blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-6-743-749blackmet-2665Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESВлияние основности на физические свойства шлаков системы СаО – SiO2 – 18 % Cr2O3 – 6 % B2O3 – 3 % Аl2O3 – 8 % МgOInfluence of basicity on physical properties of slags of the СаО – SiO2 – 18 % Cr2O3 – 6 % B2O3 – 3 % Аl2O3 – 8 % МgO systemhttps://orcid.org/0000-0003-0734-6162БабенкоА. А.BabenkoA. A.

Анатолий Алексеевич Бабенко, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник

Россия, 620016, Свердловская обл., Екатеринбург, ул. Амудсена, 101

Anatolii A. Babenko, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Chief Researcher

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

babenko251@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-0852-1161ШартдиновР. Р.ShartdinovR. R.

Руслан Рафикович Шартдинов, младший научный сотрудник лаборатории стали и ферросплавов

Россия, 620016, Свердловская обл., Екатеринбург, ул. Амудсена, 101

Ruslan R. Shartdinov, Junior Researcher of the Laboratory of Steel and Ferroalloys

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

rr.shartdinov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6698-5565УполовниковаА. Г.UpolovnikovaA. G.

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

Россия, 620016, Свердловская обл., Екатеринбург, ул. Амудсена, 101

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

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

upol.ru@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9206-0905СметанниковА. Н.SmetannikovA. N.

Артем Николаевич Сметанников, младший научный сотрудник лаборатории стали и ферросплавов

Россия, 620016, Свердловская обл., Екатеринбург, ул. Амудсена, 101

Artem N. Smetannikov, Junior Researcher of the Laboratory of Steel and Ferroalloys

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

artem.smetannikov.89@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0007-5659-1208ЛобановД. А.LobanovD. A.

Даниил Андреевич Лобанов, к.т.н., научный сотрудник

Россия, 620016, Свердловская обл., Екатеринбург, ул. Амудсена, 101

Daniil A. Lobanov, Cand. Sci. (Eng.), Research Associate

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

summerdanny@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6632-9533ДолматовА. В.DolmatovA. V.

Алексей Владимирович Долматов, к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории металлургических расплавов

Россия, 620016, Свердловская обл., Екатеринбург, ул. Амудсена, 101

Aleksei V. Dolmatov, Cand. Sci. (Chem.), Senior Researcher of the Laboratory of Metallurgical Melts

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

dolmatov.imet@gmail.comИнститут металлургии Уральского отделения РАНРоссияInstitute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202329122023666743749Copyright © Бабенко А.А., Шартдинов Р.Р., Уполовникова А.Г., Сметанников А.Н., Лобанов Д.А., Долматов А.В., 20232023Бабенко А.А., Шартдинов Р.Р., Уполовникова А.Г., Сметанников А.Н., Лобанов Д.А., Долматов А.В.Babenko A.A., Shartdinov R.R., Upolovnikova A.G., Smetannikov A.N., Lobanov D.A., Dolmatov A.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/2665

В работе исследовано влияние основности на вязкость, температуру начала кристаллизации, фазовый состав и структуру шлаков системы СаО – SiO2 – 18 % Cr2O3 – 6 % B2O3 – 3 % Аl2O3 – 8 % МgO в диапазоне основности от 1,0 до 2,5 методами вибрационной вискозиметрии, термодинамического моделирования и рамановской спектроскопии. Физические свойства шлаков зависят от баланса процессов полимеризации и формирования фазового состава. Кислые шлаки основностью 1,0 относятся к категории «длинных» шлаков и характеризуются повышенной (до 34,1 %) долей высокотемпературных фаз. Однако, несмотря на то, что доля высокотемпературных фаз в 1,6 раза выше по сравнению с долей низкотемпературных фаз, они характеризуются более простой силикатной структурой, обеспечивая при температуре начала кристаллизации 1530 °С вязкость не более 0,25 Па·с. Рост основности (до 2,5) шлаков изучаемой оксидной системы, наряду с повышением (примерно в 5,9 раза) доли высокотемпературных фаз, сопровождается формированием более сложной силикатной структуры. Образующиеся четырехкоординационные структурные элементы [CrO4 ] и [AlO4 ] встраиваются в кремний-кислородную решетку и усложняют ее, что повышает степень полимеризации. Таким образом, при основности 2,5, в связи с высокой долей высокотемпературных фаз в шлаке и развитием процесса полимеризации, температура начала кристаллизации шлака возрастает до 1700 °C, а его вязкость достигает 1,0 Па·с при температуре 1670 °C.

