blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-11-12-946-951blackmet-2017Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESРавновесное содержание лантана в металле под шлаком системы СаО – SiO2 – La2O3 – 15 % Al2O3 – 8 % MgOEquilibrium content of lanthanum in metal under the slag of СаО – SiO2 – La2O3 – 15 % Al2O3 – 8 % MgO systemУполовниковаА. Г.UpolovnikovaA. G.

к.т.н., старший научный сотрудник

620016, Россия, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

Ekaterinburg

upol.ru@mail.ruБабенкоА. А.BabenkoA. A.

д.т.н., главный научный сотрудник лаборатории пирометаллургии цветных металлов

620016, Россия, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher of the Laboratory of Pyrometallurgy of Nonferrous Metals

Ekaterinburg

babenko251@gmail.comСмирновЛ. А.SmirnovL. A.

академик РАН, д.т.н., главный научный сотрудник

620016, Россия, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Academician, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher

Ekaterinburg

ntm2000@mail.ruИнститут металлургии УрО РАНРоссияInstitute of Metallurgy, UB RASRussian Federation2020020120216311-12946951Copyright © Уполовникова А.Г., Бабенко А.А., Смирнов Л.А., 20212021Уполовникова А.Г., Бабенко А.А., Смирнов Л.А.Upolovnikova A.G., Babenko A.A., Smirnov L.A.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/2017

Приведены результаты термодинамического моделирования равновесного содержания лантана в металле под шлаком системы СаО – SiO2 – La2О3 – Аl2O3 – МgO, соответствующим химическому составу 16 точек плана локального симплекса. Использован программный комплекс HSC 8.03 Chemistry (Outokumpu) в совокупности с методом симплексных решеток планирования. Рассмотрен шлак, представленный оксидной системой СаО – SiO2 – La2O3 – 15 % Аl2O3 – 8 % МgO в широком диапазоне химического состава, при температурах 1550 и 1650 °С, и металл, содержащий 0,06 % C, 0,25 % Si, 0,05 % Al (здесь и далее указаны % (по массе)). Результаты математического моделирования представлены графически в виде диаграмм состав – равновесное содержание лантана. Отмечено заметное влияние основности шлака на равновесную концентрацию лантана в металле. Повышение основности шлака c 2 до 5 при температуре 1550 °С приводит к повышению равновесного содержания лантана в металле от 0,2 ppm в области концентрации оксида лантана 1 – 5 % до 7 ppm в области повышенной до 4 – 7 % концентрации оксида лантана, т.е. рост основности шлака благоприятно сказывается на развитии процесса восстановления лантана. Рост температуры металла также оказывает положительное влияние на процесс восстановления лантана. С повышением температуры до 1650 °С равновесное содержание лантана в металле увеличивается от 0,2 ppm в области концентрации оксида лантана 1 – 3 % до 12 ppm в области повышенной до 4 – 7 % концентрации оксида лантана. На диаграммах области химического состава шлаков, содержащих 56 – 61 % CaO, 12 – 14 % SiO2 и 4 – 7 % La2O3 , обеспечивают в интервале температур 1550 и 1650 °С концентрацию лантана в металле на уровне 7 – 12 ppm. Подтверждена решающая роль основности шлака, концентрации оксида лантана и температурного фактора в развитии процесса восстановления лантана из шлаков изучаемой оксидной системы алюминием, растворенным в металле.

