blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2025-5-468-475blackmet-2961Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEВзаимодействие керамики на основе Al2O3 со шлаковым расплавом 45 % CaO – 40 % Al2O3 – 10 % SiO2 – 5 % MgOInteraction of Al2O3-based ceramics with slag melt 45 % CaO – 40 % Al2O3 – 10 % SiO2 – 5 % MgOhttps://orcid.org/0000-0002-5028-7623АлександровА. А.AleksandrovA. A.

Александр Александрович Александров, к.т.н., старший научный сотрудник, заведующий лабораторией физикохимии металлических расплавов им. академика А.М. Самарина

Россия, 119334, Москва, Ленинский пр. 49

Aleksandr A. Aleksandrov, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Head of the A.M. Samarin Laboratory of Physical Chemistry of Metal Melts

49 Leninskii Ave., Moscow 119334, Russian Federation

a.a.aleksandrov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-2650-0818АнучкинС. Н.AnuchkinS. N.

Сергей Николаевич Анучкин, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории физикохимии металлических расплавов им. академика А.М. Самарина

Россия, 119334, Москва, Ленинский пр. 49

Sergei N. Anuchkin, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the A.M. Samarin Laboratory of Physical Chemistry of Metal Melts

49 Leninskii Ave., Moscow 119334, Russian Federation

AnuchkinSN@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9280-9442КаневскийА. Г.KanevskiyA. G.

Аким Горациевич Каневский, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории физикохимии металлических расплавов им. академика А.М. Самарина

Россия, 119334, Москва, Ленинский пр. 49

Akim G. Kanevskiy, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the A.M. Samarin Laboratory of Physical Chemistry of Metal Melts

49 Leninskii Ave., Moscow 119334, Russian Federation

akanev48@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-4508-2524РумянцеваС. Б.RumyantsevaS. B.

Софья Борисовна Румянцева, к.т.н, научный сотрудник лаборатории диагностики материалов

Россия, 119334, Москва, Ленинский пр. 49

Sof’ya B. Rumyantseva, Cand. Sci. (Eng.), Research Associate of the Laboratory of Materials Diagnostics

49 Leninskii Ave., Moscow 119334, Russian Federation

sbvarlamova@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-5669-4262ГригоровичК. В.GrigorovichK. V.

Константин Всеволодович Григорович, академик РАН, д.т.н., заведующий лабораторией диагностики материалов, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; профессор кафедры металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»

Россия, 119334, Москва, Ленинский пр. 49

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Konstantin V. Grigorovich, Academician, Dr. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory of Materials Diagnostics, Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences; Prof. of the Chair of Metallurgy of Steel, New Production Technologies and Metal Protection, National University of Science and Technology “MISIS”

49 Leninskii Ave., Moscow 119334, Russian Federation

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

grigorov@imet.ac.ruИнститут металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАНРоссияBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences; National University of Science and Technology “MISIS”Russian Federation202508112025685468475Copyright © Александров А.А., Анучкин С.Н., Каневский А.Г., Румянцева С.Б., Григорович К.В., 20252025Александров А.А., Анучкин С.Н., Каневский А.Г., Румянцева С.Б., Григорович К.В.Aleksandrov A.A., Anuchkin S.N., Kanevskiy A.G., Rumyantseva S.B., Grigorovich K.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/2961

При выплавке стали огнеупорный материал, используемый в качестве футеровки, легко разрушается за счет шлака, что не только уменьшает срок службы керамики, но и снижает качество продукции, увеличивая количество неметаллических включений в металле. Если шлак имеет хорошую смачиваемость, то он стремится проникнуть в огнеупор через поры и трещины. В результате образуется пограничный слой со структурой и свойствами, отличными от исходного огнеупора. В данной работе для исследования взаимо­действия огнеупорного материала на базе Al2O3 с жидким шлаком 45 % CaO – 40 % Al2O3 – 10 % SiO2 – 5 % MgO был использован метод лежащей капли. Показано существенное снижение значений краевого угла смачивания до 20° в первые 5 мин опыта и последующее незначительное уменьшение до 13,5° в течение 115 мин. Исследована микроструктура и выполнено элементное картирование границ поперечных срезов шлака и керамики. Показано, что шлак состоит из нескольких фаз: Ca2(Mg0,25Al0,75)(Si1,25Al0,75O7 ), CaAl2O4 , CaAl4O7 и MgAl2O4 . Обнаружено, что пограничный слой шлак – керамика состоит из алюмината кальция (CaAl4O7 ), а на границах зерен оксида алюминия огнеупора происходит образование фазы ибонита (CaAl12O19 ). Рентгенофазовый анализ исходной керамики показал, что она содержит ~8 % CaAl4O7 , а после взаимодействия со шлаком ~32 % CaAl12O19 . Анализ керамики на глубине около 4 мм показал при­сутствие алюминатов кальция как в центральной, так и в краевых областях. Это указывает на проникновение шлака в керамику и его химическое взаимо­действие с ней.

