blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-6-413-419blackmet-2129Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESФазовые равновесия, реализующиеся при раскислении силикостронцием низкоуглеродистого расплава на основе железаPhase equilibrium occurring during low-carbon iron-based melt deoxidation with silicostrontiumhttps://orcid.org/0000-0001-8581-1475МакровецЛ. А.MakrovetsL. A.

Лариса Александровна Макровец, инженер кафедры материаловедения и физико-химии материалов

454080, Челябинск, пр. Ленина, 76

Larisa A. Makrovets, Engineer of the Chair of Materials Science and Physical Chemistry of Materials

 454080 Chelyabinsk, Lenina Ave., 76  

makrovetcla@susu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9514-3201СамойловаО. В.SamoilovaO. V.

Ольга Владимировна Самойлова, к.х.н., старший научный сотрудник, доцент кафедры материаловедения и физико-химии материалов

454080, Челябинск, пр. Ленина, 76

Olga V. Samoilova, Cand. Sci. (Chem.), Senior Researcher, Assist. Prof. of the Chair of Materials Science and Physical Chemistry of Materials

454080 Chelyabinsk, Lenina Ave., 76 

samoylova_o@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5535-4875МихайловГ. Г.MikhailovG. G.

Геннадий Георгиевич Михайлов, д.т.н., профессор кафедры материаловедения и физико-химии материалов

454080, Челябинск, пр. Ленина, 76

Gennadii G. Mikhailov, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair of Materials Science and Physical Chemistry of Materials

454080 Chelyabinsk, Lenina Ave., 76 

mikhailovgg@susu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0825-717XБакинИ. В.BakinI. V.

Игорь Валерьевич Бакин, аспирант кафедры материаловедения и физико-химии материалов; начальник отдела инновации, модернизации и технического развития

454080, Челябинск, пр. Ленина, 76

454901, Челябинск, п. Водрем 40, 25

Igor’ V. Bakin, Postgraduate of the Chair of Materials Science and Physical Chemistry of Materials; Head of the Division of Innovation, Modernization and Technical Development

454080 Chelyabinsk, Lenina Ave., 76 

454901 Chelyabinsk, 25 Vodrem Vil. – 40

igor.npp.bakin@gmail.comЮжно-Уральский государственный университетРоссияSouth Ural State UniversityRussian FederationЮжно-Уральский государственный университет; ООО НПП ТехнологияРоссияSouth Ural State University; LLC  RPE TechnologyRussian Federation202118072021646413419Copyright © Макровец Л.А., Самойлова О.В., Михайлов Г.Г., Бакин И.В., 20212021Макровец Л.А., Самойлова О.В., Михайлов Г.Г., Бакин И.В.Makrovets L.A., Samoilova O.V., Mikhailov G.G., Bakin I.V.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/2129

В настоящее время для повышения качества металла, в особенности низколегированного, применяют технологии внепечной обработки стали с использованием комплексных сплавов, в состав которых входят помимо кремния щелочноземельные металлы. Изучение влияния добавок стронция на процессы раскисления и модифицирования жидкой стали является одним из перспективных направлений исследования в области металлургических технологий. Проведено термодинамическое моделирование фазовых равновесий в расплаве системы Fe –Sr–Si–C–O с использованием методики построения поверхности растворимости компонентов в металле. Поверхность растворимости определяет границы стабильности образующихся при раскислении неметаллических фаз в зависимости от состава жидкого металла исследуемой системы. Расчет был проведен с использованием констант равновесия реакций, протекающих в расплаве при раскислении, а также параметров взаимодействия первого порядка (по Вагнеру) элементов в жидком железе. Активности компонентов оксидного расплава определяли с использованием теории субрегулярных ионных растворов. Активности газовой фазы рассчитывали с учетом парциальных давлений. Моделирование проводили для двух температур (1550 и 1600 °С) для фиксированных концентраций углерода (0 (отсутствие углерода в жидком железе) и 0,1 % (низкоуглеродистый металлический расплав)). Показано, что в сравнении с кремнием стронций является более сильным раскислителем в жидком металле. По результатам моделирования в качестве основных оксидных фаз в продуктах раскисления должны быть жидкие оксидные неметаллические включения переменного состава или ортои  метасиликаты стронция Sr2 SiO4 и SrSiO3  (при увеличении концентрации стронция). Снижение температуры жидкого металла приводит к  некоторым изменениям в фазообразовании (становится возможным образование силиката SrSiO3 ).

