ТЕРМОДИНАМИКА ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТОВ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В СИСТЕМЕ Fe – Mg – Al – La – O

В настоящее время редкоземельные элементы в металлургии используют в виде мишметалла – естественной смеси редкоземельных (РЗМ) элементов (с атомными номерами от 57 до 71). Такая смесь содержит приблизительно 50 % церия (по массе). Основными элементами главным образом являются церий, лантан и ниобий. Конкретный состав определяется рудным месторождением. Негарантированный (непостоянный) состав модификатора, содержащего РЗМ, может существенным образом снизить эффективность его использования.  Экспериментально для каждого марочного состава стали соотношение различных РЗМ невозможно подобрать в силу больших затрат на  получение технически чистых редкоземельных металлов. Задача определения оптимальных концентраций каждого из редкоземельных  элементов и состава комплексной лигатуры может быть решена методом термодинамического моделирования. В работе представлены  результаты термодинамического моделирования процессов взаимодействия магния, алюминия и лантана с кислородом в жидком железе.  Рассмотрена термодинамическая модель раскисления стали композицией данных активных металлов. На основании имеющихся литературных данных по диаграммам состояния систем MgO – Al2O3 , MgO – La2O3 , La2O3 – Al2O3 установлены координаты точек инвариантных  равновесий в системе MgO – La2O3 – Al2O3 . Построена диаграмма состояния MgO – La2O3 – Al2O3 . Это позволило установить все возможные равновесия, реализующиеся при раскислении стали магнием, лантаном и алюминием, а также описать их уравнениями химических  реакций. Активность компонентов в жидких оксидных расплавах определяли с использованием теории субрегулярных ионных растворов,  учитывающей зависимость координационного числа катионов от состава оксидного расплава. Активности компонентов в сопряженных  с  оксидными системами металлических расплавах определяли по теории Вагнера с помощью параметров взаимодействия первого порядка. Значения констант равновесия реакций раскисления стали рассматриваемыми элементами установлены косвенными термодинамическими расчетами. На основании полученных данных построена поверхность растворимости компонентов в металлических расплавах системы Fe – Mg – Al – La – O, что позволило установить области составов жидкого металла, сопряженного с соответствующей оксидной фазой.

 термодинамика,  диаграмма состояний,  лантан,  магний,  алюминий,  раскисление,  моделирование,  фазовые равновесия

1. Лунев В.В., Шульте Ю.В. Применение комплексных лигатур с РЗМ и ЩЗМ для улучшения свойств литых и деформированных сталей. – В кн.: Влияние комплексного раскисления на свойства сталей: Тематический отраслевой сб. МЧМ СССР. – М.: Металлургия, 1982. С. 33 – 50.

2. Смирнов Л.А., Ровнушкин В.А., Орыщенко А.С. и др. Модифицирование стали и сплавов редкоземельными элементами. Сообщение 1 // Металлург. 2015. № 11. С. 57 – 63.

3. Смирнов Л.А., Ровнушкин В.А., Орыщенко А.С. и др. Модифицирование стали и сплавов редкоземельными элементами. Сообщение 2 // Металлург. 2016. № 1. С. 41 – 48.

4. Charalampides G., Vatalis K.I., Apostoplos B., Ploutarch-Nikolas B. Rare Earth Elements: Industrial Applications and Economic Dependency of Europe // International Conference on Applied Economics (ICOAE) 2015. Procedia Economics and Finance. 2015. Vol. 24. P. 126 – 135.

5. Рябчиков И.В. Модификаторы и технологии внепечной обработки железоуглеродистых сплавов. – М.: ЭКОМЕТ, 2008. – 400 с.

6. Бурмасов С.П., Гудов А.Г., Мурзин А.В. и др. Влияние технологии модифицирования кальцием и РЗЭ на морфологию неметаллических включений и технологические свойства трубной стали // Металлург. 2015. № 11. С. 69 – 73.

7. Голубцов В.А., Воронин А.А., Тетюев Т.В. и др. Происхождение неметаллических включений и пути снижения загрязненности ими металла // Металлург. 2005. № 4. С. 73 – 77.

8. Pan F., Zhang J., Chen H.-L., Su Y.-H., Su Y.-H., Hwang W.-S. Thermodynamic Calculation among Cerium, Oxygen, and Sulfur in Liquid Iron // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. P. 35843.

9. Голубцов В.А., Рябчиков И.В., Усманов Р.Г. Микрокристаллические комплексные модификаторы в производстве стали. – Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2017. –137 с.

