blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-10-768-777blackmet-2195Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESТермодинамический анализ раскислительной способности стронция в жидком железе в присутствии алюминияThermodynamic analysis of strontium deoxidizing ability in liquid iron at presence of aluminumhttps://orcid.org/0000-0001-8581-1475МакровецЛ. А.MakrovetsL. A.

Макровец Лариса Александровна - 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, South Ural State University.

76 Lenina Ave., Chelyabinsk 454080.

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

Самойлова Ольга Владимировна – кандидат химических наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры материаловедения и физико-химии материалов.

454080, Челябинск, пр. Ленина, 76.

Ol'ga V. Samoilova - Cand. Sci. (Chem.), Senior Researcher, Assist. Prof. of the Chair of Materials Science and Physical Chemistry of Materials, South Ural State University.

76 Lenina Ave., Chelyabinsk 454080.

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

Михайлов Геннадий Георгиевич – доктор технических наук, 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, South Ural State University.

76 Lenina Ave., Chelyabinsk 454080.

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

Бакин Игорь Валерьевич - аспирант кафедры материаловедения и физико-химии материалов, ЮУрГУ; начальник отдела инновации, модернизации и технического развития, ООО НПП Технология.

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, South Ural State University, Head of the Division of Innovation, Modernization and Technical Development, LLC SPE Technology.

76 Lenina Ave., Chelyabinsk 454080; 25 Vodrem Vil. - 40, Chelyabinsk 454901.

igor.npp.bakin@gmail.comЮжно-Уральский государственный университетРоссияSouth Ural State UniversityRussian FederationЮжно-Уральский государственный университет; ООО НПП ТехнологияРоссияSouth Ural State University; LLC SPE TechnologyRussian Federation2021241120216410768777Copyright © 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/2195

Впервые построена диаграмма состояния тройной оксидной системы FeO - SrO -Al2O3 , в которой могут образовываться следующие соединения: герцинит FeAl2O4 и пять алюминатов стронция Sr4Al2O7 , Sr3Al2O6 , SrAl2O4 , SrAl4O7 , SrAl12O19 . Согласно проведенным расчетам в этой системе не образуются твердые растворы оксидов, что подтверждается литературными данными. В ходе моделирования подобраны оптимальные энергетические параметры теории субрегулярных ионных растворов для компонентов оксидного расплава (FeO, SrO, Al2O3 ). Термодинамический анализ раскислительной способности стронция в жидком железе в присутствии алюминия проведен с использованием методики построения поверхности растворимости стронция и алюминия в металле для температур сталеварения (1550 и 1600 °С) и концентраций углерода 0,1 и 0,4 %. Рассчитаны константы равновесия реакций образования алюминатов стронция Sr3Al2O6 и SrAl2O4 из компонентов металлического расплава для интервала температур 1550 - 1650 °С. Установлено, что остальные алюминаты стронция могут образовываться в жидком металле только при температурах выше 1750 °С. Приводится база термодинамических данных для изучаемых систем: температурные зависимости констант равновесия реакций, протекающих между компонентами; значения параметров взаимодействия первого порядка (по Вагнеру) для элементов в жидком железе; значения энергетических параметров теории субрегулярных ионных растворов (для оксидного расплава). Из расчетов следует, что в качестве продуктов взаимодействия в системах Fe -Al - Sr - O и Fe - Al - Sr - С - O наиболее вероятно образование моноалюмината стронция SrAl2O4 и корунда Al2O3 .

