blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-11-846-851blackmet-1756Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESХимические превращения при карботермическом восстановлении бария и бора из оксидовChemical transformations at carbothermal reduction of barium and boron from oxidesАкбердинА. А.AkberdinA. A.

Доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией «Бор»

100009, Караганда, Казахстан, ул. Ермекова, 63

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Laboratory “Boron”

Karaganda

akberdin.38@mail.ruКарбаевМ. М.KarbaevM. M.

Магистр техники и технологии

100009, Караганда, Казахстан, ул. Ермекова, 63

Master of Engineering and Technology

Karaganda

Химико-металлургический институт им. Ж. АбишеваКазахстанChemical-Metallurgical Institute named after Zh. AbishevKazakhstan2019231220196211846851Copyright © Акбердин А.А., Карбаев М.М., 20192019Акбердин А.А., Карбаев М.М.Akberdin A.A., Karbaev M.M.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/1756

Сплавы бора и бария применяют для улучшения качества чугуна, стали, алюминия и других металлов. Первые промышленность выпускает преимущественно в виде ферробора, содержащего, в зависимости от марки, 6 – 17 % бора. Производят его дорогостоящим алюминотермическим способом из-за использования борного ангидрида и алюминиевого порошка. При этом неизбежно присутствие в металле алюминия, который ухудшает технологические свойства чугунов и образует строчечные глиноземистые включения в стали. Внепечное удаление алюминия приводит к окислению бора и потерям его со шлаками. Поэтому предлагаются новые способы выплавки борсодержащих ферросплавов. Из разработок последнего времени можно отметить технологию производства борсодержащего ферросилиция, опробованную в промышленных условиях. Но его использование может быть ограничено при выплавке низкокремнистых марок стали. Барий относится к эффективным модификаторам. В связи с низкой растворимостью в железе его производят в виде сплавов с кремнием или алюминием. В первом случае образуются силициды (BaSi, BaSi2 ) и потому такие сплавы называют силикобарием или ферросилицием с барием. Но объемы производства силикобария значительно уступают производству традиционных ферросплавов. В настоящей работе изучена возможность производства борбариевого ферросплава, поскольку предполагалось, что одновременное присутствие в нем бария и бора может обеспечить потребности промышленности. На первом этапе рассмотрен химизм превращений в безжелезистой системе BaO – B2O3 – C. Анализ этой системы представляет также интерес для синтеза тугоплавких композиционных материалов на основе карбидов бора, бария и гексаборида бария в целях создания средств защиты от проникающей радиации, материалов для нелинейной оптики, термоэмиссионных катодов. Выполнен полный термодинамический анализ химических взаимодействий в этой системе в диапазоне температур 1400 – 3000 К. Установлена динамика изменения состава продуктов взаимодействия оксидов бария и бора с углеродом и между собой в зависимости от температуры. Показана возможность формирования конденсированной металлической фазы за счет карбидов бора (B4C) и бария (BaC2 ), а также гексаборида бария (BaB6). Полученные данные могут служить основой для создания нового ферросплава, одновременно содержащего бор и барий.

Alloys of boron and barium are applied to improve the quality of cast iron, steel, aluminum and other metals. The first industry produces mainly in the form of ferroboron, containing 6 – 17 % of boron depending on the brand. It is produced by an expensive aluminothermic method due to the use of boric anhydride and aluminum powder. At the same time, presence of aluminum in the metal is inevitable, it degrades the technological properties of cast iron and forms line alumina inclusions in steel. Extra-furnace removal of Al leads to oxidation of boron and its loss with slags. Therefore, the authors have proposed new methods for smelting boron-containing ferroalloys. Recent developments include the production technology of boron-containing ferrosilicon, which has been tested in industrial conditions. But its use may be limited in smelting of low-silicon steel grades. Barium is an effective modifier. Due to its low solubility in iron, it is produced in the form of alloys with silicon or aluminum. In the first case, silicides (BaSi, BaSi2 ) are formed and therefore such alloys are called silicon barium or ferrosilicon with barium. In present work, there has been studied the possibility of producing modifier with boron and barium ferroalloy. It was believed that the simultaneous presence of barium and boron in it can be demand for industry. At the first stage, chemistry of transformations in BaO– B2O3 – C ironless system was considered using the carbothermic method. A complete thermodynamic analysis of chemical interactions in this system was performed in the temperature range of 1400 – 3000 K. Possibility of the formation of a condensed metal phase due to boron carbides (B4C) and barium (BaC2 ), as well as barium hexaboride (BaB6 ) is shown. The obtained data can serve as the basis for creation of a new ferroalloy simultaneously containing boron and barium.