Thermodynamic modeling results of lanthanum equilibrium content in metal under the slag of CaO – SiO2 – La2О3 – Al2O3 – MgO system corresponding to chemical composition of 16 points of local simplex plan are presented using the HSC 8.03 Chemistry (Outokumpu) software package in combination with the simplex planning lattice method. In the work, slag is represented by CaO – SiO2 – La2O3 – – 15 % Al2O3 – 8 % MgO oxide system in a wide range of chemical composition for temperatures of 1550 and 1650 °C, and metal contains 0.06 % C, 0.25 % Si, 0.05 % Al (in this expression and hereinafter in mass.%). The results of mathematical modeling are shown graphically in the form of composition - equilibrium content diagrams of lanthanum. There is significant effect of slag basicity on the lanthanum equilibrium content in metal. An increase in slag basicity from 2 to 5 at temperature of 1550 °C leads to an increase in the lanthanum equilibrium content from 0.2 ppm in the region of lanthanum oxide concentration of 1 – 5 % to 7 ppm in the region of increased concentration of lanthanum oxide to 4 – 7 %, hence the increase in slag basicity favorably affects development of lanthanum reduction. Increase in metal temperature also has positive effect on lanthanum reduction process. As temperature rises to 1650 °C, the lanthanum equilibrium content in metal increases from 0.2 ppm in the region of lanthanum oxide concentration of 1 – 3 % to 12 ppm in the region of increased concentration of lanthanum oxide to 4 – 7 %. In diagrams of chemical composition of slag containing 56 – 61 % CaO, 12 – 14 % SiO2 and 4 – 7 % La2O3 , the lanthanum content in metal at level of 7 – 12 ppm is ensured in temperature range from 1550 to 1650 °C. Therefore, there can be confirmed a decisive role of slag basicity, concentration of lanthanum oxide and temperature factor in development of lanthanum reduction from slags of the studied oxide system by aluminum dissolved in metal.