Phase diagram of the ternary oxide system FeO - SrO -Al2O3 was constructed for the first time. In this system, the following compounds can be formed: hercynite FeAl2O4 and five strontium aluminates - Sr4Al2O7 , Sr3Al2O6 , SrAl2O4 , SrAl4O7 , SrAl12O19 . According to the calculations performed, solid solutions of oxides are not formed in the system, as it is confirmed by the literature data. In the course of modeling, the optimal energy parameters of the theory of subregular ionic solutions were selected for the components of the oxide melt (FeO, SrO, Al2O3 ). Thermodynamic analysis of strontium deoxidizing ability in liquid iron at presence of aluminum was carried out using the technique for constructing the surface of solubility of strontium and aluminum in metal for steelmaking temperatures (1550 and 1600 °C) and carbon concentrations of 0.1 and 0.4 %. The equilibrium constants of the reactions of formation of strontium aluminates Sr3Al2O6 and SrAl2O4 from the components of the metal melt were calculated for the temperature range of 1550 - 1650 °C. It was found that the rest of strontium aluminates can be formed in liquid metal only at temperatures above 1750 °C. The base of thermodynamic data for the studied systems is given: temperature dependences of equilibrium constants for reactions occurring between components; values of interaction parameters of the first order (according to Wagner) for elements in liquid iron; values of energy parameters of the theory of subregular ionic solutions (for oxide melt). It follows from the calculations that the formation of strontium monoaluminate SrAl2O4 and corundum Al2O3 is most probable as the interaction products in Fe -Al - Sr - O and Fe -Al - Sr - C - O systems.

