blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-8-581-587blackmet-2158Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESПрямое микролегирование стали церием под шлаками системы СаО–SiO 2–Ce2O3–15 % Al2O3–8 % MgO дополнительными восстановителямиDirect microalloying of steel with cerium under slags of СаО–SiO 2 – Ce2O3– 15 % Al2O3 –8 % MgO system with additional reducing agentshttps://orcid.org/0000-0002-6698-5565УполовниковаА. Г.UpolovnikovaA. G.

 Алена Геннадьевна Уполовникова, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории стали и ферросплавов

 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101 

  Alena G. Upolovnikova, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Laboratory of Steel and Ferroalloys 

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016 

upol.ru@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0734-6162БабенкоА. А.BabenkoA. A.

 Анатолий Алексеевич Бабенко, д.т.н., главный научный сотрудник лаборатории стали и ферросплавов

 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101 

  Anatolii A. Babenko, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher of the Laboratory of Steel and Ferroalloys 

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016 

babenko251@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6324-4032СмирновЛ. А.SmirnovL. A.

  Леонид Андреевич Смирнов, академик РАН, д.т.н., главный научный сотрудник лаборатории стали и ферросплавов

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101 

  Leonid A. Smirnov, Academician, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher of the Laboratory of Steel and Ferroalloys 

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016 

uim@ural.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9154-8244МихайловаЛ. Ю.MikhailovaL. Yu.

 Людмила Юрьевна Михайлова, к.т.н., научный сотрудник лаборатории стали и ферросплавов

 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101 

 Lyudmila Yu. Mikhailova, Cand. Sci. (Eng.), Research Associate of the Laboratory of Steel and Ferroalloys 

 101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016 

ferrostal@bk.ruИнститут металлургии УрО РАНРоссияInstitute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of ScienceRussian Federation202101092021648581587Copyright © Уполовникова А.Г., Бабенко А.А., Смирнов Л.А., Михайлова Л.Ю., 20212021Уполовникова А.Г., Бабенко А.А., Смирнов Л.А., Михайлова Л.Ю.Upolovnikova A.G., Babenko A.A., Smirnov L.A., Mikhailova L.Y.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/2158

Оценка возможности прямого микролегирования стали церием выполнена с помощью термодинамического моделирования восстановления церия из шлаков системы СаО–SiO2–Ce2O3, содержащих 15 % Аl2O3 и 8 % МgO, дополнительными присадками восстановителей (алюминия или ферросиликоалюминия), при температурах 1550 и 1650 °С с использованием программного комплекса HSC 6.1 Chemistry (Outokumpu). Показано, что в зависимости от дополнительных присадок алюминия или ферросиликоалюминия, температуры металла, основности шлака и содержания оксида церия в металл переходит от 0,228 до 40,5 ppm церия. При дополнительной присадке алюминия из шлака (Y1), содержащего 1,0 % оксида церия, в металл при 1550 °С переходит 0,228 ppm церия. Повышение температуры системы до 1650 °С сопровождается незначительным увеличением концентрации церия, достигающей не более 0,323 ppm. При присадке в металл ферросиликоалюминия содержание церия в металле выше и составляет 0,402 и 0,566 ppm при 1550 и 1650 °С соответственно. При увеличении до 7,0 % концентрации оксида церия в шлаке (Y2) наблюдается более существенный прирост содержания церия в металле, достигающий в диапазоне температур 1550 – 1650 °С, 1,65 – 2,31 ppm с присадками алюминия и 2,90 – 4,05 ppm с присадками ферросиликоалюминия. Наиболее ощутимое повышение содержания церия в металле наблюдается с ростом основности шлака. При формировании шлаков в области основности 2 – 3, содержащих 1 – 7 % Ce2О3, равновесная концентрация церия в металле изменяется от 0,5 до 4 ppm с присадками алюминия и 1 – 7 ppm с присадками ферросиликоалюминия при 1550 °С. Смещение шлаков в область повышенной до 3 – 5 основности сопровождается при содержании 3 – 7 % Ce2О3 повышением равновесной концентрации церия в металле до 4 – 12 ppm с присадками алюминия и 7 – 20 ppm с присадками ферросиликоалюминия и, как следствие, повышением эффективности протекания процесса восстановления церия.