At the moment, to improve quality of metal (especially low-alloyed), out-of-furnace steel processing technologies are used with complex alloys utilization, which include alkaline earth metals (ALM) in addition to silicon. Study of strontium additives effect on deoxidation and liquid steel modification processes is one of the promising areas of research in field of metallurgical technologies. Thermodynamic modeling of phase equilibria in Fe – Sr – Si –C– O system melt was carried out using method of constructing surface of components solubility in metal. Solubility surface determines stability limits of non-metallic phases formed during deoxidation, depending on composition of liquid metal of the studied system. The  calculation was carried out using equilibrium constants of reactions occurring in the melt during deoxidation, as well as the first order interaction parameters (according to Wagner) of elements in liquid iron. Activity of the oxide melt components was determined using theory of subregular ionic solutions. Activity of the gas phase was calculated taking into account partial pressures. Simulations were performed for two temperatures (1550 and 1600  °C) for fixed carbon concentrations (0 (no carbon in liquid iron) and 0.1 % (low-carbon metal melt)). It has been shown that, in comparison with silicon, strontium is stronger deoxidizing agent in liquid metal. According to the simulation results, liquid oxide non-metallic inclusions of variable composition or strontium ortho- and metasilicates Sr2SiO4 and SrSiO3 (with an increase in strontium concentration) should be the main oxide phases in deoxidation products. Decrease in the temperature of liquid metal leads to changes in phase formation (formation of SrSiO3 silicate becomes possible).

