blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-11-870-878blackmet-1759Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESРастворимость кислорода в расплавах системы Ni – Co при комплексном раскислении алюминием и кремниемОxygen solubility in melts of Ni – Co system at complex deoxidation by aluminium and siliconАлександровА. А.AlexandrovA. A.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник

119334, Москва, Ленинский пр., 49

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher 

Moscow

a.a.aleksandrov@gmail.comДашевскийВ. Я.DashevskiiV. Ya.

Доктор технических наук, профессор кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий, заведующий лабораторией

119334, Москва, Ленинский пр., 49; 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “EnergyEfficient and Resource-Saving Industrial Technologies”, Head of the Laboratory 

Moscow

vdashev@imet.ac.ruЛеонтьевЛ. И.Leont’evL. I.

Академик РАН, советник, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник

119049, Москва, Ленинский пр., 4; 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101; 119991, Москва, Ленинский пр., 32а

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Academician, Adviser of the Russian Academy of Sciences, Chief Researcher 

Moscow; Ekaterinburg

leo@presidium.ras.ruИнститут металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАНРоссияBaikov Institute of Metallurgy and Materials ScienceRussian FederationИнститут металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science; National University of Science and Technology “MISIS”Russian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»; Институт металлургии УрО РАН; Президиум РАНРоссияNational University of Science and Technology “MISIS”; Institute of Metallurgy of the UB RAS; Scientific Council on Metallurgy and Metal Science of Russian Academy of SciencesRussian Federation2019231220196211870878Copyright © Александров А.А., Дашевский В.Я., Леонтьев Л.И., 20192019Александров А.А., Дашевский В.Я., Леонтьев Л.И.Alexandrov A.A., Dashevskii V.Y., Leont’ev L.I.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/1759

Сплавы системы Ni – Co находят широкое применение в промышленности. Одной из вредных примесей в этих сплавах является кислород, который находится в металле как в растворенном виде, так и в виде неметаллических включений. Получение готового металла с минимальной концентрацией кислорода является одной из главных задач процесса выплавки этих сплавов. При комплексном раскислении металлического расплава активности оксидов, образующихся в результате процесса раскисления, меньше единицы. За счет этого при одном и том же содержании элементов-раскислителей можно получить металл с более низкой концентрацией кислорода и, следовательно, более глубоко раскисленный. При совместном раскислении двумя раскислителями преимущественное участие в реакции принимает более сильный раскислитель. Однако если оксиды элементов-раскислителей образуют химические соединения, то это способствует участию более слабого раскислителя в процессе раскисления. Проведен термодинамический анализ совместного влияния алюминия и кремния на растворимость кислорода в расплавах системы Ni – Co. В продуктах реакции раскисления возможно образование как муллита (3Al2O3·2SiO2 ), так и кианита (Al2O3·SiO2 ). Наличие кремния в расплаве усиливает раскислительную способность алюминия: незначительно в случае образования соединения 3Al2O3·2SiO2 и существенно в случае образования соединения Al2O3·SiO2 . Кривые растворимости кислорода при образовании соединения Al2O3·SiO2 проходят через минимум, положение которого зависит от содержания алюминия в расплаве и не зависит от содержания кремния. Содержание алюминия в точках минимума незначительно снижается от никеля к кобальту, как и в случае расплавов системы Ni – Co–Al. Дальнейшие присадки алюминия приводят к возрастанию концентрации кислорода. Определены области образования соединений Al2O3 , 3Al2O3·2SiO2 , Al2O3·SiO2 и SiO2 от содержания алюминия и кремния в расплаве. В расплавах системы Ni – Co раскислительная способность алюминия и кремния повышается с ростом содержания кобальта в расплаве, однако кремний усиливает раскислительную способность алюминия тем слабее, чем выше содержание кобальта.

Alloys of Ni – Co system are widely used in industry. Oxygen is one of the harmful impurities in these alloys; in metal it is present in dissolved form or in the form of nonmetallic inclusions. Getting the finished metal with a minimum oxygen concentration is one of the main tasks of production process of these alloys. With the complex deoxidation of the metal melt, the activity of oxides resulting from the deoxidation process is less than one, due to this, with the same content of deoxidizing elements, it is possible to obtain a metal with a lower oxygen concentration, therefore, more deeply deoxidized. At joint deoxidation with two deoxidizers, a stronger deoxidizer takes a predominant part in the reaction, however, if oxides of the deoxidizing elements form chemical compounds, it contributes to participation of a weaker deoxidizer in deoxidation process. A thermodynamic analysis of the joint influence of aluminum and silicon on the solubility of oxygen in the melts of Ni – Co system has been performed. Deoxidation reaction products may be formed as mullite (3Al2O3·2SiO2 ), and kyanite (Al2O3·SiO2 ). Presence of silicon in the melt enhances the deoxidizing ability of aluminum: insignificantly in the case of formation of compound 3Al2O3·2SiO2 and significantly in the case of formation of compound Al2O3·SiO2 . Oxygen solubility curves in the case of formation of compound Al2O3·SiO2 pass through a minimum, the position of which depends on the content of aluminum in the melt and doesn’t dependent on silicon content. Aluminum content in the minimum points is insignificantly reduced from nickel to cobalt as in the case of melts of Ni – Co–Al. Further additives of aluminum lead to an increase in oxygen concentration. Areas of compounds Al2O3 , 3Al2O3·2SiO2 , Al2O3·SiO2 and SiO2 depending on aluminum and silicon contents in the melt are determined. In melts of the Ni – Co system, the deoxidizing ability of aluminum and silicon increases with an increase in cobalt content in the melt. However, silicon enhances the deoxidizing ability of aluminum the weaker the higher cobalt content.