термодинамикараскислениестронцийалюминийдиаграмма состояниямоделированиеthermodynamicsdeoxidationstrontiumaluminumphase diagrammodelingРабота выполнена при поддержке Правительства РФ (Постановление № 211 от 16.03.2013 г.), соглашение № 02.A03.21.0011.The work was supported by the Government of the Russian Federation (Resolution No. 211 of March 16, 2013), agreement No. 02.A03.21.0011.ReferencesGokcen N.A., Chipman J. Aluminium-oxygen equilibrium in liquid iron // JOM. 1953. No. 5. P. 173-178. https://doi.org/10.1007/BF03397469Gokcen N.A., Chipman J. Aluminium-oxygen equilibrium in liquid iron. JOM. 1953, no. 5, pp. 173-178. https://doi.org/10.1007/BF03397469Janke D., Fischer W.A. Desoxidationsgleichgewichte von Titan, Aluminium und Zirconium in Eisenschmelzen bei 1600 °C // Archiv fur das Eisenhuttenwesen. 1976. Vol. 47. No. 4. P. 195-198. https://doi.org/10.1002/srin.197603805Janke D., Fischer W.A. Desoxidationsgleichgewichte von Titan, Aluminium und Zirconium in Eisenschmelzen bei 1600 °C. Archiv fur das Eisenhuttenwesen. 1976, vol. 47, no. 4, pp. 195-198. (In Germ.). https://doi.org/10.1002/srin.197603805Paek M.K., Jang J.M., Kang Y.B., Pak J.J. Aluminum deoxidation equilibria in liquid iron: Part I. Experimental // Metallurgical Materials Transactions B. 2015. Vol. 46. No. 4. P. 1826-1836. https://doi.org/10.1007/s11663-015-0368-0Paek M.K., Jang J.M., Kang Y.B., Pak J.J. Aluminum deoxidation equilibria in liquid iron: Part I. Experimental. Metallurgical Materials Transactions B. 2015, vol. 46, no. 4, pp. 1826-1836. https://doi.org/10.1007/s11663-015-0368-0Скок Ю.Я. Исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ // Процессы литья. 2010. Т. 81. № 3. С. 8-12.Skok Yu.Ya. 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.).Проворова И.Б., Розенберг Е.В., Барановский К.Э., Волосатиков В.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 out-of-furnace treatment containing alkaline earth metal. Lit'e i metal-lurgiya. 2016, vol. 83, no. 2, pp. 14-18. (In Russ.).Голубцов В.А., Рябчиков И.В., Сумин С.И. Неметаллические включения модифицирование качество металла // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов. Материалы XXIV Уральской школы металловедов-термистов (19 - 23 марта 2018 года, Магнитогорск) / Отв. ред. М.В. Чукин, А.Н. Емелюшин. Магнитогорск: изд. Магнитогорского гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2018. С. 222-229.Golubtsov V.A., Ryabchikov I.V., Sumin S.I. Non-metallic inclusions modification metal quality. In: Actual Tasks of Physical Metal Science of Steels and Alloys. Materials of the XXIV Ural School of Metal Scientists-Heat-Treaters (March 19 - 23, 2018, Magnitogorsk). Chukin M.V., Emelyushin A N. eds. Magnitogorsk: MSTU im. G.I. Nosova, 2018, pp. 222-229. (In Russ.).Рябчиков 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, 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 // Material 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. Material 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., Белов Б.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., Belov B.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, no. 8, pp. 543-547. https://doi.org/10.3103/S0967091219080023Шахпазов Е.Х., Зайцев А.И., Шапошников Н.Г., Родионова И.Г., Рыбкин Н.А. К проблеме физико-химического прогнозирования типа неметаллических включений. Комплексное раскисление стали алюминием и кальцием // Металлы. 2006. № 2. С. 1-14.Shakhpazov E.Kh., Zaitsev A.I., Shaposhnikov N.G., Rodionova I.G., Rybkin N.A. Physicochemical prediction of the types of nonmetallic inclusions: Complex deoxidation of steel with aluminum and calcium. Russian Metallurgy (Metally). 2006, vol. 2006, no. 2, pp. 99-107. https://doi.org/10.1134/S0036029506020017Faulring G.M., Ramalingam S. Inclusion precipitation diagram for the Fe - O - Ca - Al system // Metallurgical Transactions B. 1980. Vol. 11. No. 1. P. 125-130. https://doi.org/10.1007/BF02657181Faulring G.M., Ramalingam S. Inclusion precipitation diagram for the Fe - O - Ca - Al system. Metallurgical Transactions B. 1980, vol. 11, no. 1, pp. 125-130. https://doi.org/10.1007/BF02657181Taguchi K., Ono-Nakazato H., Usui T., Marukawa K., Katogi K., Kosaka H. Complex deoxidation equilibria of molten iron by aluminum and calcium // ISIJ International. 2005. Vol. 45. No. 11. P. 1572-1576. https://doi.org/10.2355/isijinternational.45.1572Taguchi K., Ono-Nakazato H., Usui T., Marukawa K., Katogi K., Kosaka H. Complex deoxidation equilibria of molten iron by aluminum and calcium. ISIJ International. 2005, vol. 45, no. 11, pp. 1572-1576. https://doi.org/10.2355/isijinternational.45.1572Михайлов Г.Г., Макровец Л.А., Выдрин Д.А. Барий как раскислитель и модификатор жидкой стали // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2013. Т. 13. № 1. С. 45-50.Mikhailov G.G., Makrovets L.A., Vydrin D.A. Barium as a deoxidizer and modifier of liquid steel. Vestnik YuUrGU. Seriya “Metallurgiya”. 2013, vol. 13, no. 1, pp. 45-50. (In Russ.).