blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2024-2-205-210blackmet-2711Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESВлияние основности на физические свойства ковшевых шлаков системы СаО ‒ SiO2 ‒ Ce2O3 ‒ Al2O3 ‒ MgOEffect of basicity on physical properties of ladle slags of CaO ‒ SiO2 ‒ Ce2O3 ‒ Al2O3 ‒ MgO systemhttps://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. Амундсена, 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/0000-0003-0852-1161ШартдиновР. Р.ShartdinovR. R.

Руслан Рафикович Шартдинов, младший научный сотрудник лаборатории стали и ферросплавов

Россия, 620016, Свердловская обл., Екатеринбург, ул. Амундсена, 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/0000-0001-9206-0905СметанниковА. Н.SmetannikovA. N.

Артем Николаевич Сметанников, младший научный сотрудник лаборатории стали и ферросплавов

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

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

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

artem.smetannikov.89@mail.ruИнститут металлургии Уральского отделения РАНРоссияInstitute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202421042024672205210Copyright © Уполовникова А.Г., Шартдинов Р.Р., Сметанников А.Н., 20242024Уполовникова А.Г., Шартдинов Р.Р., Сметанников А.Н.Upolovnikova A.G., Shartdinov R.R., Smetannikov A.N.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/2711

Исследованы физические свойства шлаков системы СаО ‒ SiO2 ‒ Ce2O3 ‒ Al2O3 ‒ MgO, содержащих оксид церия. В основе разработанных шлаков кальций-силикатная система, основность (CaO)/(SiO2) которой оказывает большое влияние на свойства шлака. Обобщение результатов выполненных исследований позволило получить новые данные о влиянии основности в церийсодержащих шлаках изучаемой оксидной системы на вязкость, температуру начала кристаллизации и структуру. Экспериментальные исследования физических свойств этих шлаков показали, что c ростом основности от 2,0 до 5,0 наблюдается рост температуры начала кристаллизации и вязкости, что связано со структурой формируемых шлаков. Повышение основности способствует повышению вязкости от 0,20 до 0,41 Па·с при температуре 1500 °С и повышению температуры кристаллизации от 1397 до 1497 °С. Полученные результаты показали, что на структуру церийсодержащего шлака влияют как ион Si4+, так и ион Al3+, которые являются сеткообразователями. Ионы кремния в рассматриваемой системе присутствуют в виде [SiO4 ]-тетраэдров, тогда как ионы алюминия присутствуют в виде [AlO4 ]-тетраэдров и [AlO6 ]-октаэдров. С повышением основности от 2,0 до 2,5 кремниевая структура усложняется, а затем при основности 3,5 ‒ 5,0 упрощается. Алюминатная структура усложняется за счет повышения содержания оксида СаО, который участвует в компенсации заряда полимеризованных структурных единиц [AlO4 ]-тетраэдров с образованием более стабильной тетраэдрической структуры, и, как следствие, повышенной вязкости шлака. Шлаки изучаемой оксидной системы, содержащие 15 % Ce2О3 , характеризуются в рассматриваемом диапазоне основности достаточно высокой жидкоподвижностью.

The authors studied the physical properties of the slags of CaO ‒ SiO2 ‒ Al2O3 ‒ MgO system containing cerium oxide. The developed slags are based on a calcium silicate system, the basicity (CaO)/(SiO2) of which has a great influence on the slag properties. Generalization of the performed studies results allowed obtaining new data on the effect of basicity in cerium-containing slags of the studied oxide system on viscosity, temperature of crystallization onset and structure. Experimental studies of the physical properties of cerium-containing slags showed that with an increase in basicity of 2.0 ‒ 5.0, an increase in temperature of crystallization onset and viscosity is observed associated with structure of the formed slags. An increase in basicity from 2.0 to 5.0 contributes to an increase in viscosity from 0.20 to 0.41 Pa·s at 1500 °C and an increase in the crystallization temperature from 1397 to 1497 °C. The structural analysis showed that the structure of the cerium-containing slag is influenced by both the Si4+ ion and the Al3+ ion, which are grid-forming agents. Silicon ions in this system are present in the form of [SiO4 ]-tetrahedra, whereas aluminum ions are present in form of [AlO4]-tetrahedra and [AlO6]-octahedra. With an increase in basicity 2.0 to 2.5, the silicon structure becomes more complicated, and then at a basicity of 3.5 ‒ 5.0 it becomes simpler, whereas the aluminate one becomes more complicated due to an increase in the content of CaO, which participates in charge compensation of polymerized structural units [AlO4 ]-tetrahedra with the formation of a more stable tetrahedral structure, and as a result of increased slag viscosity. Slags of the studied oxide system containing 15 % Ce2O3 are characterized by a sufficiently high liquid mobility in the considered basicity range.