In steelmaking, the refractory material used as a lining is easily destroyed by slag, which not only decreases the service life of ceramics but also makes worse a production quality because of increase in the number of nonmetallic inclusions in metal. If the slag has good wettability, it tends to penetrate the refractory through pores and cracks. As a result, a boundary layer is formed, which has a structure and properties different from the initial material. The sessile drop method was used to study the interaction of Al2O3-based refractory ceramics with the liquid slag 45 % CaO – 40 % Al2O3 – 10 % SiO2 – 5 % MgO. The substantial decrease in the wetting angle to 20° in the initial 5 min of experiment and the further small decrease to 13.5° in the next 115 min were observed. The microstructural examination and elemental mapping of the boundaries of cross sections of slag and ceramics were carried out. The slag consists of several phases, namely: Ca2(Mg0.25Al0.75 )(Si1.25Al0.75O7 ); CaAl2O4 , CaAl4O7 and MgAl2O4 . As was found, the slag–ceramics boundary layer consisted of calcium aluminate (CaAl4O7 ) and, at the grain bounda­ries of aluminum oxide in the refractory material, hibonite (CaAl12O19 ) was formed. X-ray diffraction analysis of initial ceramics showed that it contained ~8 % CaAl4O7 , and after interaction with the slag ~32 % CaAl12O19 . At a depth of 4 mm, the presence of calcium aluminates both in the central and peripheral zones of ceramics was observed. This indicates the slag penetration into the ceramics and their chemical interaction.

