blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-2-206-214blackmet-2516Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESРаскислительная способность алюминия в железо-марганцевых углеродсодержащих расплавахDeoxidation capacity of aluminum in ferromanganese carbon-containing meltshttps://orcid.org/0000-0001-8581-1475МакровецЛ. А.MakrovetsL. A.

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

Россия, 454080, Челябинск, пр. Ленина, 76

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

76 Lenina Ave., Chelyabinsk 454080, Russia

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

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

Россия, 454080, Челябинск, пр. Ленина, 76

Ol’ga V. Samoilova, Cand. Sci. (Chem.), Senior Researcher of the Chair of Materials Science and Physical Chemistry of Materials

76 Lenina Ave., Chelyabinsk 454080, Russia

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

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

Россия, 454080, Челябинск, пр. Ленина, 76

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

76 Lenina Ave., Chelyabinsk 454080, Russia

mikhailovgg@susu.ruЮжно-Уральский государственный университетРоссияSouth Ural State UniversityRussian Federation202306062023662206214Copyright © Макровец Л.А., Самойлова О.В., Михайлов Г.Г., 20232023Макровец Л.А., Самойлова О.В., Михайлов Г.Г.Makrovets L.A., Samoilova O.V., Mikhailov G.G.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/2516

Раскисление (снижение концентрации растворенного в жидком металле кислорода) является неотъемлемой частью технологии производства сталей. Для получения глубоко раскисленного металла на металлургических предприятиях применяется в основном алюминий. Необходимо учитывать, что легирующие элементы сталей и сплавов при определенных условиях могут выступать как элементы-раскислители, внося вклад в комплексный характер процесса раскисления. Практически все стали содержат марганец в той или иной концентрации. Изучение процессов взаимодействия в системе Fe – Mn – Al – O – С при температурах сталеварения имеет прикладное значение. В настоящей работе проводится термодинамический анализ раскислительной способности алюминия в кислородсодержащих железо-марганцевых расплавах. При этом учитывается влияние углерода на ход процесса раскисления. Эффективным в исследовании является применение методики построения поверхности растворимости компонентов в металле (ПРКМ) – диаграммы, которая связывает составы жидкого металла с составами сопряженных неметаллических фаз. В ходе настоящей работы были рассчитаны изотермы растворимости кислорода в системе Fe – Mn – O для интервала температур 1550 – 1650 °С. Для системы Fe – Mn – Al – O – С (1600 °С) построены изосоставные сечения ПРКМ при фиксированных концентрациях углерода в стали [C] = 0; 0,1; 0,4; 0,8 и 1,2 % (здесь и далее по массе). При одновременном присутствии марганца и алюминия в кислородсодержащем расплаве на основе железа (при промышленно значимых концентрациях [Al] 0,001 – 0,010 % и [Mn] менее 1,0 %) алюминий в жидком металле будет выступать как раскисляющий агент, а в качестве продуктов взаимодействия будут образовываться включения корунда. Комплексное раскисление алюминием и марганцем с образованием шпинели характерно только для легированных марганцем сталей, где концентрация марганца составляет более 1,5 %.

Deoxidation (reduction of oxygen concentration dissolved in liquid metal) is an integral part of steel production technology. For obtaining deeply deoxidized metal, mainly aluminum is used at metallurgical enterprises. It should be taken into account that alloying elements of steels and alloys under certain conditions can act as deoxidizing elements, contributing to the complex nature of the deoxidation process. Almost all steels contain manganese in one concentration or another. The study of interaction processes in the Fe – Mn – Al – O – C system at steelmaking temperatures is of applied importance. In this paper, a thermodynamic analysis of the deoxidation ability of aluminum in oxygen-containing iron-manganese melts was carried out. At the same time, influence of carbon on course of the deoxidation process was taken into account. In the study, it is effective to use a technique for constructing the solubility surface of components in metal (SSCM) – a diagram that connects the compositions of liquid metal with the compositions of conjugated non-metallic phases. In the course of this work, oxygen solubility isotherms in the Fe – Mn – O system were calculated for the temperature range of 1550 – 1650 °C. For the Fe – Mn – Al – O – C (1600 °C) system, composite sections of the SSCM were constructed at fixed carbon concentrations in steel [C] = 0; 0.1; 0.4; 0.8 and 1.2 % (hereafter by weight). It is shown that with the simultaneous presence of manganese and aluminum in an oxygen–containing iron-based melt (at industrially significant concentrations [Al] = 0.001 – 0.010 % and [Mn] – less than 1.0 %), aluminum in the liquid metal will act as a deoxidizing agent, and corundum inclusions will be formed as interaction products. Complex deoxidation by aluminum and manganese with the formation of spinel is typical only for manganese-alloyed steels, where the concentration of manganese is more than 1.5 %.