вязкостьтемпература начала кристаллизациирамановская спектроскопияоксид церияшлакфазовый составструктура шлакаviscositycrystallization temperatureRaman spectroscopycerium oxideslagphase compositionslag structureИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-00975, https://rscf.ru/project/22-29-00975/.The research was supported by the Russian Science Foundation, grant No. 22-29-00975, https://rscf.ru/project/22-29-00975/.ReferencesПопель С.И. Теория металлургических процессов. Москва: Металлургия; 1986:463.Popel’ S.I. Theory of Metallurgical Processes. Moscow: Me­tallurgiya; 1986:463. (In Russ.).Соколов Г.А. Внепечное рафинирование стали. Москва: Металлургия; 1977:208.Sokolov G.A. Extra-Furnace Refining of Steel. Moscow: Metallurgiya; 1977:208. (In Russ.).Wu C., Cheng G., Long H. Effect of Ce2O3 and CaO/Al2O3 on the phase, melting temperature and viscosity of CaO ‒ Al2O3 ‒ 10 mass % SiO2 based slags. High Temperature Materials and Processes. 2014;33(1):77–84. http://dx.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 % SiO2 based slags. High Temperature Materials and Processes. 2014;33(1):77–84. http://dx.doi.org/10.1515/htmp-2013-0025Liu C., Qi J., Sun J., Zhang X. Design and fluidity research of a new tundish flux for rare earth steel. Journal of Sustainable Metallurgy. 2022;8:1104–1116. https://doi.org/10.1007/s40831-022-00544-6Liu C., Qi J., Sun J., Zhang X. Design and fluidity research of a new tundish flux for rare earth steel. Journal of Sustainable Metallurgy. 2022;8:1104–1116. https://doi.org/10.1007/s40831-022-00544-6Zheng X., Liu C. Effect of Ce2O3 on the melt structure and properties of CaO – Al2O3-based slag. ISIJ International. 2022;62(6):1091–1098. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2021-545Zheng X., Liu C. Effect of Ce2O3 on the melt structure and properties of CaO – Al2O3-based slag. ISIJ International. 2022;62(6):1091–1098. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2021-545Wang L.J., Wang Q., Li J.M., Chou K.C. Dissolution mechanism of Al2O3 in refining slags containing Ce2O3 . Journal of Mining and Metallurgy, Section B: Metallurgy. 2016;52(1): 35‒40. https://doi.org/10.2298/JMMB140706004WWang L.J., Wang Q., Li J.M., Chou K.C. Dissolution mechanism of Al2O3 in refining slags containing Ce2O3 . Journal of Mining and Metallurgy, Section B: Metallurgy. 2016;52(1): 35‒40. https://doi.org/10.2298/JMMB140706004WLiu Y.Q., Wang L.J., Chou K.C. Dissolution behavior of Al2O3 in refining slags containing Ce2O3. ISIJ International. 2014;54(4):728–733. http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.54.728Liu Y.Q., Wang L.J., Chou K.C. Dissolution behavior of Al2O3 in refining slags containing Ce2O3. ISIJ International. 2014;54(4):728–733. http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.54.728Cao J., Li Y., Lin W., Che J., Zhou F., Tan Y., Li D., Chen C., Dang J. Assessment of inclusion removal ability in refining slags containing Ce2O3. Crystals. 2023;13(2):202. https://doi.org/10.3390/cryst13020202Cao J., Li Y., Lin W., Che J., Zhou F., Tan Y., Li D., Chen C., Dang J. Assessment of inclusion removal ability in refining slags containing Ce2O3. Crystals. 2023;13(2):202. https://doi.org/10.3390/cryst13020202Yang X., Long H., Cheng G., Wu C., Wu B. Effect of refining slag containing Ce2O3 on steel cleanliness. Journal of Rare Earths. 2011;29(11):1079–1083. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(10)60602-3Yang X., Long H., Cheng G., Wu C., Wu B. Effect of refining slag containing Ce2O3 on steel cleanliness. Journal of Rare Earths. 2011;29(11):1079–1083. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(10)60602-3Babenko A.A., Smirnov L.A., Upolovnikova A.G., Shartdinov R.R. Study of possibility of cerium reduction from slags of CaO–SiO2–Ce2O3–15%Al2O3–8%MgO system. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;966:012010. https://doi.org/10.1088/1757-899X/966/1/012010Babenko A.A., Smirnov L.A., Upolovnikova A.G., Shartdinov R.R. Study of possibility of cerium reduction from slags of CaO–SiO2–Ce2O3–15%Al2O3–8%MgO system. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;966:012010. https://doi.org/10.1088/1757-899X/966/1/012010Уполовникова А.