An assessment of the possibility of steel direct microalloying with cerium was performed using thermodynamic modeling of cerium reduction from slags of CaO– SiO2– Ce2O3 system containing 15 % Al2O3 and 8 % МgO, additional additives of reducing agents (aluminum or ferrosilicoaluminium), at temperatures of 1550 and 1650 °C using the HSC 6.1 Chemistry (Outokumpu) software package. Depending on the additional additives of aluminum or ferroglycoaluminium, metal temperature, slag basicity and content of cerium oxide, 0.228 to 40.5 ppm of cerium transfers into the metal. With an additional additive of aluminum from slag (Y1) containing 1.0 % of cerium oxide, 0.228 ppm of cerium is transferred to the metal at 1550 °C. An increase in the system temperature to 1650 °C is accompanied by a slight increase in cerium content, reaching no more than 0.323 ppm. When added to ferrosilicoaluminium metal, cerium content in the metal is higher and amounts to 0.402 and 0.566 ppm at 1550 and 1650 °C, respectively. When concentration of cerium oxide in the slag (Y2) increases to 7.0 %, more signifcant increase in cerium content in the metal is observed, reaching in temperature range of 1550 – 1650 °C, 1.65 – 2.31 ppm with aluminum additives and 2.90 – 4.05 ppm with ferrosilicoaluminium additives. The most noticeable increase in cerium content in the metal is observed with an increase in slag basicity. During formation of slags with basicity of 2 – 3, containing 1 – 7 % Ce2O3, the equilibrium concentration of cerium in the metal varies from 0.5 to 4 ppm with aluminum additives and 1 – 7 ppm with ferro­silicoaluminium additives at 1550 °C. Slags transfer to the increased (up to 3 – 5) basicity is accompanied by an increase in the equilibrium content of cerium in the metal to 4 – 12 ppm with aluminum additives and 7 – 20 ppm with ferrosilicoaluminium additives at Ce2O3 content of 3 – 7 % and, as a result, an increase in efciency of cerium reduction process.