лантанметаллшлакпланирование экспериментатермодинамическое моделированиедиаграммы состав – свойствоlanthanummetalslagexperimental planningthermodynamic modelingcomposition-property diagramsРабота выполнена при поддержке гранта РФФИ № 19-08-00825The work was financially supported by the Russian Foundation for Basic Research, grant N-08 19-08-00825.ReferencesСмирнов Л.А., Ровнушкин В.А., Орыщенко А.С., Калинин Г.Ю., Милюц В.Г. Модифицирование стали и сплавов редкоземельными элементами. Сообщение 1 // Металлург. 2015. № 11. С. 57 – 63.Smirnov L.A., Rovnushkin V.A., Oryshchenko A.S., Kalinin G.Yu., Milyuts V.G. Modification of steel and alloys with rare-earth elements. Part 1. Metallurgist. 2016, vol. 59, no. 11-12, pp. 1053–1061.Гольдштейн Я.Г., Ефимова Л.Б. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. – М.: Металлургия, 1986. – 271 с.Gol’dshtein Ya.G., Efimova L.B. Modifitsirovanie i mikrolegirovanie chuguna i stali [Modification and Microalloying of Cast Iron and Steel]. Moscow: Metallurgiya, 1986, 271 p. (In Russ.).Torkamani H., Raygan Sh., Garcia-Mateo C., Rassizadehghani J., Palizdar Y., San-Martin D. Evolution of pearlite microstructure in low-carbon cast microalloyed steel due to the addition of La and Ce // Metallurgical and Materials Transactions A. 2018. Vol. 49А. No. 10. P. 4495 – 4508.Torkamani H., Raygan Sh., Garcia-Mateo C., Rassizadehghani J., Palizdar Y., San-Martin D. Evolution of pearlite microstructure in low-carbon cast microalloyed steel due to the addition of La and Ce. Metallurgical and Materials Transactions A. 2018, vol. 49А, no. 10, pp. 4495–4508.Torkamani H., Raygan Sh., Garcia-Mateo C., Rassizadehghani J., Palizdar Y., San-Martin D. Contributions of rare earth element (La, Ce) addition to the impact toughness of low carbon cast niobium microalloyed steels // Metals and Materials Int. 2018. Vol. 24. No. 4. P. 773 – 788.Torkamani H., Raygan Sh., Garcia-Mateo C., Rassizadehghani J., Palizdar Y., San-Martin D. Contributions of rare earth element (La, Ce) addition to the impact toughness of low carbon cast niobium microalloyed steels. Metals and Materials Int. 2018, vol. 24, no. 4, pp. 773–788.Liu C., Revilla R.I., Liu Z., Zhang D., Li X., Terryn H. Effect of inclusions modified by rare earth elements (Ce, La) on localized marine corrosion in Q460NH weathering steel // Corrosion Science. 2017. Vol. 129. P. 82 – 90.Liu C., Revilla R.I., Liu Z., Zhang D., Li X., Terryn H. Effect of inclusions modified by rare earth elements (Ce, La) on localized marine corrosion in Q460NH weathering steel. Corrosion Science. 2017, vol. 129, pp. 82–90.Wang L., Lin Q., Ji J., Lan D. New study concerning development of application of rare earth metals in steels // Journal of Alloys and Compounds. 2006. Vol. 408-412. P. 384 – 386.Wang L., Lin Q., Ji J., Lan D. New study concerning development of application of rare earth metals in steels. Journal of Alloys and Compounds. 2006, vol. 408-412, pp. 384–386.Wang L.-M., Lin Q., Yue L.-J., Liu L., Guo F., Wang F.-M. Study of application of rare earth elements in advanced low alloy steels // Journal of Alloys and Compounds. 2008. Vol. 451. No. 1-2. P. 534 – 537.Wang L.-M., Lin Q., Yue L.-J., Liu L., Guo F., Wang F.-M. Study of application of rare earth elements in advanced low alloy steels. Journal of Alloys and Compounds. 2008, vol. 451, no. 1-2, pp. 534–537.Liu H.-L., Liu C.-J., Jiang M.-F. Effect of rare earths on impact toughness of a low-carbon steel // Materials and Design. 2012. Vol. 33. No. 1. P. 306 – 312.Liu H.-L., Liu C.-J., Jiang M.-F. Effect of rare earths on impact toughness of a low-carbon steel. Materials and Design. 2012, vol. 33, no. 1, pp. 306–312.Yang Xi., Long H., Cheng G., Wu C., Wu B. Effect of refining slag containing Ce2O3 on steel cleanliness // Journal of Rare Earths. 2011. Vol. 29. No. 11. P. 1079 – 1083.Yang Xi., Long H., Cheng G., Wu C., Wu B. Effect of refining slag containing Ce2O3 on steel cleanliness. Journal of Rare Earths. 2011, vol. 29, no. 11, pp. 1079–1083.Wu C., Cheng G., Long H., Yang X. A thermodynamic model for evaluation of mass action concentrations of Ce2O3-contained slag systems based on the ion and molecule coexistence theory // High Temperature Materials and Processes. 2013. Vol. 32. No. 3. P. 207 – 214.Wu C., Cheng G., Long H., Yang X. A thermodynamic model for evaluation of mass action concentrations of Ce2O3-contained slag systems based on the ion and molecule coexistence theory. High Temperature Materials and Processes. 2013, vol. 32, no. 3, pp. 207 – 214.Yang J., Hao F., Li D., Zhou Y., Ren X., Yang Y., Yang Q. Effect of RE oxide on growth dynamics of primary austenite grain in hardfacing layer of medium-high carbon steel // Journal of Rare Earths. 