термодинамическое моделированиераскислительная способностьжелезо-марганцевый расплавалюминийthermodynamic modelingdeoxidation capacityiron-manganese meltaluminumReferencesPaek M.K., Jang J.M., Kang Y.B., Pak J.J. Aluminum deoxidation equilibria in liquid iron: Part I. Experimental. Metallurgical and Materials Transactions B. 2015;46(4): 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 and Materials Transactions B. 2015;46(4): 1826–1836. https://doi.org/10.1007/s11663-015-0368-0Харлашин П.С., Носенко О.А., Яценко А.Н. Разработка рациональной технологии раскисления спокойных марок стали. Вісник Приазовського державного технічного університету. Серія: Технічні науки. 2011;2(23):52–55.Kharlashin P.S., Nosenko O.A., Yatsenko A.N. Development of rational deoxidation technology for dead-melted steel grades. Vіsnik Priazovs’kogo derzhavnogo tekhnіchnogo unіversitetu. Serіya: Tekhnіchnі nauki. 2011;2(23):52–55. (In Russ.).Shapovalov A.N., Dema R.R, Nefed’ev S.P. Improving the efficiency of steel de-oxidation at the Ural steel. Materials Science Forum. 2020;989:400–405. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.989.400Shapovalov A.N., Dema R.R, Nefed’ev S.P. Improving the efficiency of steel de-oxidation at the Ural steel. Materials Science Forum. 2020;989:400–405. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.989.400Якушев А.М., Михайлов Э.Н., Кудрин В.А. Исследование раскисления стали комплексными раскислителями. В кн.: Производство стали и стальное литье. Москва: Металлургия; 1969:163–170.Yakushev A.M., Mikhailov E.N., Kudrin V.A. Study of steel deoxidation by complex deoxidizers. In: Steel Production and Steel Casting. Moscow: Metallurgiya; 1969:163–170. (In Russ.).Новохатский И.А., Белов Б.Ф. К термодинамике комплексного раскисления алюминием марганцовистого железа. Известия АН СССР. Металлы. 1969;(5):41–46.Novokhatskii I.A., Belov B.F. On thermodynamics of complex aluminum deoxidation of manganese iron. Izvestiya AN SSSR. Metally. 1969;(5):41–46. (In Russ.).Fischer W.A., Bardenheuer P.W. Die Gleichgewichte zwisсhen mangan-, aluminium- und sauerstoffhaltigen Eisenschmelzen und ihren Schlacken im Mangan (II)-oxydtiegel bei 1530 bis 1700 °C. Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1968;39(9):637–643. (In Germ.). https://doi.org/10.1002/srin.196803570Fischer W.A., Bardenheuer P.W. Die Gleichgewichte zwisсhen mangan-, aluminium- und sauerstoffhaltigen Eisenschmelzen und ihren Schlacken im Mangan (II)-oxydtiegel bei 1530 bis 1700 °C. Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1968;39(9):637–643. (In Germ.). https://doi.org/10.1002/srin.196803570Михайлов 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;62(8):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;62(8):639–645. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-8-639-645Mikhailov G.G., Makrovets L.A., Samoilova O.V. Phase equilibria in a liquid metal of Fe–La–Ce–O system at 1600 °C. Solid State Phenomena. 2020;299:468–474. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.299.468Mikhailov G.G., Makrovets L.A., Samoilova O.V. Phase equilibria in a liquid metal of Fe–La–Ce–O system at 1600 °C. Solid State Phenomena. 2020;299:468–474. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.299.468Михайлов Г.Г., Леонович Б.И., Кузнецов Ю.С. Термодинамика металлургических процессов и систем. Москва: ИД МИСиС; 2009: 520.Mikhailov G.G., Leonovich B.I., Kuznetsov Yu.S. Thermodynamics of Metallurgical Processes and Systems. Moscow: ID MISiS; 2009:520. (In Russ.).Ohta H., Suito H. Activities of MnO in CaO–SiO2–Al2O3–MnO (<10 Pct)–FetO(<3 pct) slags saturated with liquid iron. Metallurgical and Materials Transactions B. 1995;26(2): 295–303. https://doi.org/10.1007/bf02660972Ohta H., Suito H. Activities of MnO in CaO–SiO2–Al2O3–MnO (<10 Pct)–FetO(<3 pct) slags saturated with liquid iron. Metallurgical and Materials Transactions B. 1995;26(2): 295–303. https://doi.org/10.1007/bf02660972Dimitrov S., Weyl A., Janke D. Control of the manganese-oxygen reaction in pure iron melts. Steel Research. 1995; 66(3):87–92. https://doi.org/10.1002/srin.199501092Dimitrov S., Weyl A., Janke D. Control of the manganese-oxygen reaction in pure iron melts. Steel Research. 