10. Григорович К.В., Шибаева Т.В., Арсенкин А.М. Влияние технологии раскисления трубных сталей на состав и количество неметаллических включений // Металлы. 2011. № 5. С. 164 – 170.

11. Opiela M., Grajcar A. Modification of non-metallic inclusions by rare-earth elements in microalloyed steels // Archives of Foundry Engineering. 2012. Vol. 12. No. 2. P. 129 – 134.

12. Аверин В.В. Применение РЗМ в металлургии стали. – В сб. «Металлургические методы повышения качества стали». – М.: 1979. С. 33 – 40.

13. Жалыбин В.И., Ершов Г.С. О восстановлении магния футеровки при выплавке стали, легированной алюминием // Известия АН СССР. Металлы. 1966. № 1. С. 49 – 53.

14. Скок Ю.Я. Исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ // Процессы литья. 2010. № 3 (81). С. 8 – 12.

15. Kasińska J. Influence of rare earth metals on microstructure and inclusions morphology G17CrMo5-5 cast steel // Arch. Metall. Mater. 2014. No. 59. P. 993 – 996.

16. Minkova N., Aslania S. Isomorphic Substitutions in the CeO2– La2O3 System at 850°C // Cryst. Res. Technol. 1989. Vol. 24. No. 4. P. 351 – 354.

17. Hamm C.M., Alff L, Albert B. Synthesis of Microcrystalline Ce2O3 and Formation of Solid Solutions between Cerium and Lanthanum Oxides // Z. Anorg. Allg. Chem. 2014, Vol. 640. No. 6. P. 1050 – 1053.

18. Andrievskaya E.R., Kornienko O.A., Sameljuk A.V., Sayi A. Phase relation studies in the CeO2–La2O3 system at 1100 – 1500 °C // Journal of the European Ceramic Society. 2011. Vol. 31. No. 7. P. 1277 – 1283.

19. Михайлов Г.Г., Леонович Б.И., Кузнецов Ю.С. Термодинамика металлургических процессов и систем. – М.: Издательский Дом МИСиС, 2009. – 519 с.

20. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Выпуск четвертый. Тройные оксидные системы / В.П. Барзаковский, В.В. Лапин, А.И. Бойкова, Н.Н. Курцева – Л.: Наука, 1974. – 514 с.

21. Slag Atlas. 2nd Edition. Edited by Verein Deutscher Eisenhüttenleute (VDEh). – Düsseldorf: Verlag Stahleisen GmbH., 1995. P. 44.

22. Михайлов Г.Г., Макровец Л.А., Смирнов Л.А. Термодинамическое моделирование фазовых равновесий с оксидными системами, содержащими РЗМ. Сообщение 1. Диаграммы состояния оксидных систем с La2O3 // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2014. Т. 14. № 3. С. 5 – 11.

23. Wu P., Pelton A.D. Coupled thermodynamic-phase diagram assessment of the rare earth oxide-aluminium oxide binary systems // Journal of Alloys and Compounds. 1992. Vol. 179. No. 1-2. P. 259 – 287.

24. Михайлов Г.Г., Макровец Л.А. Фазовые равновесия при взаимодействии бария с компонентами жидкой стали // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2014. Т. 14. № 2. С. 5 – 10.

25. Bůžek Z. Základní termodynamické údaje o metalurgických reakcích a o interakcích prvků v soustavách významných pro hutnickou teorii a praxi // Hutnické actuality. 1979. Vol. 20. No. 1-2. P. 3 – 111.

26. Балковой Ю.В., Алеев Р.А., Баканов В.К. Параметры взаимодействия первого порядка в расплавах на основе железа: Обзор. информ. – М.: Черметинформация, 1987. – 42 с.

27. Steelmaking Data Sourcebook, Japan Society for the Promotion of Science. The 19th Committee on Steelmaking, Gordon and Breach Science Publishers. – New York. NY, 1988. P. 288 – 289.

28. Wang L.J., Liu Y.Q., Wang Q., Chou K.C. Evolution Mechanisms of MgO·Al2O3 Inclusions by Cerium in Spring Steel Used in Fasteners of High-speed Railway // ISIJ International. 2015. Vol. 55. No. 5. P. 970 – 975.

29. Park J.H., Todoroki H. Control of MgO·Al2O3 Spinel Inclusions in Stainless Steels // ISIJ International. 2010. Vol. 50. No. 10. P. 1333 – 1346.

30. Михайлов Г.Г., Макровец Л.А., Смирнов Л.А. Термодинамическое моделирование процессов взаимодействия лантана с компонентами металлических расплавов на основе железа // Изв. вуз. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 12. С. 877 – 884.