Influence of basicity on viscosity, crystallization onset temperature, phase composition, and structure of slags of the СаО – SiO2 – 18 % Cr2O3 – 6 % B2O3 – 3 % Аl2O3 – 8 % МgO system in the basicity range (B = CaO/SiO2 ) from 1.0 up to 2.5 was studied using vibrational viscometry, thermodynamic modeling, and Raman spectroscopy. It was established that the physical properties of slags depend on the balance of polymerization degree and phase composition. Acid slags with a basicity of 1.0 belong to the category of “long” slags and are characterized by an increased proportion of high-temperature phases up to 34.1 %. However, despite the fact that the proportion of high-temperature phases is 1.6 times higher compared to the proportion of low-temperature ones, they are characterized by a simpler silicate structure, providing a viscosity of no more than 0.25 Pa·s at a crystallization onset temperature of 1530 °C. An increase in basicity of slags of the studied oxide system (up to 2.5), along with an increase in the proportion of high-temperature phases (by almost 5.9 times), is accompanied by formation of a more complex silicate structure. The resulting four-coordination structural elements [CrO4] and [AlO4] are embedded in the silicate structure and complicate it, which increases the polymerization degree. Thus, at basicity of 2.5, due to a high proportion of high-temperature phases in the slag and development of polymerization process, slag crystallization onset temperature increases to 1700 °C and its viscosity reaches 1.0 Pa·s at a temperature of 1670 °C.