термодинамическое моделированиесистема Fe–Sr–Si–C–Oфазовые равновесияраскисление сталистронцийкремнийthermodynamic modelingFe–Sr–Si–C–O systemphase equilibriumsteel deoxidationstrontiumsiliconРабота выполнена при поддержке Правительства РФ (Постановление № 211 от 16.03.2013 г.), соглашение № 02.A03.21.0011The work was supported by the Government of the Russian Federation (Resolution No. 211 of March 16, 2013), agreement No. 02.A03.21.0011ReferencesСкок Ю.Я. Исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ // Процессы литья. 2010. Т. 81. № 3. С. 8–12.Skok Yu.Ya. Investigation of deoxidizing ability of complex alloys containing alkaline earth metals and rare earth metals. Protsessy lit’ya. 2010, vol. 81, no. 3, pp. 8–12. (In Russ.).Дерябин А.А., Берестов Е.Ю. О механизме модифицирования стали щелочноземельными металлами // Электрометаллургия. 2008. № 6. С. 35–38.Deryabin A.A., Berestov E.Yu. On the mechanism of steel modification with alkaline-earth metals. Elektrometallurgiya. 2008, no. 6, pp.35–38. (In Russ.).Irons G.A., Tong X.-P. Treatment of steel with alkaline-earth elements // ISIJ International. 1995. Vol. 35. No. 7. P. 838–844. https://doi.org/10.2355/isijinternational.35.838Irons G.A., Tong X.-P. Treatment of steel with alkaline-earth elements. ISIJ International. 1995, vol. 35, no. 7, pp. 838–844. https://doi.org/10.2355/isijinternational.35.838Breitzmann M., Engell H.-J., Janke D. Refining of steel melts using alkaline earth metals // Steel Research. 1988. Vol. 59. No. 7. P.289–294. https://doi.org/10.1002/srin.198801505Breitzmann M., Engell H.-J., Janke D. Refining of steel melts using alkaline earth metals. Steel Research. 1988, vol. 59, no. 7, pp.289–294. https://doi.org/10.1002/srin.198801505Проворова И.Б., Розенберг Е.В., Барановский К.Э., ВолосатиковВ.И., Розум В.А., Карась А.Н., Чернявский М.С. Модификатор для внепечной обработки стали, содержащий щелочноземельные металлы // Литье и металлургия. 2016. Т. 83. № 2. С.14–18.Provorova I.B., Rozenberg E.V., Baranovskii K.E., Volosatikov V.I., Rozum V.A., Karas’ A.N., Chernyavskii M.S. Modifier for steel outof-furnace treatment containing alkaline earth metals. Lit’e i metallurgiya. 2016, vol. 83, no. 2, pp. 14–18. (In Russ.).Рожихина И.Д., Нохрина О.И., Дмитриенко В.И., ПлатоновМ.А. Модифицирование стали барием и стронцием // Известия вузов. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 12. С. 871–876. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2015-12-871-876Rozhikhina I.D., Nokhrina O.I., Dmitrienko V.I., Platonov M.A. Modification of steel by barium and strontium. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2015, vol. 58, no. 12, pp. 871–876. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2015-12-871-876Maitra S., Chakrabarty N., Pramanik J. Decomposition kinetics of alkaline earth carbonates by integral approximation method// Cerâmica. 2008. Vol. 54. P. 268–272. https://doi.org/10.1590/S0366-69132008000300001Maitra S., Chakrabarty N., Pramanik J. Decomposition kinetics of alkaline earth carbonates by integral approximation method. Cerâmica. 2008, vol. 54, pp. 268–272. https://doi.org/10.1590/S0366-69132008000300001Рябчиков И.В., Мизин В.Г., Усманов Р.Г., Голубцов В.А., МилюцВ.Г. Критерии оценки качества раскислителей и модификаторов для стали // Сталь. 2015. № 2. С. 24–27.Ryabchikov I.V., Mizin V.G., Usmanov R.G., Golubtsov V.A., Milyuts V.G. Assessing the quality of reducing and modifying agents for steel. Steel in Translation. 2015, vol. 45, no 2, pp. 137–140. https://doi.org/10.3103/S0967091215020138Рябчиков И.В., Панов А.Г., Корниенко А.Э. О качественных характеристиках модификаторов // Сталь. 2007. № 6. С. 18–23.Ryabchikov I.V., Panov A.G., Kornienko A.E. Characteristics of modifiers. Steel in Translation. 2007, vol. 37, no 6, pp. 516–521. https://doi.org/10.3103/S0967091207060113Bakin I.V., Mikhailov G.G., Golubtsov V.A., Ryabchikov I.V., Dresvyankina L.E. Methods for improving the efficiency of steel modifying // Materials Science Forum. 2019. Vol. 946. P. 215–222. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.946.215Bakin I.V., Mikhailov G.G., Golubtsov V.A., Ryabchikov I.V., Dresvyankina L.E. Methods for improving the efficiency of steel modifying. Materials Science Forum. 2019, vol. 946, pp. 215–222. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.946.215Бакин И.В., Шабурова Н.А., Рябчиков И.В., Мизин В.Г., БеловБ.Ф., Михайлов Г.Г., Сенин А.В. Экспериментальное исследование рафинирования и модифицирования стали сплавами Si –Ca, Si –Sr и Si–Ba // Сталь. 2019. № 8. С. 14–18.Bakin I.V., Shaburova N.A., Ryabchikov I.V., Mizin V.G., BelovB.F., Mikhailov G.G., Senin A.V. Experimental Study of Refining and Modification of Steel with Si–Ca, Si–Sr, and Si–Ba Alloys. Steel in Translation. 2019, vol. 49, pp. 543–547. https://doi.org/10.3103/S0967091219080023Kim W.K., Koh S.U., Yang B.Y., Kim K.Y. Effect of environmental and metallurgical factors on hydrogen induced cracking of HSLA steels // Corrosion Science. 2008. Vol. 50. P. 3336–3342. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2008.09.030Kim W.K., Koh S.U., Yang B.Y., Kim K.Y. Effect of environmental and metallurgical factors on hydrogen induced cracking of HSLA steels. Corrosion Science. 2008, vol. 50, pp. 3336–3342. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2008.09.030Sidorova E., Karasev A.V., Kuznetsov D., Jönsson P.G. Modification of non-metallic inclusions in oil-pipeline steels by Ca-treatment// Metals. 