стальцерийшлакосновностьоксид церияфазовый составпланирование экспериментатермодинамическое моделированиеsteelgrayslagbasicitycerium oxidephase compositionexperiment planningthermodynamic modelingРабота выполнена при поддержке гранта РФФИ № 19­08­00825The work was supported by the Russian Foundation for Basic Research, grant No. 19­08­00825ReferencesГольдштейн Я.Г., Ефимова Л.Б. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. М.: Металлургия, 1986. 271 с.Gol’dshtein Ya.G., Efmova L.B. Modifcation and Microalloying of Cast Iron and Steel. Moscow: Metallurgiya, 1986, 271 p. (In Russ.).Пилюшенко В.Л., Вихлевщук В.А. Научные и технологические основы микролегирования стали. М.: Металлургия, 1994. 384 с.Pilyushenko V.L., Vikhlevshchuk V.A. Scientifc and Technological Foundations of Steel Microalloying. Moscow: Metallurgiya, 1994, 384 p. (In Russ.).Petryna D.Yu., Kozak О.L., Shulyar B.R., Petryna Yu.D., Hredil М.I. Influence of alloying by rare­earth metals on the mechanical properties of 17G1S pipe steel // Materials Science. 2013. Vol. 4. No. 5. P. 575–581. https://doi.org/10.1007/s11003-013-9540-3Petryna D.Yu., Kozak О.L., Shulyar B.R., Petryna Yu.D., Hredil М.I. Influence of alloying by rare­earth metals on the mechanical properties of 17G1S pipe steel. Materials Science. 2013, vol. 4, no. 5, pp. 575–581.https://doi.org/10.1007/s11003-013-9540-3Макаренко В.Д., Киндрачук М.В., Бондарев А.А., Муравьев К.А. Влияние церия на механические и коррозионные свойства низколегированных трубных сталей // Компрессорное и энергетическое машиностроение. 2014. № 3. С. 24–29.Makarenko V.D., Kindrachuk M.V., Bondarev A.A., Murav’ev K.A Influence of cerium on mechanical and corrosion properties of low alloyed pipe steels. Kompressornoe i energeticheskoe mashinostroenie. 2014, no. 3, pp. 24–29. (In Russ.).Torkamani H., Raygan Sh., Garcia­Mateo C., Rassizadehghani J., Palizdar Y., San­Martin D. Evolution of pearlite microstructure in low­carbon cast microalloyed steel due to the addition of La and Ce // Metallurgical and Materials Transactions A. 2018. Vol. 49. No. 10. P. 4495–4508. https://doi.org/10.1007/s11661-018-4796-8Torkamani H., Raygan Sh., Garcia­Mateo C., Rassizadehghani J., Palizdar Y., San­Martin D. Evolution of pearlite microstructure in low­carbon cast microalloyed steel due to the addition of La and Ce. Metallurgical and Materials Transactions A. 2018, vol. 49, no. 10, pp. 4495–4508. https://doi.org/10.1007/s11661-018-4796-8Yang X., Long H., Cheng G., Wu C., Wu B. Effect of refning slag containing Ce2O3 on steel cleanliness // Journal of Rare Earths. 2011. Vol. 29. No. 11. P. 1079–1083. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(10)60602-3Yang X., Long H., Cheng G., Wu C., Wu B. Effect of refning slag containing Ce2O3 on steel cleanliness. Journal of Rare Earths. 2011, vol. 29, no. 11, pp. 1079–1083. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(10)60602-3Wu C., Cheng G., Long H., Yang X. A thermodynamic model for evaluation of mass action concentrations of Ce 2O3­contained slag systems based on the ion and molecule coexistence theory // High Temperature Materials and Processes. 2013. Vol. 32. No. 3. P. 207 – 214. https://doi.org/10.1515/htmp-2012-0119Wu C., Cheng G., Long H., Yang X. A thermodynamic model for evaluation of mass action concentrations of Ce 2O3­contained slag systems based on the ion and molecule coexistence theory. High Temperature Materials and Processes. 2013, vol. 32, no. 3, pp. 207 – 214. https://doi.org/10.1515/htmp-2012-0119Feifei H., Bo L., Da L., Ligang L., Ting D., Xuejun R., Qingxiang Y. Effects of rare earth oxide on hardfacing metal microstructure of medium carbon steel and its refnement mechanism // Journal of Rare Earths. 2011. Vol. 29. No. 6. P. 609–613. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(10)60507-8Feifei H., Bo L., Da L., Ligang L., Ting D., Xuejun R., Qingxiang Y. Effects of rare earth oxide on hardfacing metal microstructure of medium carbon steel and its refnement mechanism. Journal of Rare Earths. 2011, vol. 29, no. 6, pp. 609–613. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(10)60507-8Guo M.X., Suito H. Effect of dissolved cerium on austenite grain growth in an Fe – 0.20 mass % C – 0.02 mas % P alloy // ISIJ International. 1999. Vol. 39. No. 11. P. 1169–1175. https://doi.org/10.2355/isijinternational.39.1169Guo M.X., Suito H. Effect of dissolved cerium on austenite grain growth in an Fe – 0.20 mass % C – 0.02 mas % P alloy. ISIJ International. 