АКР-шлакоксид бораоксид хромаструктуравязкостьфазовый составтемпература начала кристаллизацииAOD-slagboron oxidechromium oxidestructureviscosityphase compositioncrystallization onset temperatureРабота выполнена по государственному заданию Института металлургии Уральского отделения РАН с использованием оборудования ЦКП «Состав вещества» Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН.The work was performed according to the state assignment of the Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences using the equipment of the Shared Access Center “Composition of Compounds” of Institute of High Temperature Electronics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences.ReferencesKalicka Z., Kawecka-Cebula E., Pytel K. Application of the Iida model for estimation of slag viscosity for Al2O3-Cr2O3-CaO-CaF2. Archives of Metallurgy and Materials. 2009;54(1):179–187.Kalicka Z., Kawecka-Cebula E., Pytel K. Application of the Iida model for estimation of slag viscosity for Al2O3-Cr2O3-CaO-CaF2. Archives of Metallurgy and Materials. 2009;54(1):179–187.Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В. Производство стали. В 3-х томах. Т. 3. Внепечная металлургия стали. Москва: Теплотехник; 2010:544.Dyudkin D.A., Kisilenko V.V. Production of Steel. In 3 vols. Vol. 3. Extra-Furnace Metallurgy of Steel. Moscow: Teplotekhnik; 2010:544. (In Russ.).Wang H.-M., Li G.-R., Li B., Zhang X.-J., Yan Y.-Q. Effect of B2O3 on melting temperature of cao-based ladle refining slag. Journal of Iron and Steel Research International. 2010;17(10):18–22. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(10)60177-XWang H.M., Li G.R., Li B., Zhang X.J., Yan Y.Q. Effect of B2O3 on melting temperature of cao-based ladle refining slag. Journal of Iron and Steel Research International. 2010;17(10):18–22. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(10)60177-XWang, H.M., Zhang, T.W., Zhu, H., Yan, Y.Q., Zhao Y.N. Effect of B2O3 and CaF2 on viscosity of ladle refining slag. Advanced Materials Research. 2011;295–297:2647. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.295-297.2647Wang, H.M., Zhang, T.W., Zhu, H., Yan, Y.Q., Zhao Y.N. Effect of B2O3 and CaF2 on viscosity of ladle refining slag. Advanced Materials Research. 2011;295–297:2647. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.295-297.2647Бабенко А.А., Шартдинов Р.Р., Уполовникова А.Г., Сметанников А.Н., Гуляков В.С. Физические свойства шлаков системы CaO – SiO2 – B2O3, содержащей 15 % Al2O3 И 8 % MgO. Известия вузов. Черная металлургия. 2019;62(10):769–773. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-10-769-773Babenko A.A., Shartdinov R.R., Upolovnikova A.G., Smetannikov A.N., Gulyakov V.S. Physical properties of slags of CaO – SiO2 – B2O3 system containing 15 % of Al2O3 and 8 % of MgO. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019;62(10):769–773. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-10-769-773Токовой О.К. Аргонокислородное рафинирование нержавеющей стали. Челябинск: ИЦ ЮУрГУ; 2015:250.Tokovoi O.K. Argon-Oxygen Refining of Stainless Steel. Chelyabinsk: South Ural State University; 2015:250. (In Russ.).Штенгельмейер С.В., Прусов В.А., Богачев В.А. Усовершенствование методики измерения вязкости вибрационным вискозиметром. Заводская лаборатория. 1985;51(9):56–57.Shtengel’meier S.V., Prusov V.A., Bogachev V.A. Improvement of the viscosity measurement technique with a vibrating viscometer. Zavodskaya laboratoriya. 1985;51(9):56–57. (In Russ.).Воскобойников В.Г., Дунаев Н.Е., Михалевич А.Г., Кухтин Т.И., Штенгельмейер С.В. Свойства жидких доменных шлаков. Москва: Металлургия; 1975:180.Voskoboinikov V.G., Dunaev N.E., Mikhalevich A.G, Kukhtin T.I., Shtengel’meier S.V. Properties of Liquid Blast Furnace Slags. Moscow: Metallurgiya; 1975:180. (In Russ.).Roine A. HSC 6.0 Chemistry Reactions and Equilibrium Software with Extensive Thermochemical Database and Flowshut. Pori: Outokumpu research Oy; 2006:448.Roine A. HSC 6.0 Chemistry Reactions and Equilibrium Software with Extensive Thermochemical Database and Flowshut. Pori: Outokumpu research Oy; 2006:448.Бёккер Ю. Спектроскопия. / пер. Л.Н. Казанцева. Москва: РИЦ Техносфера, 2009:528.Böcker J. Spektroskopie: Instrumentelle Analytik mit Atom- und Molekülspektrometrie. Würzburg: Vogel Communications Group GmbH & Co. KG; 1997:519. (In Germ.).McMillan P. Structural studies of silicate glasses and melts-applications and limitations of Raman spectroscopy. American Mineralogist. 1984;69(6):622–644.McMillan P. Structural studies of silicate glasses and melts-applications and limitations of Raman spectroscopy. American Mineralogist. 1984;69(6):622–644.Matson D.W., Sharma S.K., Philpotts J.A. The structure of high-silica alkali-silicate glasses. A Raman spectroscopic in vestigation. Journal of Non-Crystalline Solids. 1983;58(2–3):323–352. https://doi.org/10.1016/0022-3093(83)90032-7Matson D.W., Sharma S.K., Philpotts J.A. The structure of high-silica alkali-silicate glasses. A Raman spectroscopic in vestigation. Journal of Non-Crystalline Solids. 1983;58(2–3):323–352. https://doi.org/10.1016/0022-3093(83)90032-7McMillan P.F., Poe B.T., Gillet P.H., Reynard B. A study of SiO2 glass and supercooled liquid to 1950 K via high-temperature Raman spectroscopy. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2001;58(17):3653–3662. https://doi.org/10.1016/0016-7037(94)90156-2McMillan P.F., Poe B.T., Gillet P.H., Reynard B. A study of SiO2 glass and supercooled liquid to 1950 K via high-temperature Raman spectroscopy. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2001;58(17):3653–3662. https://doi.org/10.1016/0016-7037(94)90156-2Kim T.S., Park J.H. Structure-viscosity relationship of low-silica calcium aluminosilicate melts. ISIJ International. 2014;54(9):2031–2038. https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.2031Kim T.S., Park J.H. Structure-viscosity relationship of low-silica calcium aluminosilicate melts. ISIJ International. 2014;54(9):2031–2038. https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.2031Dines T.J., Inglis S. Raman spectroscopic study of supported chromium (VI) oxide catalysts. Physical Chemistry Chemical Physics. 2003;5(6):1320–1328. https://doi.org/10.1039/b211857bDines T.J., Inglis S. Raman spectroscopic study of supported chromium (VI) oxide catalysts. Physical Chemistry Chemical Physics. 2003;5(6):1320–1328. https://doi.org/10.1039/b211857bWeckhuysen B.M., Wachs I.F. Raman spectroscopy of supported chromium oxide catalysts. Determination of chromium—oxygen bond distances and bond orders. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions. 1996;92(11):1969–1973. https://doi.org/10.1039/FT9969201969Weckhuysen B.M., Wachs I.F. Raman spectroscopy of supported chromium oxide catalysts. Determination of chromium—oxygen bond distances and bond orders. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions. 1996;92(11):1969–1973. https://doi.org/10.1039/FT9969201969Kim Y., Morita K. Relationship between molten oxide structure and thermal conductivity in the CaO–SiO2–B2O3 system. ISIJ International. 2014;54(9):2077–2083. https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.2077Kim Y., Morita K. Relationship between molten oxide structure and thermal conductivity in the CaO–SiO2–B2O3 system. ISIJ International. 2014;54(9):2077–2083. https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.2077Cochain B., Neuville D.R., Henderson G.S., McCammon C.A., Pinet O., Richet P. Effects of the iron content and redox state on the structure of sodium borosilicate glasses: A Raman, Mössbauer and boron K‐Edge XANES spectroscopy study. Journal of the American Ceramic Society.2012;95(3):962–971. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.05020.xCochain B., Neuville D.R., Henderson G.S., McCammon C.A., Pinet O., Richet P. Effects of the iron content and redox state on the structure of sodium borosilicate glasses: A Raman, Mössbauer and boron K‐Edge XANES spectroscopy study. Journal of the American Ceramic Society.2012;95(3):962–971. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.05020.xLi Q., Gao J., Zhang Y., An Z., Guo Z. Viscosity measurement and structure analysis of Cr2O3-bearing CaO-SiO2-MgO-Al2O3 slags. Metallurgical and Materials Transactions B. 2017;48:346–356. https://doi.org/10.1007/s11663-016-0858-8Li Q., Gao J., Zhang Y., An Z., Guo Z. Viscosity measurement and structure analysis of Cr2O3-bearing CaO-SiO2-MgO-Al2O3 slags. Metallurgical and Materials Transactions B. 2017;48:346–356. https://doi.org/10.1007/s11663-016-0858-8Xu R.Z., Zhang J.L., Wang Z.Y., Jiao K.X. Influence of Cr2O3 and B2O3 on viscosity and structure of high alumina slag. Steel Research International. 2017;88(4):1600241. https://doi.org/10.1002/srin.201600241Xu R.Z., Zhang J.L., Wang Z.Y., Jiao K.X. Influence of Cr2O3 and B2O3 on viscosity and structure of high alumina slag. Steel Research International. 2017;88(4):1600241. https://doi.org/10.1002/srin.201600241Sun Y., Zhang Z. Structural roles of boron and silicon in the CaO-SiO2-B2O3 glasses using FTIR, Raman, and NMR spectroscopy. Metallurgical and Materials Transactions B. 2015;46:1549–1554. https://doi.org/10.1007/s11663-015-0374-2Sun Y., Zhang Z. Structural roles of boron and silicon in the CaO-SiO2-B2O3 glasses using FTIR, Raman, and NMR spectroscopy. Metallurgical and Materials Transactions B. 2015;46:1549–1554. https://doi.org/10.1007/s11663-015-0374-2Cai Z., Song B., Li L., Liu Zh., Cui X. Effects of B2O3 on viscosity, structure, and crystallization of mold fluxes for casting rare earth alloyed steels. Metals. 2018;8(10):737. https://doi.org/doi:10.3390/met8100737Cai Z., Song B., Li L., Liu Zh., Cui X. Effects of B2O3 on viscosity, structure, and crystallization of mold fluxes for casting rare earth alloyed steels. Metals. 2018;8(10):737. https://doi.org/doi:10.3390/met8100737Mysen B.O., Virgo D., Scarfe C.M. Relations between the anionic structure and viscosity of silicate melts – a Raman spectroscopic study. American Mineralogist. 1980;65(7): 690–710.Mysen B.O., Virgo D., Scarfe C.M. Relations between the anionic structure and viscosity of silicate melts – a Raman spectroscopic study. American Mineralogist. 1980;65(7): 690–710.Forsbacka L., Holappa L., Kondratiev A., Jak E. Experimental study and modelling of viscosity of chromium containing slags. Steel Research International. 2007;78(9):676–684. http://dx.doi.org/10.1002/srin.200706269Forsbacka L., Holappa L., Kondratiev A., Jak E. Experimental study and modelling of viscosity of chromium containing slags. Steel Research International. 2007;78(9):676–684. http://dx.doi.org/10.1002/srin.200706269Wu T., Zhang Y., Yuan F., An Z. Effects of the Cr2O3 content on the viscosity of CaO-SiO2-10 Pct Al2O3-Cr2O3 quaternary slag. Metallurgical and Materials Transactions B. 2018;49:1719–1731. https://doi.org/10.1007/s11663-018-1258-zWu T., Zhang Y., Yuan F., An Z. Effects of the Cr2O3 content on the viscosity of CaO-SiO2-10 Pct Al2O3-Cr2O3 quaternary slag. Metallurgical and Materials Transactions B. 2018;49:1719–1731. https://doi.org/10.1007/s11663-018-1258-z

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