система Ni – Coтермодинамический анализкомплексное раскислениемуллиткианитрасплавыалюминийкремнийрастворимость кислородаNi – Co systemthermodynamic analysiscomplex deoxidationmullitekyanitemeltsaluminumsiliconoxygen solubilityReferencesDavis J.R. Nickel, Cobalt and Their Alloys. – Materials Park, OH, USA: ASM International, 2000. – 422 p.Davis J.R. Nickel, Cobalt, and Their Alloys. Materials Park, OH, USA: ASM International, 2000, 422 p.Reed R.C. The Superalloys. Fundamentals and Applications. – Cambridge: University Press, 2006. – 372 p.Reed R.C. The Superalloys. Fundamentals and Applications. Cambridge: University Press, 2006, 372 p.Логунов А.В., Шмотин Ю.А. Современные жаропрочные никелевые сплавы для дисковых газовых турбин. – М.: Наука и технологии, 2013. – 264 с.Logunov A.V., Shmotin Yu.A. Sovremennye zharoprochnye nikelevye splavy dlya diskovykh gazovykh turbin [Modern heat-resistant nickel alloys for disk gas turbines]. Мoscow: Nauka i tekhnologii, 2013, 264 p. (In Russ.).Jung I.H., Decterov S.A., Pelton A.D. A Thermodynamic model for deoxidationequilibria in steel // Metall. Mater. Trans. B. 2004. Vol. 35B. P. 493 – 507.Jung I.H., Decterov S.A., Pelton A.D. A Thermodynamic model for deoxidation equilibria in steel. Metall. Mater. Trans. B. 2004, vol. 35B, pp. 493–507.Zhang L, Ren Y. Fundamentals of steel complex deoxidation with multiple deoxidizers. – Cleveland, OH: AISTech., 2015. P. 2250 – 2259.Zhang L, Ren Y. Fundamentals of steel complex deoxidation with multiple deoxidizers. Cleveland, OH: AISTech., 2015, pp. 2250–2259.Александров А.А., Дашевский В.Я., Леонтьев Л.И. Термодинамика растворов кислорода в расплавах системы Ni–Co, содержащих алюминий // Металлы. 2017. № 4. С. 58 – 62.Aleksandrov A.A., Dashevskii V.Ya., Leont’ev L.I. Thermodynamics of the oxygen solutions in aluminum-containing Ni – Co melts. Russian Metallurgy (Metally). 2017, no. 7, pp. 590–593.Александров А.А., Дашевский В.Я. Термодинамика растворов кислорода в расплавах системы Ni – Co, содержащих кремний // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 2. С. 163 – 166.Aleksandrov A.A., Dashevskii V.Ya. Thermodynamics of the oxygen solutions in silicon-containing Ni – Co melts. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019, vol. 62, no. 2, pp. 163–166. (In Russ.).Turkdogan E.T. Fundamentals of steelmaking. – Leeds: Maney Publ., 2010. – 345 p.Turkdogan E.T. Fundamentals of steelmaking. Leeds: Maney Publ., 2010, 345 p.Miki T. Dilute Solutions. – In book: Treatise on Process Metallurgy. Vol. 1. Process Fundamentals / Ed. S. Seetharaman. – Elsevier Ltd., 2014. P. 557 – 585.Miki T. Dilute Solutions. In: Treatise on Process Metallurgy. Vol. 1. Process Fundamentals. Seetharaman S. ed. Elsevier Ltd., 2014, pp. 557–585.Fujisawa T., Suzuki M., Wanibe Yo., Sakao H. Equilibrium between molten iron and Al2O3 –SiO2 oxides // Tetsu to Hagane. 1986. Vol. 72. , no. 2, P. 218–224.Fujisawa T., Suzuki M., Wanibe Yo., Sakao H. Equilibrium between molten iron and Al2O3–SiO2 oxides. Tetsu to Hagane. 1986, vol. 72, no. 2, pp. 218–224.Slag Atlas. – Düsseldorf: Verlag Stahleisen GmbH, 1995. – 634 p.Slag Atlas. Düsseldorf: Verlag Stahleisen GmbH, 1995, 634 p.Куликов И.С. Раскисление металлов. – М.: Металлургия, 1975. – 504 с.Kulikov I.S. Raskislenie metallov [Deoxidation of metals]. Moscow: Metallurgiya, 1975, 504 p. (In Russ.).Ashok K., Mandal G.K., Bandyopadhyay D. Theoretical investigation on deoxidation of liquid steel for Fe–Al–Si–O System // Trans. Indian Inst. Met. 2015. Vol. 68 (Suppl. 