барийборуглеродвосстановлениекарбид бариякарбид борагексаборид барияbariumboroncarbonreductionbarium carbideboron carbidebarium hexaborideReferencesГолубцов В.А., Рябчиков И.В., Ахмадеев А.Ю. Модифицирование коррозионностойкой стали барийсодержащими сплавами // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». 2008. № 7. С. 15 – 17.Golubtsov V.A., Ryabchikov I.V., Akhmadeev A.Yu. Modification of corrosion-resistant steel by barium containing alloys. Chernaya metallurgiya. Byul. in-ta “Chermetinformatsiya”. 2008, no. 7, pp. 15–17. (In Russ.).Wan Yong, Chen Weiqing. Effect of boron content on the microstructure and magnetic properties of non-oriented electrical steels // J. Wuhan Univ. Technol. Mater. Sci. Ed. 2015. 30. No. 3. P. 574 – 579.Wan Yong, Chen Weiqing. Effect of boron content on the microstructure and magnetic properties of non-oriented electrical steels. J. Wuhan Univ. Technol. Mater. Sci. Ed. 2015, vol. 30, no. 3, pp. 574–579.Johnson M., Backerud L. The influence of composition on equiaxed crystal growth mechanisms and grain size in Al alloys // Z. Metallkd. 1996. Vol. 87. No 3. P. 216 – 220.Johnson M., Backerud L. The influence of composition on equiaxed crystal growth mechanisms and grain size in Al alloys. Z. Metallkd. 1996, vol. 87, no. 3, pp. 216–220.Müller K. Kornfeinung und Veredelung vonAl – Si – Gußlegierungen im Wechselspiel der Zusätze // Erstarrung metallischer Shmelzen in Forschung und Gießereipraxis, Symposium, 1999, Ed. Andreas Ludwig, P. 199 – 204.Müller K. Kornfeinung und Veredelung von Al – Si – Gußlegierungen im Wechselspiel der Zusätze. Erstarrung metallischer Shmelzen in Forschung und Gießereipraxis, Symposium, 1999, Andreas Ludwig ed., pp. 199–204. (In Germ.).Isagulov A., Akberdin A., Sultangaziyev R. etc. Diagram of equilibrium phase composition of Fe – C– Si – B system // Metalurgija. 2016. No. 3. P. 305 – 308.Isagulov A., Akberdin A., Sultangaziyev R., Kim A., Kulikov V., Isagulova D. Diagram of equilibrium phase composition of Fe – C – Si – B system. Metalurgija. 2016, no. 3, pp. 305–308.Гасик М.И., Лякишев Н.П. Теория и технология электрометаллургии ферросплавов. – М.: Интермет Инжиниринг, 1999. – 764 с.Gasik M.I., Lyakishev N.P. Teoriya i tekhnologiya elektrometallurgii ferrosplavov [Theory and technology of ferroalloys electrometallurgy]. Moscow: Intermet Inzhiniring, 1999, 764 p. (In Russ.)Жучков В.И. Комплексные ферросплавы: состав, производство, применение // Матер. Междунар. конф. «Проблемы и перспективы развития горно-металлургической отрасли». – Караганда, 2013. С. 61 – 64.Zhuchkov V.I. Complex ferroalloys: composition, production, application. In: Materialy Mezhd. konf. “Problemy i perspektivy razvitiya gorno-metallurgicheskoi otrasli” [Materials of Int. Conf. «Problems and Prospects of Mining and Metallurgical Industry»]. Karaganda, Kazakhstan, 2013, pp. 61– 64.Жучков В.И., Лукин С.В. Технология ферросплавов со щелочноземельными металлами. – М.: Металлургия, 1990. – 104 с.Zhuchkov V.I., Lukin S.V. Tekhnologiya ferrosplavov so shchelochnozemel’nymi metallami [Technology of ferroalloys with alkalineearth metalls]. Moscow: Metallurgiya, 1990, 104 p. (In Russ.).