Г., Бабенко А.А., Смирнов Л.А., Михайлова Л.Ю. Прямое микролегирование стали церием под шлаками системы СаО – SiO2 – Ce2O3 – 15 % Al2O3 – 8 % MgO дополнительными восстановителями. Известия вузов. Черная Металлургия. 2021;64(8):581–587. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-8-581-587Upolovnikova A.G., Babenko A.A., Smirnov L.A., Mikhai­lova L.Yu. Direct microalloying of steel with cerium under slags of СаО – SiO2 – Ce2O3 – 15 % Al2O3 – 8 % MgO system with additional reducing agents. Izvestiya. Ferrous Metal­lurgy. 2021;64(8):581–587. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-8-581-587Кудрин В.А. Внепечная обработка чугуна и стали. Москва: Металлургия; 1992:336.Kudrin V.A. Extra-Furnace Treatment of Cast Iron and Steel. Moscow: Metallurgiya;1992:336. (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.Бёккер Ю. Спектроскопия. Москва: РИЦ Техносфера; 2009:528.Böcker J. Spektroskopie. Instrumentelle Analytik mit Atom- und Molekülspektrometrie. Würzburg: Vogel Buchverlag; 1997:519. (In Germ.).Zhang R., Wang Z., Meng Y., Jiao S., Jia J., Min Y., Liu C. Quantitative insight into aluminum structures in CaO–Al2O3–SiO2 system via Raman and 27Al MAS-NMR spectroscopies. Journal of Non-Crystalline Solids. 2021;573:121116. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2021.121116Zhang R., Wang Z., Meng Y., Jiao S., Jia J., Min Y., Liu C. Quantitative insight into aluminum structures in CaO–Al2O3–SiO2 system via Raman and 27Al MAS-NMR spectroscopies. Journal of Non-Crystalline Solids. 2021;573:121116. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2021.121116Kim T.S., Park J.H. Structure-viscosity relationship of low-silica calcium aluminsilicate 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 aluminsilicate melts. ISIJ International. 2014;54(9):2031–2038. https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.2031Gao J., Wen G., Huang T., Tang P., Liu Q. Effects of the composition on the structure and viscosity of the CaO–SiO2-based mold flux. Journal of Non-Crystalline Solids. 2016; 435:33–39. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2016.01.001Gao J., Wen G., Huang T., Tang P., Liu Q. Effects of the composition on the structure and viscosity of the CaO–SiO2-based mold flux. Journal of Non-Crystalline Solids. 2016; 435:33–39. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2016.01.001Zheng D.-L., Ma G.-J., Zhang X., Liu M.-K., Xu J. Effect of CaO/Al2O3 on structure, viscosity, and surface tension of electroslag remelting-type CeO2-bearing slag. Journal of Iron and Steel Research International. 2023;30:717–725. https://doi.org/10.1007/s42243-022-00844-xZheng D.-L., Ma G.-J., Zhang X., Liu M.-K., Xu J. Effect of CaO/Al2O3 on structure, viscosity, and surface tension of electroslag remelting-type CeO2-bearing slag. Journal of Iron and Steel Research International. 2023;30:717–725. https://doi.org/10.1007/s42243-022-00844-xQi J., Liu C., Zhang C., Jiang M. Effect of Ce2O3 on structure, viscosity, and crystalline phase of CaO–Al2O3–Li2O–Ce2O3. Metallurgical and Materials Transactions B. 2017;48:11–16. https://doi.org/10.1007/s11663-016-0850-3Qi J., Liu C., Zhang C., Jiang M. Effect of Ce2O3 on structure, viscosity, and crystalline phase of CaO–Al2O3–Li2O–Ce2O3. Metallurgical and Materials Transactions B. 2017;48:11–16. https://doi.org/10.1007/s11663-016-0850-3Zheng X., Liu C. Investigation of CaO/Al2O3 mass ratio on the properties and structure of Ce2O3-containing CaO–Al2O3-based tundish flux. ISIJ International. 2022;62(3): 418–425. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2021-438Zheng X., Liu C. Investigation of CaO/Al2O3 mass ratio on the properties and structure of Ce2O3-containing CaO–Al2O3-based tundish flux. ISIJ International. 2022;62(3):418–425. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2021-438Lin S.-L., Hwang C.-S. Structures of CeO2–A12O3–SiO2 glasses. Japanese Journal of Applied Physics. 1996;35(7R): 3975. https://doi.org/10.1143/JJAP.35.3975Lin S.-L., Hwang C.-S. Structures of CeO2–A12O3–SiO2 glasses. Japanese Journal of Applied Physics. 1996;35(7R): 3975. https://doi.org/10.1143/JJAP.35.3975

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