Михайлов 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. Moscow: PH MISiS, 2009, 520 p. (In Russ.).Михайлов Г.Г., Макровец Л.А., Самойлова О.В. и др. Термодинамический анализ раскислительной способности стронция в жидком железе: диаграмма стабильности фаз в системах 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. Chernaya metallurgiya. Bulletin of Scientific, Technical and Economic Information. 2019, vol. 75, no. 12, pp. 1366-1373. (In Russ.). https://doi.org/10.32339/0135-5910-2019-12-1366-1372Fischer W.A., Hoffmann A. Das Zustandsschaubild Eisenoxydul-Aluminiumoxyd // Archiv fur das Eisenhuttenwesen. 1956. Vol. 27. No. 5. P. 343-346. https://doi.org/10.1002/srin.195601412Fischer W.A., Hoffmann A. Das Zustandsschaubild Eisenoxydul-Al-uminiumoxyd. Archiv fur das Eisenhuttenwesen. 1956, vol. 27, no. 5, pp. 343-346. (In Germ.). https://doi.org/10.1002/srin.195601412Rosenbach K., Schmitz J.A. Untersuchungen im Dreistoffsystem Eisen (II)-oxid-Chrom (III)-oxid-Tonerde // Archiv fur das Eisenhuttenwesen. 1974. Vol. 45. No. 12. P. 843-847. https://doi.org/10.1002/srin.197403968Rosenbach K., Schmitz J.A. Untersuchungen im Dreistoffsystem Eisen (II)-oxid-Chrom (III)-oxid-Tonerde. Archiv fur das Eisenhuttenwesen. 1974, vol. 45, no. 12, pp. 843-847. (In Germ.). https://doi.org/10.1002/srin.197403968Slag Atlas. 2nd Edition. Verein Deutscher Eisenhuttenleute (VDEh) ed. Dusseldorf: Verlag Stahleisen GmbH., 1995. P. 40-43.Slag Atlas. 2nd Edition. Verein Deutscher Eisenhuttenleute (VDEh) ed. Dusseldorf: Verlag Stahleisen GmbH., 1995, pp. 40-43. (In Germ.).Ганиц Ф., Чемeкова Т.Ю., Удалов Ю.П. Система SrO - Al2O3 // Журнал неорганической химии. 1979. Т. XXIV. Вып. 2. С. 471-475.Ganits F., Chemеkova T.Yu., Udalov Yu.P. SrO - Al2O3 system. Zhurnal neorganicheskoi khimii. 1979, vol. XXIV, no. 2, pp. 471-475. (In Russ.).Massazza F. Il systema SrO - Al2O3 // La chimica E L'industria (Milan). 1959. Vol. XLI. No. 2. P. 108-115.Massazza F. Il systema SrO - Al2O3 . La chimica E L'industria (Milan). 1959, vol. XLI, no. 2, pp. 108-115. (In Ital.).Starczewski M. Studia nad reakcjami w fazie stalej w ukladzie trojskladnikowym SrO - Al2O3 - SiO2 // Politech. Slaska, Habil.-Schr. Gliwice, 1964. Vol. 106. No. 35. P. 5-75.Starczewski M. Studia nad reakcjami w fazie stalej w ukladzie trojskladnikowym SrO - Al2O3 - SiO2 . Politech. Slaska, Habil.-Schr. Gliwice, 1964, vol. 106, no. 35, pp. 5-75. (In Pol.).Михайлов Г.Г., Самойлова О.В., Макровец Л.А., Смирнов Л.А. Термодинамическое моделирование изотерм растворимости кислорода в жидком металле системы Fe - Mg - Al - O // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 8. С. 639-645. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-8-639-645Mikhailov G.G., Samoilova O.V., Makrovets L.A., Smirnov L.A. Thermodynamic modeling of isotherms of oxygen solubility in liquid metal of Fe - Mg - Al - O system. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019, vol. 62, no. 8, pp. 639-645. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-8-639-645Fuwa 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.Park J.H., Todoroki H. Control of MgO^Al2O3 spinel inclusions in stainless steels // ISIJ International. 2010. Vol. 50. No. 10. P. 1333-1346. https://doi.org/10.2355/isijinternational.50.1333Park J.H., Todoroki H. Control of MgO^Al2O3 spinel inclusions in stainless steels. ISIJ International. 2010, vol. 50, no. 10, pp. 1333-1346. https://doi.org/10.2355/isijinternational.50.1333Sigworth G.K., Elliott J.F. The thermodynamics of liquid dilute iron alloys // Metal Science. 1974. Vol. 8. No. 1. 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, no. 1, pp. 298-310. https://doi.org/10.1179/msc.1974.8.1.298Prox H., Hino M., Ban-Ya S. Assessment of Al deoxidation equilibrium in liquid iron // Tetsu-to-Hagane. 1997. Vol. 83. No. 12. P. 773-778. https://doi.org/10.2355/tetsutohagane1955.83.12_773Prox H., Hino M., Ban-Ya S. Assessment of Al deoxidation equilibrium in liquid iron. Tetsu-to-Hagane. 1997, vol. 83, no. 12, pp. 773-778. https://doi.org/10.2355/tetsutohagane1955.83.12_773Куликов 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. Alkaline earth metals solubility in liquid iron and iron-based alloys. Zhurnal fizicheskoi khimii. 1985, vol. LIX, no. 4, pp. 838-841. (In Russ.).Stein F., Palm M. Re-determination of transition temperatures in the Fe-Al system by differential thermal analysis // International Journal of Materials Research. 2007. Vol. 98. No. 7. P. 580-588. https://doi.org/10.3139/146.101512Stein F., Palm M. Re-determination of transition temperatures in the Fe-Al system by differential thermal analysis. International Journal of Materials Research. 2007, vol. 98, no. 7, pp. 580-588. https://doi.org/10.3139/146.101512Явойский В.И. Теория процессов производства стали. М.: Металлургия, 1967. 792 с.Yavoiskii V.I. Theory of Steel Production Processes. Moscow: Me-tallurgiya, 1967, 792 p. (In Russ.).

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