Рябчиков И.В., Григорьев Ю.В. Термодинамический анализ процессов взаимодействия сульфатов магния и щелочноземельных металлов с углеродом // Тр. XIII Междунар. науч. конф. «Современные проблемы электрометаллургии стали». 2007. Ч. I. C. 61 – 65.Ryabchikov I.V., Grigor’ev Yu.V. Thermodynamic analysis of interaction of magnesium sulfate and alkaline-earth metals with carbon. In: Tr. XIII mezhd. nauch. konf. “Sovremennye problemy elektrometallurgii stali”, 2007, Ch. I. [Proc. of the 13th Int. Sci. Conf. “Modern problems of steel electrometallurgy”, 2007, Part I], pp. 61–65. (In Russ.).Агеев Ю.А., Козлов Ю.Е., Рябчиков И.В. Поведение серы в углетермическом процессе выплавки ферросилиция с барием из сульфатного сырья // Сб. «Совершенствование сортамента и технологии производства ферросплавов». – Челябинск: Металлургия, 1990. С. 61 – 66.Ageev Yu.A., Kozlov Yu.E., Ryabchikov I.V. Behavior of sulfur at coal-thermal smelting of ferrosilicon with barium from sulphate raw materials. In: Sbornik: Sovershenstvovanie sortamenta i tekhnologii proizvodstva ferrosplavov [Directory. Improvement of assortment and production technology of ferroalloys]. Chelyabinsk: Metallurgy, 1990, pp. 61–66. (In Russ.)Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения. – М.: Металлургия, 1976. – 560 с.Samsonov G.V., Vinitskii I.M. Tugoplavkie soedineniya [Refractory compounds]. Moscow: Metallurgy, 1976, 560 p. (In Russ.).Федоров П.П., Кох А.Е., Кононова Н.Г. Метаборат бария BaB2O4 – материал для нелинейной оптики // Успехи химии. 2002. Т. 71. № 8. С. 741 – 763.Fedorov P.P., Kokh A.E., Kononova N.G. Barium borate β-BaB2O4 as a material for nonlinear optics. Russian Chemical Reviews. 2002, vol. 71, no. 8, pp. 651–671.Бугаев А.С., Виноградова Е.М., Егоров Н.В. Автоэлектронные катоды и пушки. – Долгопрудный: Изд-во «Интеллект», 2018. – 288 с.Bugaev A.S., Vinogradova E.M., Egorov N.V. Avtoelektronnye katody i pushki [Autoelectronic cathodes and guns]. Dolgoprudnyi: Intellekt, 2018, 288 p. (In Russ.).Трусов Б.Г. Программная система ТЕРРА для моделирования фазовых и химических равновесий в плазмохимических системах. Третий Междунар. симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии: Сб. материалов. Т. I. – Иваново, 2002. С. 217 – 220.Trusov B.G. TERRA software system for modeling phase and chemical equilibria in plasma-chemical systems. In: Sbornik: 3-i mezhdunarodnyi simpozium po teoreticheskoi i prikladnoi plazmokhimii: T. I. [Papers of the 3rd Int. Symp. on Theoretical and Applied Plasma Chemistry: Vol. 1]. Ivanovo, 2002, pp. 217–220. (In Russ.).Smith W. R., Missen R.W. Chemical Reaction Equilibrium Analysis: Theory and Algorithms. – NY: John Wiley, 1982. – 364 р.Smith W. R., Missen R.W. Chemical Reaction Equilibrium Analysis: Theory and Algorithms. NY: John Wiley, 1982.Van Zeggeren F., Storey S.H. The computation of Chemical Equilibria. – Oxford: Cambridge University Press, 1970. – 176 p.Van Zeggeren F., Storey S.H. The computation of Chemical Equilibria. Oxford: Cambridge University Press, 1970, 176 p.Thermodynamic Properties of Individual Substances / Gurvich L.V. ed. 4th edition in 5 vols. Vol. 1. Part 2. NY, L.: Hemisphere Pub Co., 1994. – 340 p.Thermodynamic Properties of Individual Substances. Gurvich L.V. ed. 4th edition in 5 vols. Vol. 1, Part 2. NY, L.: Hemisphere Pub Co., 1994, 340 p.Bale C.W., Chartrand P., Degterov S.A. etc. FactSage Thermochemical Software and Databases // Calphad. 