CaF2-Al2O3-Cr2O3 systems / A. Mohanty, A. Kay // Metal. Trans. B. – 1975. - vol. 6. - P.159-166.Experimental Studies on the Sulphide Capacities of CaO-SiO2-CrOx Slags / Lijun Wang, SeshadriSeetharaman // Metallurgical and Materials TransactionsB. 2010, Volume 41, Issue 2, pp. 367–373. DOI:10.1007/s11663-009-9338-8.Experimental Studies on the Sulphide Capacities of CaO-SiO2-CrOx Slags / Lijun Wang, SeshadriSeetharaman // Metallurgical and Materials TransactionsB. 2010, Volume 41, Issue 2, pp. 367–373. DOI:10.1007/s11663-009-9338-8.Thermodynamic behaviour of transition metal (Cr, Ti, Nb, V) oxides in molten slags / B. Yan, J. Zhang, Q. Song // Proc. of «MOLTEN – 2009», Chile. - 2009. – Chapter 1. - P. 309-317.Thermodynamic behaviour of transition metal (Cr, Ti, Nb, V) oxides in molten slags / B. Yan, J. Zhang, Q. Song // Proc. of «MOLTEN – 2009», Chile. - 2009. – Chapter 1. - P. 309-317.Activity of chromium oxide in CaO-SiO2 based slags at 1873 K / K.Morita, N.Sano // VII Int. Conf. on Molten Slags Fluxes and Salts (South Africa). - 2004 – Р. 113-117Activity of chromium oxide in CaO-SiO2 based slags at 1873 K / K.Morita, N.Sano // VII Int. Conf. on Molten Slags Fluxes and Salts (South Africa). - 2004 – Р. 113-117The solubility of MgO∙Cr2O3 in MgO-Al2O3-SiO2-CaO slag at 1600°C under reducing conditions / K. Morita, A. Inoue, N. Takayama, N. Sano // Tetsu-to-Hagane -1988.- vol. 74. - №6. - P.999-1005.The solubility of MgO∙Cr2O3 in MgO-Al2O3-SiO2-CaO slag at 1600°C under reducing conditions / K. Morita, A. Inoue, N. Takayama, N. Sano // Tetsu-to-Hagane -1988.- vol. 74. - №6. - P.999-1005.Л. Полинг, Природа химической связи //Госхимиздат.: Москва - Ленинград, 1947. - 440 с.Л. Полинг, Природа химической связи //Госхимиздат.: Москва - Ленинград, 1947. - 440 с.http://mendeleev.readthedocs.io/en/stable/data.html#electronegativity (дата обращения 12.03.2018г.)http://mendeleev.readthedocs.io/en/stable/data.html#electronegativity (дата обращения 12.03.2018г.)Estimation of electronegativity values of elements in different valence states /Li Keyan, XueDongfeng //J. of Physical Chemistry А.-2006, Vol.110, Issue39, P.11332-11337. DOI:10.1021/jp062886kEstimation of electronegativity values of elements in different valence states /Li Keyan, XueDongfeng //J. of Physical Chemistry А.-2006, Vol.110, Issue39, P.11332-11337. DOI:10.1021/jp062886kКонцепция электроотрицательности. Современное состояние проблемы / А.Р. Черкасов, В.И. Галкин, Е.М. Зуева, Р.А. Черкасов//Успехи химии. - № 67 (5). – 1998. С. 423-441.Концепция электроотрицательности. Современное состояние проблемы / А.Р. Черкасов, В.И. Галкин, Е.М. Зуева, Р.А. Черкасов//Успехи химии. - № 67 (5). – 1998. С. 423-441.Wegman Dwight D., Investigation into critical parameters which determine the oxygen refining capability of the slag during electroslagremelting of alloy 718: theses and dissertations /Wegman Dwight D. 1993 – 180 Р.Wegman Dwight D., Investigation into critical parameters which determine the oxygen refining capability of the slag during electroslagremelting of alloy 718: theses and dissertations /Wegman Dwight D. 1993 – 180 Р.Подход к оценке основности шлакового расплава в системе газ-шлак-металл / В.В. Лакомский, Г. М. Григоренко // Современная электрометаллургия, 2009, № 2, С. 48-49.Подход к оценке основности шлакового расплава в системе газ-шлак-металл / В.В. Лакомский, Г. М. Григоренко // Современная электрометаллургия, 2009, № 2, С. 48-49.Поволоцкий Д.Я. Физико-химические основы процессов производства стали: Учебное пособие для вузов. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006. – 183 с.Поволоцкий Д.Я. Физико-химические основы процессов производства стали: Учебное пособие для вузов. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006. – 183 с.Термодинамическая оценка распределения элементов между шлаковой и металлической фазами в процессе ЭШП / Т.Б. Рудненко, А.Г. Пономаренко, Е.Н. Иноземцева и др. // Проблемы специальной электрометаллургии. - 1987. - №4. - С.15–21.Термодинамическая оценка распределения элементов между шлаковой и металлической фазами в процессе ЭШП / Т.Б. Рудненко, А.Г. Пономаренко, Е.Н. Иноземцева и др. // Проблемы специальной электрометаллургии. - 1987. - №4. - С.15–21.Распределение атомных электронов и правило последовательного заполнения (n+l)-групп / В.М. Клечковский // М.:Атомиздат. - 1968.- 432 с.Распределение атомных электронов и правило последовательного заполнения (n+l)-групп / В.М. Клечковский // М.:Атомиздат. - 1968.- 432 с.Статистическое моделирование с использованием регрессионного анализа: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Компьютерное и статистическое моделирование» / Ю.В. Коновалов // – М: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. - 73 с.Статистическое моделирование с использованием регрессионного анализа: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Компьютерное и статистическое моделирование» / Ю.В. Коновалов // – М: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. - 73 с.Experimental study on the activity of chromium oxide in the CaO-SiO2-Al2O3-MgOsat.-CrOx slag / W.Pei, O.Wijk // Scand. J. Metallurgy. - vol. 23.- 1994.- P.228-235.Experimental study on the activity of chromium oxide in the CaO-SiO2-Al2O3-MgOsat.-CrOx slag / W.Pei, O.Wijk // Scand. J. Metallurgy. - vol. 23.- 1994.- P.228-235.Activity of chromium oxide and phase relations for the CaO-SiO2-CrOx system at 1873 K under moderately reducing conditions / K. Morita, M. Mori, N. Sano et al. // Steel Research. - 1999. - No. 8 and 9. - P. 319-324.Activity of chromium oxide and phase relations for the CaO-SiO2-CrOx system at 1873 K under moderately reducing conditions / K. Morita, M. Mori, N. Sano et al. // Steel Research. - 1999. - No. 8 and 9. - P. 319-324.

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