2012. Vol. 30. No. 8. P. 814 – 819.Yang J., Hao F., Li D., Zhou Y., Ren X., Yang Y., Yang Q. Effect of RE oxide on growth dynamics of primary austenite grain in hardfacing layer of medium-high carbon steel. Journal of Rare Earths. 2012, vol. 30, no. 8, pp. 814–819.Gou J., Wang Y., Wang C., Chu R., Liu S. Effect of rare earth oxide nano-additives on micro-mechanical properties and erosion behavior of Fe–Cr–C–B hardfacing alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 691. P. 800 – 810.Gou J., Wang Y., Wang C., Chu R., Liu S. Effect of rare earth oxide nano-additives on micro-mechanical properties and erosion behavior of Fe-Cr-C-B hardfacing alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2017, vol. 691, pp. 800–810.Zhang F., Chen Y., Wang Y., Dong F., Wu M. Influence of La2O3 on crystallization behavior of free-fluoride mould flux and heat transfer of slag films // Journal of Rare Earths. 2011. Vol. 29. No. 2. P. 173 – 177.Zhang F., Chen Y., Wang Y., Dong F., Wu M. Influence of La2O3 on crystallization behavior of free-fluoride mould flux and heat transfer of slag films. Journal of Rare Earths. 2011, vol. 29, no. 2, pp. 173–177.Hao F., Liao B., Li D., Dan T., Ren X., Yang Q., Liu L. Effects of rare earth oxide on hardfacing metal microstructure of medium carbon steel and its refinement mechanism // Journal of Rare Earths. 2011. Vol. 29. No. 6. P. 609 – 613.Hao F., Liao B., Li D., Dan T., Ren X., Yang Q., Liu L. Effects of rare earth oxide on hardfacing metal microstructure of medium carbon steel and its refinement mechanism. Journal of Rare Earths. 2011, vol. 29, no. 6, pp. 609–613.Wu C., Cheng G., Long H. Effect of Ce2O3 and CaO/Al2O3 on the phase, melting temperature and viscosity of CaO–Al2O3– 10 mass % SiO2 based slags // High Temperature Materials and Processes. 2014. Vol. 33. No. 1. P. 77 – 84.Wu C., Cheng G., Long H. Effect of Ce2O3 and CaO/Al2O3 on the phase, melting temperature and viscosity of CaO-Al2O3-10 mass % SiO2 based slags. High Temperature Materials and Processes. 2014, vol. 33, no. 1, pp. 77 – 84.Бабенко А.А., Смирнов Л.А., Уполовникова А.Г., Нечвоглод О.В. Термодинамическое моделирование восстановления церия из шлаков системы СаО–SiO2–Ce2O3–15 % Al2O3–8 % MgO алюминием, растворенным в металле // Бутлеровские сообщения. 2019. Т. 59. № 9. С. 140 – 145.Babenko A.A., Smirnov L.A., Upolovnikova A.G., Nechvoglod O.V. Thermodynamic modeling of cerium reduction from slags of CaO-SiO2-Ce2O3-15 % Al2O3-8 % MgO system with aluminum dissolved in metal. Butlerovskie soobshcheniya. 2019, vol. 59, no. 9, pp. 140–145. (In Russ.).Бабенко А.А., Смирнов Л.А., Уполовникова А.Г., Михайлова Л.Ю. Построение диаграмм равновесного содержания церия в металле под шлаком системы СаО–SiO2–Ce2O3–15 % Al2O3––8 % MgO // Бутлеровские сообщения. 2019. Т. 60. № 10. С. 140 – 145.Babenko A.A., Smirnov L.A., Upolovnikova A.G., Mikhailova L.Yu. Construction of equilibrium content diagrams of cerium in metal under the slag of CaO-SiO2-Ce2O3-15 % Al2O3-8 % MgO system. Butlerovskie soobshcheniya. 2019, vol. 60, no. 10, pp. 140–145. (In Russ.).Планирование эксперимента при исследовании физико-химических свойств металлургических шлаков. Методическое посо- бие / В.А. Ким, Э.Н. Николай, А.А. Акбердин и др. – Алма-Ата: Наука, 1989. – 116 с.Kim V.A., Nikolai E.N., Akberdin A.A. etc. Planirovanie eksperimenta pri issledovanii fiziko-khimicheskikh svoistv metallurgicheskikh shlakov. Metodicheskoe posobie [Experimental Planning in Study of Physicochemical Properties of Metallurgical Slags. Manual]. Alma-Ata: Nauka, 1989, 116 p. (In Russ.).Ким В.А., Акбердин А.А., Куликов И.С. и др. Использование метода симплексных решеток для построения диаграмм типа состав – вязкость // Изв. вуз. Черная металлургия. 1980. № 9. С. 167 – 168.Kim V.A., Akberdin A.A., Kulikov I.S. etc. Using the simplex lattice method in construction of composition-viscosity diagrams. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1980, no. 9, pp. 167–168. (In Russ.).Бабенко А.А., Жучков В.И., Леонтьев Л.И., Уполовникова А.Г., Конышев А.А. Равновесное распределение бора между метал- лом системы Fe – C – Si – Al и борсодержащим шлаком // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 9. С. 752 – 758.Babenko A.A., Zhuchkov V.I., Leont’ev L.I., Upolovnikova A.G., Konyshev A.A. Equilibrium distribution of boron between metal of Fe–C–Si–Al system and boron slag. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017, vol. 60, no. 9, pp. 752–758. (In Russ.).

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