1995; 66(3):87–92. https://doi.org/10.1002/srin.199501092Chipman J., Gero J.B., Winhler T.B. The manganese equilibrium under simple oxide slags. Transactions of AIME. 1950; 188:341–345.Chipman J., Gero J.B., Winhler T.B. The manganese equilibrium under simple oxide slags. Transactions of AIME. 1950; 188:341–345.Steelmaking Data Sourcebook, Japan Society for the Promotion of Science. The 19th Committee on Steelmaking. New York: Gordon and Breach Science Publishers; 1988:125.Steelmaking Data Sourcebook, Japan Society for the Promotion of Science. The 19th Committee on Steelmaking. New York: Gordon and Breach Science Publishers; 1988:125.Shibata H., Tanaka T., Kimura K., Kitamura S.-Y. Composition change in oxide inclusions of stainless steel by heat treatment. Ironmaking and Steelmaking. 2010;37(7):522–528. https://doi.org/10.1179/030192310x12700328925903Shibata H., Tanaka T., Kimura K., Kitamura S.-Y. Composition change in oxide inclusions of stainless steel by heat treatment. Ironmaking and Steelmaking. 2010;37(7):522–528. https://doi.org/10.1179/030192310x12700328925903Линчевский Б.В., Самарин А.М. Растворимость кислорода в расплавах железа с марганцем. Известия АН СССР. ОТН. 1957;(2):9–18.Linchevskii B.V., Samarin A.M. Oxygen solubility in iron-manganese melts. Izvestiya AN SSSR. OTN. 1957;(2):9–18. (In Russ.).Лузгин В.П., Вишкарев А.Ф., Явойский В.И. Определение раскислительной способности элементов методом электродвижущих сил. Известия вузов. Черная металлургия. 1963;6(9):50–54.Luzgin V.P., Vishkarev A.F., Yavoiskii V.I. Determination of deoxidizing ability of elements by the method of electromotive forces. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1963;6(9):50–54. (In Russ.).Li S., Cheng G., Yang L., Chen L., Yan Q., Li C.A. A thermodynamic model to design the equilibrium slag compositions during electroslag remelting process: Description and verification. ISIJ International. 2017;57(4):713–722. https://doi.org/10.2355/isijinternational.isijint-2016-655Li S., Cheng G., Yang L., Chen L., Yan Q., Li C.A. A thermodynamic model to design the equilibrium slag compositions during electroslag remelting process: Description and verification. ISIJ International. 2017;57(4):713–722. https://doi.org/10.2355/isijinternational.isijint-2016-655Fuwa T., Chipman J. The carbon–oxygen equilibria in liquid iron. Transactions of AIME. 1960;218:887–891.Fuwa T., Chipman J. The carbon–oxygen equilibria in liquid iron. Transactions of AIME. 1960;218:887–891.Михайлов Г.Г., Макровец Л.А., Самойлова О.В. Термодинамическое моделирование диаграмм состояния двойных и тройных оксидных систем, принадлежащих к системе FeO–MgO–MnO–Al2O3 . Новые огнеупоры. 2020;(6): 47–50. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2020-6-47-50Mikhailov G.G., Makrovets L.A., Samoilova O.V. Thermodynamic modeling of phase diagrams of binary and ternary oxide systems belonging to the FeO‒MgO‒MnO‒Al2O3 system. Novye ogneupory. 2020;(6):47–50. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/1683-4518-2020-6-47-50Sigworth G.K., Elliott J.F. The thermodynamics of liqui­d dilute iron alloys. Metal Science. 1974;8(1):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;8(1):298–310. https://doi.org/10.1179/msc.1974.8.1.298Ren Q., Zhang L. Effect of cerium content on inclusions in an ultra-low-carbon aluminum-killed steel. Metallurgical and Materials Transactions B. 2020;51(2):589–600. https://doi.org/10.1007/s11663-020-01779-yRen Q., Zhang L. Effect of cerium content on inclusions in an ultra-low-carbon aluminum-killed steel. Metallurgical and Materials Transactions B. 2020;51(2):589–600. https://doi.org/10.1007/s11663-020-01779-yPark J.H., Todoroki H. Control of MgO·Al2O3 spinel inclusions in stainless steels. ISIJ International. 2010;50(10): 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;50(10): 1333–1346. https://doi.org/10.2355/isijinternational.50.1333Itoh H., Hino M., Ban-Ya S. Assessment of Al deoxidation equilibrium in liquid iron. Tetsu-to-Hagané. 1997;83(12):773–778. https://doi.org/10.2355/tetsutohagane1955.83.12_773Itoh H., Hino M., Ban-Ya S. Assessment of Al deoxidation equilibrium in liquid iron. Tetsu-to-Hagané. 1997;83(12):773–778. https://doi.org/10.2355/tetsutohagane1955.83.12_773Janke D., Fischer W.A. Gleichgewichte von Chrom und Mangan mit Sauerstoff in Eisenschmelzen bei 1600 °C. Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1976;47(3):147–151. (In Germ.). https://doi.org/10.1002/srin.197603795Janke D., Fischer W.A. Gleichgewichte von Chrom und Mangan mit Sauerstoff in Eisenschmelzen bei 1600 °C. Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1976;47(3):147–151. (In Germ.). https://doi.org/10.1002/srin.197603795Шевцов В.Е., Меркер Э.Э., Лузгин В.П. Термодинамика растворов кислорода в железо-марганцевых расплавах. Известия вузов. Черная металлургия. 1987;30(7):1–3.Shevtsov V.E., Merker E.E., Luzgin V.P. Thermodynamics of oxygen solutions in iron-manganese melts. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1987;30(7):1–3. (In Russ.).Hilty D.C., Crafts W. Solubility of oxygen in liquid iron containing silicon and manganese. Transactions of AIME. 1950; 188:425–436.Hilty D.C., Crafts W. Solubility of oxygen in liquid iron containing silicon and manganese. Transactions of AIME. 1950; 188:425–436.Jung I.-H., Decterov S.A., Pelton A.D. A thermodynamic model for deoxidation equilibria in steel. Metallurgical and Materials Transactions B. 2004;35(3):493–507. https://doi.org/10.1007/s11663-004-0050-4Jung I.-H., Decterov S.A., Pelton A.D. A thermodynamic model for deoxidation equilibria in steel. Metallurgical and Materials Transactions B. 2004;35(3):493–507. https://doi.org/10.1007/s11663-004-0050-4Paek M.-K., Do K.-H., Kang Y.-B., Jung I.-H., Pak J.-J. Aluminum deoxidation equilibria in liquid iron: Part III – Expe­riments and thermodynamic modeling of the Fe–Mn–Al–O system. Metallurgical and Materials Transactions B. 2016; 47(5):2837–2847. https://doi.org/10.1007/s11663-016-0728-4Paek M.-K., Do K.-H., Kang Y.-B., Jung I.-H., Pak J.-J. Aluminum deoxidation equilibria in liquid iron: Part III – Expe­riments and thermodynamic modeling of the Fe–Mn–Al–O system. Metallurgical and Materials Transactions B. 2016; 47(5):2837–2847. https://doi.org/10.1007/s11663-016-0728-4Kong L., Deng Z., Zhu M. Formation and evolution of non-metallic inclusions in medium Mn steel during secondary refining process. ISIJ International. 2017;57(9):1537–1545. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2017-118Kong L., Deng Z., Zhu M. Formation and evolution of non-metallic inclusions in medium Mn steel during secondary refining process. ISIJ International. 2017;57(9):1537–1545. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2017-118Schürmann E., Bannenberg N. Die kombinierten Desoxidationsgleichgewichte mit Mangan, Aluminium und Silicium sowie ihre Bedeutung für die Einschlußbildung. Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1984;55(10):455–462. (In Germ.). https://doi.org/10.1002/srin.198405375Schürmann E., Bannenberg N. Die kombinierten Desoxidationsgleichgewichte mit Mangan, Aluminium und Silicium sowie ihre Bedeutung für die Einschlußbildung. Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1984;55(10):455–462. (In Germ.). https://doi.org/10.1002/srin.198405375Sabzi M., Farzam M. Hadfield manganese austenitic steel: A review of manufacturing processes and properties. Materials Research Express. 2019;6(10):1065c2. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab3ee3Sabzi M., Farzam M. Hadfield manganese austenitic steel: A review of manufacturing processes and properties. Materials Research Express. 2019;6(10):1065c2. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab3ee3Колокольцев В.М., Вдовин К.Н., Чернов В.П., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А., Дубровин В.К. Исследование механизмов абразивного и ударно-абразивного изнашивания высокомарганцевой стали. Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2017;15(2):54–62. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2017-15-2-54-62Kolokol’tsev V.M., Vdovin K.N., Chernov V.P., Feoktistov N.A., Gorlenko D.A., Dubrovin V.K. Study of abrasive and impact and abrasive wear mechanisms of high manganese steel. Vestnik MGTU im. G.I. Nosova. 2017;15(2): 54–62. (In Russ.). https://doi.org/10.18503/1995-2732-2017-15-2-54-62Nishigaki R., Matsuura H. Al deoxidation equilibrium of Fe–10–30 mass % Mn melt at 1873 K. Tetsu-to-Hagané. 2019;105(3):369–372. https://doi.org/10.2355/tetsutohagane.tetsu-2018-118Nishigaki R., Matsuura H. Al deoxidation equilibrium of Fe–10–30 mass % Mn melt at 1873 K. Tetsu-to-Hagané. 2019;105(3):369–372. https://doi.org/10.2355/tetsutohagane.tetsu-2018-118

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