1999, vol. 39, no. 11, pp. 1169–1175. https://doi.org/10.2355/isijinternational.39.1169Ueda S., Morita K., Sano N. Activity of AlO1.5 for the CeO1.5–CaO–AlO 1.5 system at 1773 K // ISIJ International. 1998. Vol. 38. No. 12. P. 1292–1296.Ueda S., Morita K., Sano N. Activity of AlO1.5 for the CeO1.5– CaO–AlO 1.5 system at 1773 K. ISIJ International. 1998, vol. 38, no. 12, pp. 1292–1296.Wu C., Cheng G., Long H. Effect of Ce2O3 and CaO/Al2O3 on the phase, melting temperature and viscosity of CaO–Al2O3–10 mass %SiO 2 based slags // High Temperature Materials and Processes. 2014. Vol. 33. No. 1. P. 77 – 84. https://doi.org/10.1515/htmp-2013-0025Wu C., Cheng G., Long H. Effect of Ce2O3 and CaO/Al2O3 on the phase, melting temperature and viscosity of CaO–Al2O3–10 mass % SiO 2 based slags. High Temperature Materials and Processes. 2014, vol. 33, no. 1, pp. 77 – 84. https://doi.org/10.1515/htmp-2013-0025Hao 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 refnement mechanism // Journal of Rare Earths. 2011. Vol. 29. No. 6. P. 609–613. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(10)60507-8Hao 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 refnement mechanism. Journal of Rare Earths. 2011, vol. 29, no. 6, pp. 609–613. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(10)60507-8Wang L.J., Wang Q., Li J.M., Chou K.C. Dissolution mechanism of Al 2O3 in refning slags containing Ce2O3 // Journal of Mining and Metallurgy. Section B: Metallurgy. 2016. Vol. 52. No. 1. P. 35–40. https://doi.org/10.2298/JMMB140706004WWang L.J., Wang Q., Li J.M., Chou K.C. Dissolution mechanism of Al 2O3 in refning slags containing Ce2O3. Journal of Mining and Metallurgy. Section B: Metallurgy. 2016, vol. 52, no. 1, pp. 35–40. https://doi.org/10.2298/JMMB140706004WAnacleto N.M., Lee H.­G., Hayes P.C. Sulphur partition between СаО–SіО 2–Се2О3 slags and carbon­saturated iron // ISIJ International. 1993. Vol. 33. No. 5. P. 549–555. https://doi.org/10.2355/isijinternational.33.549Anacleto N.M., Lee H.­G., Hayes P.C. Sulphur partition between СаО–SіО 2–Се2О3 slags and carbon­saturated iron. ISIJ International. 1993, vol. 33, no. 5, pp. 549–555. https://doi.org/10.2355/isijinternational.33.549Михайлов Г.Г., Макровец Л.А., Смирнов Л.А. Термодинамическое моделирование фазовых равновесий с оксидными системами, содержащими РЗМ. Сообщение 3. Диаграммы состояния оксидных систем с Ce2O3 и CeO2 // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2015. Т. 15. № 4. С. 5–14. https://doi.org/10.14529/met150401Mikhailov G.G., Makrovets L.A., Smirnov L.A. Thermodynamic modeling of the phase equilibria with oxide systems containing rareearth metals. Report 3. State diagrams of oxide systems with Ce2O3 and CeO 2. Vestnik YuUrGU. Seriya “Metallurgiya”. 2015, vol. 15, no. 4, pp. 5–14. (In Russ.). https://doi.org/10.14529/met150401Бабенко А.А., Смирнов Л.А., Уполовникова А.Г., Нечвоглод О.В. Термодинамическое моделирование восстановления церия из шлаков системы СаО – SiO 2 – 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 СаО – SiO 2 – 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 % Al 2O3 – 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 diagrams of equilibrium content of cerium in metal under slag of СаО – SiO2 – Ce2O3 – 15 % Al2O3 – 8 % MgO system. Butlerovskie soobshcheniya. 2019, vol. 60, no. 10, pp. 140–145. (In Russ.).Бабенко А.А., Жучков В.И., Леонтьев Л.И., Уполовникова А.Г., Конышев А.А. Равновесное распределение бора между металлом системы Fe­C­Si­Al и борсодержащим шлаком // Известия вузов. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 9. С. 752–758. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-7-752-758Babenko 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.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-7-752-758Планирование эксперимента при исследовании физико­химических свойств металлургических шлаков. Методическое пособие / В.А. Ким, Э.И. Николай, А.А. Акбердин, И.С. Куликов. Алма­Ата: Наука, 1989. 116 с.Kim V.A., Nikolai E.I., Akberdin A.A., Kulikov I.S. Planning an Experiment in Study of Physicochemical Properties of Metallurgical Slags. Manual. Alma­Ata: Nauka, 1989, 116 p. (In Russ.).Ким В.А., Акбердин А.А., Куликов И.С., Николай Э.И. Использование метода симплексных решеток для построения диаграмм типа состав – вязкость // Известия вузов. Черная металлургия. 1980. № 9. С. 167.Kim V.A., Akberdin A.A., Kulikov I.S., Nikolai E.I. Use of simplex lattice method to construct composition­viscosity diagrams. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1980, no. 9, pp. 167. (In Russ.).

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