огнеупорная керамикашлакоксид алюминиявзаимодействие шлак – керамикакраевой угол смачиваниямикроструктурарентгенофазовый анализrefractory ceramicsslagaluminum oxideslag–ceramics interactionwetting anglemicrostructureX-ray diffraction analysisРабота выполнена по государственному заданию 075-00319-25-00. Авторы выражают благодарность Михайловой А.Б., Ракитину А.А., Демину К.Ю. и Морозову А.О. за помощь в работе.ReferencesHan J.S., Kang J.G., Shin J.H., Chung Y., Park J.H. Influence of CaF2 in calcium aluminate-based slag on the degradation of magnesia refractory. Ceramics International. 2018;44(11):13197–13204. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.04.145Han J.S., Kang J.G., Shin J.H., Chung Y., Park J.H. Influence of CaF2 in calcium aluminate-based slag on the degradation of magnesia refractory. Ceramics International. 2018;44(11):13197–13204. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.04.145Ren X.M., Ma B.Y., Li S.M., Li H.X., Liu G.Q., Yang W.G., Qian F., Zhao S.X., Yu J.K. Comparison study of slag corrosion resistance of MgO–MgAl2O4 , MgO–CaO and MgO–C refractories under electromagnetic field. Journal of Iron Steel Research International. 2021;28(1):38–45. https://doi.org/10.1007/s42243-020-00421-0Ren X.M., Ma B.Y., Li S.M., Li H.X., Liu G.Q., Yang W.G., Qian F., Zhao S.X., Yu J.K. Comparison study of slag corrosion resistance of MgO–MgAl2O4 , MgO–CaO and MgO–C refractories under electromagnetic field. Journal of Iron Steel Research International. 2021;28(1):38–45. https://doi.org/10.1007/s42243-020-00421-0Yan Z., Deng Z., Zhu M. Penetration behavior of CaO–SiO2–FeOx–MgO–(CaCl2) slags in MgO refractory. Metallurgical and Materials Transactions B. 2023;54(3):1582–1592. https://doi.org/10.1007/s11663-023-02787-4Yan Z., Deng Z., Zhu M. Penetration behavior of CaO–SiO2–FeOx–MgO–(CaCl2) slags in MgO refractory. Metallurgical and Materials Transactions B. 2023;54(3):1582–1592. https://doi.org/10.1007/s11663-023-02787-4Park J.H., Suk M.O., Jung I.H., Guo M., Blanpain B. Interfacial reaction between refractory materials and metallurgical slags containing fluoride. Steel Research International. 2010; 81(10):860–868. https://doi.org/10.1002/srin.201000157Park J.H., Suk M.O., Jung I.H., Guo M., Blanpain B. Interfacial reaction between refractory materials and metallurgical slags containing fluoride. Steel Research International. 2010; 81(10):860–868. https://doi.org/10.1002/srin.201000157Wang Y.-x., Li Y.-g., Gao Y.-b., Huang Zh., Zhang H.-j. High-temperature wetting behavior between slag and refractory. Journal of Iron Steel Research International. 2024;31: 1304–1319. https://doi.org/10.1007/s42243-024-01252-zWang Y.-x., Li Y.-g., Gao Y.-b., Huang Zh., Zhang H.-j. High-temperature wetting behavior between slag and refractory. Journal of Iron Steel Research International. 2024;31: 1304–1319. https://doi.org/10.1007/s42243-024-01252-zGehre P., Aneziris C.G., Berek H., Parr C., Reinmöller M. Corrosion of magnesium aluminate spinel-rich refractories by sulphur-containing slag. Journal of the European Ceramic Society. 2015;35(5):1613–1620. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.11.031Gehre P., Aneziris C.G., Berek H., Parr C., Reinmöller M. Corrosion of magnesium aluminate spinel-rich refractories by sulphur-containing slag. Journal of the European Ceramic Society. 2015;35(5):1613–1620. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.11.031Park J., Lee K., Pak J.J., Chung Y. Initial wetting and sprea­ding phenomena of a CaO–SiO2 liquid slag on MgO substrates. ISIJ International. 2014;54(9):2059–2063. https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.2059Park J., Lee K., Pak J.J., Chung Y. Initial wetting and sprea­ding phenomena of a CaO–SiO2 liquid slag on MgO substrates. ISIJ International. 2014;54(9):2059–2063. https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.2059Yu B., Lv X., Xiang S., Bai C., Yin J. Wetting behavior of calcium ferrite melts on sintered MgO. ISIJ International. 2015;55(8):1558–1564. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2014-830Yu B., Lv X., Xiang S., Bai C., Yin J. Wetting behavior of calcium ferrite melts on sintered MgO. ISIJ International. 2015;55(8):1558–1564. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2014-830Park J., Jeon J., Lee K., Park J.H., Chung Y. Initial wetting and spreading rates between SiC and CaO–SiO2–MnO slag. Metallurgical and Materials Transactions B. 2016;47(3): 1832–1838. https://doi.org/10.1007/s11663-016-0606-0Park J., Jeon J., Lee K., Park J.H., Chung Y. Initial wetting and spreading rates between SiC and CaO–SiO2–MnO slag. Metallurgical and Materials Transactions B. 2016;47(3): 1832–1838. https://doi.org/10.1007/s11663-016-0606-0Huang F., Liu C., Maruoka N., Kitamura S.Y. Dissolution behaviour of MgO based refractories in CaO–Al2O3–SiO2 slag. Ironmaking & Steelmaking. 2015;42(7):553–560. https://doi.org/10.1179/1743281215Y.0000000003Huang F., Liu C., Maruoka N., Kitamura S.Y. Dissolution behaviour of MgO based refractories in CaO–Al2O3–SiO2 slag. Ironmaking & Steelmaking. 2015;42(7):553–560. https://doi.org/10.1179/1743281215Y.0000000003Zou Y., Huang A., Wang R., Fu L., Gu H., Li G. Slag corrosion-resistance mechanism of lightweight magnesia-based refractories under a static magnetic field. Corrosion Science. 2020; 167:108517. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108517Zou Y., Huang A., Wang R., Fu L., Gu H., Li G. Slag corrosion-resistance mechanism of lightweight magnesia-based refractories under a static magnetic field. Corrosion Science. 2020; 167:108517. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108517Fu L., Huang A., Lian P., Gu H. Isolation or corrosion of microporous alumina in contact with various CaO–Al2O3–SiO2 slags. Corrosion Science. 2017;120:211–218. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2017.01.018Fu L., Huang A., Lian P., Gu H. Isolation or corrosion of microporous alumina in contact with various CaO–Al2O3–SiO2 slags. Corrosion Science. 2017;120:211–218. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2017.01.018Ren X., Ma B., Li S., Li H., Liu G., Zhao S., Yang W., Qian F., Yu J. Slag corrosion characteristics of MgO-based refractories under vacuum electromagnetic field. Journal of the Australian Ceramic Society. 2019;55:913–920. https://doi.org/10.1007/s41779-019-00323-9Ren X., Ma B., Li S., Li H., Liu G., Zhao S., Yang W., Qian F., Yu J. Slag corrosion characteristics of MgO-based refractories under vacuum electromagnetic field. Journal of the Australian Ceramic Society. 2019;55:913–920. https://doi.org/10.1007/s41779-019-00323-9Ma B., Yin Y., Zhu Q., Zhai Y., Li Y., Li G., Yu J. Slag corrosion and penetration behaviors of MgAl2O4 and Al2O3 based refractories. Refractories and Industrial Ceramics. 2016;56(5): 494–501. https://doi.org/10.1007/s11148-016-9876-yMa B., Yin Y., Zhu Q., Zhai Y., Li Y., Li G., Yu J. Slag corrosion and penetration behaviors of MgAl2O4 and Al2O3 based refractories. Refractories and Industrial Ceramics. 2016;56(5): 494–501. https://doi.org/10.1007/s11148-016-9876-yVázquez B.A., Pena P., De Aza A.H., Sainz M.A., Caballero A. Corrosion mechanism of polycrystalline corundum and calcium hexaluminate by calcium silicate slags. Journal of the European Ceramic Society. 2009;29(8):1347–1360. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2008.08.031Vázquez B.A., Pena P., De Aza A.H., Sainz M.A., Caballero A. Corrosion mechanism of polycrystalline corundum and calcium hexaluminate by calcium silicate slags. Journal of the European Ceramic Society. 2009;29(8):1347–1360. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2008.08.031Song J., Liu Y., Lv X., You Z. Corrosion behavior of Al2O3 substrate by SiO2–MgO–FeO–CaO–Al2O3 slag. Journal of Materials Research and Technology. 2020;9(1):314–321. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.10.060Song J., Liu Y., Lv X., You Z. Corrosion behavior of Al2O3 substrate by SiO2–MgO–FeO–CaO–Al2O3 slag. Journal of Materials Research and Technology. 2020;9(1):314–321. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.10.060Shen P., Zhang L., Wang Y., Sridhar S., Wang Q. Wettabi­lity between molten slag and dolomitic refractory. Ceramics International. 2016;42(14):16040–16048. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.07.113Shen P., Zhang L., Wang Y., Sridhar S., Wang Q. Wettabi­lity between molten slag and dolomitic refractory. Ceramics International. 2016;42(14):16040–16048. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.07.113Wang C., Xie C., Xu J., Wan K. Wettability and sprea­ding kinetics between some refractory materials and molten calcium aluminate slag. Steel Research International. 2025;(6): 2400895. https://doi.org/10.1002/srin.202400895Wang C., Xie C., Xu J., Wan K. Wettability and sprea­ding kinetics between some refractory materials and molten calcium aluminate slag. Steel Research International. 2025;(6): 2400895. https://doi.org/10.1002/srin.202400895Шварц К., Краус О. Изучение проникновения жидкого металла в продувочные пробки. Огнеупоры и техничес­кая керамика. 2013;(4-5):52–56.Shvarts K., Kraus O. Study of penetration of liquid metal into purge plugs. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika. 2013;(4-5):52–56. (In Russ.).Анучкин С.Н., Бурцев В.Т., Загуменников М.В., Сидоров В.В., Ригин В.Е. Исследование поверхностных свойств расплавов на основе никеля методом большой капли. I. Поверхностное натяжение. Металлы. 2010;(1):15–20.Ahuchkin S.N., Burtsev V.T., Zagumennikov M.V., Sido­rov V.V., Rigin V.E. Study of the surface properties of nickel-based melts by the constrained drop method: I. Surface tension. Russian Metallurgy (Metally). 2010;(1):13–17. https://doi.org/10.1134/S0036029510010039Yang M., Yan Z., Li Z., Lv X., Bai C. Modelling the dissolutive wetting of slag-oxide system at high temperatures. Metallurgical and Materials Transactions B. 2025;56(2): 1573–1587. https://doi.org/10.1007/s11663-024-03429-zYang M., Yan Z., Li Z., Lv X., Bai C. Modelling the dissolutive wetting of slag-oxide system at high temperatures. Metallurgical and Materials Transactions B. 2025;56(2): 1573–1587. https://doi.org/10.1007/s11663-024-03429-zMonaghan B.J., Abdeyazdan H., Dogan N., Rhamdhani M.A., Longbottom R.J., Chapman M.W. Effect of slag composition on wettability of oxide inclusions. ISIJ International. 2015;55(9):1834–1840. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2015-168Monaghan B.J., Abdeyazdan H., Dogan N., Rhamdhani M.A., Longbottom R.J., Chapman M.W. Effect of slag composition on wettability of oxide inclusions. ISIJ International. 2015;55(9):1834–1840. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2015-168Slag Atlas: Handbook. Düsseldorf: Verlag Stahleisen GmbH; 1995:634.Slag Atlas: Handbook. Düsseldorf: Verlag Stahleisen GmbH; 1995:634.

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