2002. Vol. 26. No. 2. P. 189 – 228.Bale C.W., Chartrand P., Degterov S.A., Eriksen G., Hack K., Ben Mahfound R., Melancon J., Pelton A.D., Peterson S. FactSage Thermochemical Software and Databases. Calphad. 2002, vol. 26, no. 2, pp. 189–228.Bale C.W., Belisle E., Chartrand P. etc. FactSage Thermochemical Software and Databases – recent developments // Calphad. 2009. Vol. 33. No. 2. P. 311.Bale C.W., Belisle E., Chartrand P., Decterov S.A., Eriksson G., Hack K., Jung I.H., Kang Y.B., Melancon J., Pelton A.D., Robelin C., Peterson S. FactSage Thermochemical Software and Databases – recent developments. Calphad. 2009, vol. 33, no. 2, p. 311.Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical reactions and Equilibrium software with extensive thermochemical database // Pori: Outokumpu research OY. 2002 (www.outotec.com).Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical reactions and Equilibrium software with extensive thermochemical database. Pori: Outokumpu research OY. 2002 (www.outotec.com).БережнойА.С. Многокомпонентные системы окислов. – Киев: Наукова думка, 1970. – 544 с.Berezhnoi A.S. Mnogokomponentnye sistemy okislov [Multicomponent oxide systems]. Kiev: Naukova Dumka, 1970, 544 p. (In Russ.).Процюк А.П., Карапетьянц М.Х. О термодинамическом исследовании процессов в многокомпонентных системах // Журнал прикладной химии. 1977. Т. 50. Вып. 1. С. 169.Protsyuk A.P., Karapet’yants M.Kh. Thermodynamic study of processes in multicomponent systems. Zhurnal Prikladnoi Khimii. 1977, vol. 50, Issue 1, p. 169. (In Russ.).Лопатин С.И., Столярова В.Л., Тюрина Н.Г., Тюрина З.Г. Термодинамические свойства расплавов систем SrO–B2O3 и BaO–B2O3 // Журнал общей химии. 2006. Т. 76. Вып. 11. С. 1761 – 1767.Lopatin S.I., Stolyarova V.L., Tyurina N.G., Tyurina Z.G. Thermodynamic properties of melts of SrO-B2O3 and BaO-B2O3 systems. Russian Journal of General Chemistry. 2006, vol. 76, no. 11, pp. 1687–1692.Салина В.А., Байсанов С.О. Диаграммы фазового строения металлических систем: Ва-Si-Mn, Bа-Fe-Si, Si-Fe-Mn, Ba-Mn-Fe, Ba-FeSi-Mn // Тр. Междунар. науч.-практ. конф. «Повышение качества образования и научных исследований» в рамках VII Сатпаевских чтений. – Экибастуз: ЕИТИ им. К. Сатпаева, 2008. С. 289 – 294.Salina V.A., Baisanov S.O. Phase structure diagrams of metallic systems: Ba-Si-Mn, Ba-Fe-Si, Si-Fe-Mn, Ba-Mn-Fe, Ba-Fe-Si-Mn. In: Tr. Mezhd. nauchno – prakt. konf. “Povyshenie kachestva obrazovaniya i nauchnykh issledovanii” v ramkakh VII Satpaevskikh chtenii [Papers of Int. Sci. – Pract. Conf. “Improving the Quality of Education and Research” in the framework of the 7th Satpaev Readings]. Ekibastuz: EITI im. K. Satpaeva, 2008, pp. 289–294. (In Russ.).

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