2019. Vol. 9. No. 4. P. 391. https://doi.org/10.3390/met9040391Sidorova E., Karasev A.V., Kuznetsov D., Jönsson P.G. Modification of non-metallic inclusions in oil-pipeline steels by Ca-treatment. Metals. 2019, vol. 9, no. 4, pp. 391. https://doi.org/10.3390/met9040391Михайлов Г.Г., Макровец Л.А., Самойлова О.В., Бакин И.В. Термодинамический анализ раскислительной способности стронция в жидком железе: диаграмма стабильности фаз в сис­ темах Fe – Sr – O и Fe – Mg – Sr – O // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2019. Т. 75. № 12. С. 1366–1373. https://doi.org/10.32339/0135-5910-2019-12-1366-1372Mikhailov G.G., Makrovets L.A., Samoilova O.V., Bakin I.V. Thermodynamic analysis of deoxidizing ability of strontium in liquid iron: Phase stability diagram IN Fe – Sr – O and Fe – Mg – Sr – O systems. Ferrous Metallurgy. Bulletin of Scientific, Technical and Economic Information. 2019, vol. 75, no. 12, pp. 1366–1373. (In Russ.). https://doi.org/10.32339/0135-5910-2019-12-1366-1372Михайлов Г.Г., Леонович Б.И., Кузнецов Ю.С. Термодинамика металлургических процессов и систем. М.: ИД МИСиС, 2009. 520 с.Mikhailov G.G., Leonovich B.I., Kuznetsov Yu.S. Thermodynamics of Metallurgical Processes and Systems. Мoscow: NUST “MISIS”, 2009, 520 p. (In Russ.).Fuwa T., Chipman J. The carbon – oxygen equilibria in liquid iron // Transactions of AIME. 1960. Vol. 218. P. 887–891.Fuwa T., Chipman J. The carbon – oxygen equilibria in liquid iron. Transactions of AIME. 1960, vol. 218, pp. 887–891.Самойлова О.В., Макровец Л.А., Бакин И.В. Термодинамичес­ кое моделирование фазовых равновесий в оксидной системе FeO – SrO – SiO2 // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2019. Т. 19. № 4. С. 10–18.Samoilova O.V., Makrovets L.A., Bakin I.V Thermodynamic modeling of phase equilibria in FeO – SrO – SiO2 oxide system. Vestnik YuUrGU. Seriya “Metallurgiya”. 2019, vol. 19, no. 4, pp. 10–18. (In Russ.).Li J., Cheng G. Effect of CaO – MgO – SiO2 – Al2O3 – TiO2 slags with different CaF2 contents on inclusions in Ti-stabilized 20Cr stainless steel // ISIJ International. 2019. Vol. 59. No. 11. P. 2013–2023. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2019-277Li J., Cheng G. Effect of CaO – MgO – SiO2 – Al2O3 – TiO2 slags with different CaF2 contents on inclusions in Ti-stabilized 20Cr stainless steel. ISIJ International. 2019, vol. 59, no. 11, pp. 2013–2023. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2019-277Li S., Cheng G., Yang L., Chen L., Yan Q., Li C. A thermodynamic model to design the equilibrium slag compositions during electroslag remelting process: Description and verification // ISIJ International. 2017. Vol. 57. No. 4. P. 713–722. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2016-655Li S., Cheng G., Yang L., Chen L., Yan Q., Li C. A Thermodynamic model to design the equilibrium slag compositions during electroslag remelting process: Description and verification. ISIJ International. 2017, vol. 57, no. 4, pp. 713–722. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2016-655Steelmaking Data Sourcebook, Japan Society for the Promotion of Science. The 19th Committee on Steelmaking. New York: Gordon and Breach Science Publishers, 1988. 325 p.Steelmaking Data Sourcebook. Japan Society for the Promotion of Science. The 19th Committee on Steelmaking. New York: Gordon and Breach Science Publ., 1988, 325 p.Hou D., Jiang Z.H., Dong Y.W., Gong W., Cao Y.L., Cao H. Effect of slag composition on the oxidation kinetics of alloying elements during electroslag remelting of stainless steel: Part-1 Mass-transfer model // ISIJ International. 2017. Vol. 57. No. 8. P. 1400–1409. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2017-147Hou D., Jiang Z.H., Dong Y.W., Gong W., Cao Y.L., Cao H. Effect of slag composition on the oxidation kinetics of alloying elements during electroslag remelting of stainless steel: Part-1 Mass-transfer model. ISIJ International. 2017, vol. 57, no. 8, pp. 1400–1409. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2017-147Yoshioka T., Nakahata K., Kawamura T., Ohba Y. Factors to determine inclusion compositions in molten steel during the secondary refining process of case-hardening steel // ISIJ International. 2016. Vol. 56. No. 11. P. 1973–1981. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2016-324Yoshioka T., Nakahata K., Kawamura T., Ohba Y. Factors to determine inclusion compositions in molten steel during the secondary refining process of case-hardening steel. ISIJ International. 2016, vol. 56, no. 11, pp. 1973–1981. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2016-324Sigworth G.K., Elliott J.F. The thermodynamics of liquid dilute iron alloys // Metal Science. 1974. Vol. 8. P. 298–310. https://doi.org/10.1179/msc.1974.8.1.298Sigworth G.K., Elliott J.F. The thermodynamics of liquid dilute iron alloys. Metal Science. 1974, vol. 8, pp. 298–310. https://doi.org/10.1179/msc.1974.8.1.298Куликов И.С. Раскисление железа щелочноземельными металлами // Металлы. 1985. № 6. С. 9–15.Kulikov I.S. Iron deoxidation with alkaline earth metals. Metally. 1985, no. 6, pp. 9–15. (In Russ.).Агеев Ю.А., Арчугов С.А. Исследование растворимости щелочноземельных металлов в жидком железе и сплавах на его основе // Журнал физической химии. 1985. Т. LIX. № 4. С. 838–841.Ageev Yu.A., Archugov S.A. Study of alkaline earth metals solubility in liquid iron and iron-based alloys. Zhurnal fizicheskoi khimii. 1985, vol. LIX, no. 4, pp. 838–841. (In Russ.).

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