1). P. 9 – 18.Ashok K., Mandal G.K., Bandyopadhyay D. Theoretical investigation on deoxidation of liquid steel for Fe–Al–Si–O system. Trans. Indian Inst. Met. 2015, vol. 68 (Suppl. 1), pp. 9–18.Seetharaman S. Fundamentals of Metallurgy. – Cambridge: Woodhead Publ., 2005. – 576 p.Seetharaman S. Fundamentals of Metallurgy. Cambridge: Woodhead Publ., 2005, 576 p.Sigworth G.K., Elliott J.F., Vaughn G., Geiger G.H. The thermodynamics of dilute liquid nickel alloys // Metallurgical Soc. CIM. 1977. Annual Vol. P. 104 – 110.Sigworth G.K., Elliott J.F., Vaughn G., Geiger G.H. The thermodynamics of dilute liquid nickel alloys. Metallurgical Soc. CIM. 1977, Annual Vol., pp. 104–110.Sigworth G.K., Elliott J.F. The thermodynamics of dilute liquid cobalt alloys // Canadian Metallurgical quarterly. 1976. Vol. 15. No. 2. P. 123 – 127.Sigworth G.K., Elliott J.F. The thermodynamics of dilute liquid cobalt alloys. Canadian Metallurgical quarterly. 1976, vol. 15, no. 2, pp. 123–127.Ishii F., Ban-ya S. Equilibrium between aluminum and oxygen in liquid nickel and nickel-iron alloy // Tetsu to Hagane. 1995. Vol. 81. No. 1. P. 22 – 27.Ishii F., Ban-ya S. Equilibrium between aluminum and oxygen in liquid nickel and nickel-iron alloy. Tetsu to Hagane. 1995, vol. 81, no. 1, pp. 22–27.Ishii F., Ban-ya S. Deoxidation equilibrium of silicon in liquid nickel and nickel-iron alloys // ISIJ International. 1992. Vol. 32. No. 10. P. 1091 – 1096.Ishii F., Ban-ya S. Deoxidation equilibrium of silicon in liquid nickel and nickel-iron alloys. ISIJ International. 1992, vol. 32, no. 10, pp. 1091–1096.Белянчиков Л.Н. Универсальная методика пересчета значений параметров взаимодействия элементов с одной основы сплава на другую на базе теории квазирегулярных растворов. Часть II. Оценка параметров взаимодействия элементов в никелевых сплавах // Электрометаллургия. 2009. № 2. С. 29 – 38.Belyanchikov L.N. Universal method for recalculating interaction parameters of elements in changing the matrix of alloys using the quasi-regular solution theory. Part II. Estimating the interaction parameters of elements in nickel–based alloys. Elektrometallurgiya. 2009, no. 2, pp. 29–38. (In Russ.).Белянчиков Л.Н. Оценка параметров взаимодействия, коэффициентов активности и теплот растворения элементов в сплавах на основе кобальта методом пересчета с их значений в сплавах железа // Электрометаллургия. 2009. № 4. С. 16 – 22.Belyanchikov L.N. Estimating the interaction parameters, activity coefficients, and heats of solution of elements in cobalt–based alloys by recalculating their magnitudes for iron alloys. Elektrometallurgiya. 2009, no. 4, pp. 16–22. (In Russ.).Дашевский В.Я., Александров А.А., Леонтьев Л.И. Термодинамика растворов кислорода в расплавах систем Fe – Ni, Fe – Co и Co – Ni // Изв. вуз. Черная металлургия. 2015. № 1. С. 54 – 60.Dashevskii V.Ya., Aleksandrov A.A., Leont`ev L.I. Thermodynamics of oxygen solutions in Fe–Ni, Fe–Co and Co–Ni melts. Steel in Translation. 2015, vol. 45, no. 1, pp. 42–48.Дашевский В.Я., Александров А.А., Леонтьев Л.И. Термодинамика растворов кислорода при комплексном раскислении расплавов системы Fe – Co // Изв. вуз. Черная металлургия. 2014. № 5. С. 33 – 41.Dashevskii V.Ya., Aleksandrov A.A., Leont`ev L.I. Thermodynamics of oxygen solutions in the complex reduction of Fe–Co melts. Steel in Translation. 2014, vol. 44, no. 5, pp. 337–344.

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