Термодинамическим анализ процессов рафинирования жидкой стали комплексным сплавом, содержащим La - Ce – Al

Сплавы, содержащие добавки редкоземельных металлов (РЗМ), находят все большее применение при производстве сталей и сплавов. При модифицировании и микролегировании стали РЗМ измельчается структура первичного металла, улучшаются его механические свойства, значительно снижается концентрация кислорода, растворенного в жидком железе. Образовавшиеся неметаллические включения не превышают размеров в несколько микрон и имеют преимущественно глобулярную форму. В связи с достаточно высокой стоимостью РЗМ целесообразно проводить расчет их расхода на той или иной стадии технологического процесса для определения оптимального количества, необходимого для раскисления или модифицирования. В ходе настоящей работы было проведено термодинамическое моделирование фазовых равновесий, реализующихся в жидком металле системы Fe - La - Ce -Al - O. Приводится база термодинамических данных изучаемой системы: температурные зависимости констант равновесия реакций, протекающих между компонентами; значения параметров взаимодействия первого порядка (по Вагнеру) для элементов в жидком железе; значения энергетических параметров теории субрегулярных (для оксидного расплава) и регулярных (для твердого раствора) ионных растворов. На основании координат рассчитанного изотермического (1600 °С) изосоставного (0,01 % Al) сечения поверхности растворимости компонентов в металле системы Fe - La - Ce -Al - O построены диаграммы расхода лантана и церия для различных исходных концентраций кислорода (металл предварительно раскислен алюминием). Показано, что расход дорогостоящих редкоземельных элементов, применяемых при микролегировании и модифицировании металла, существенно зависит от состава исходного металла.

1. Pan F., Zhang J., Chen H.L. etc. Effects of rare earth metals on steel microstructures // Materials. 2016. Vol. 9. No. 6. P. 417.

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

3. Рябчиков И.В., Мизин В.Г., Андреев В.В. Кремнистые ферросплавы и модификаторы нового поколения. Производство и применение. - Челябинск: Изд-во Челябинского гос. ун-та, 2013. - 295 с.

4. Серов Г.В., Комиссаров А.А., Тихонов С.М. и др. Влияние раскисления на состав неметаллических включений низколегированной стали // Новые огнеупоры. 2018. № 12. С. 3 - 8.

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

6. Голубцов В.А., Шуб Л.Г., Дерябин А.А., Усманов Р.Г. К вопросу о повышении эффективности внепечной обработки стали // Металлург. 2006. № 12. С. 59 - 61.

7. Михайлов Г.Г., Леонович Б.И., Кузнецов Ю.С. Термодинамика металлургических процессов и систем. - М.: ИД МИСиС, 2009. - 519 с.

8. Mikhailov 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. Vol. 299. P. 468 - 474.

9. 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.

10. Mikhailov G.G., Makrovets L.A., Smirnov L.A. Thermodynamic modelling of rare-earth elements - oxygen interaction // Mater. Sci. Forum. 2016. Vol. 843. P 39 - 45.

11. Minkova N., Aslanian S. Isomorphic substitutions in the CeO2-La2O3 system at 850 °C // Cryst. Res. Technol. 1989. Vol. 24. No. 4. P. 351 - 354.

12. Du Y., Yashima M., Koura T. etc. Measurement and calculations of the ZrO2-CeO2-LaO15 phase diagram // Calphad. 1996. Vol. 20. No. 1. P. 95 - 108. .

13. Fischer W.A., Hoffmann A. Das Zustandsschaubild Eisenoxydul-Aluminiumoxyd // Arch. Eisenhuttenwes. 1956. Vol. 27. No. 5. P. 343 - 346.

14. Rosenbach K., Schmitz J.A. Untersuchungen im Dreistoffsystem Eisen (Il)-oxid-chrom (III)-oxid-tonerde // Arch. Eisenhuttenwes. 1974. Vol. 45. No. 12. P. 843 - 847.

15. Новохатский И.А., Белов Б.Ф., Горох А.В., Савинская А.А. К диаграмме фазовых равновесий системы FeO - Al2O3 // Журнал физической химии. 1965. Т. 39. № 11. С. 2806 - 2808.

16. Fritsche E.T., Tensmeyer L.G. Liquidus in the alumina-rich system La2O3-A12O3 // J. Am. Ceram. Soc. 1967. Vol. 50. No. 3. P. 167 - 168.

17. Mizuno M., Yamada T., Noguchi T. Phase diagram of the system Al2O3-Ce2O3 at high temperature // Yogyo-Kyokai-Shi. 1975. Vol. 83. No. 2. P. 90 - 95.

18. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Вып. 1. Двойные системы / В.П. Барзаковский, Н.Н. Курцева, В.В. Лапин, Н.А. Торопов. - Л.: Наука, 1969. - 822 с.

19. Михайлов Г.Г., Самойлова О.В., Макровец Л.А., Смирнов Л.А. Термодинамическое моделирование изотерм растворимости кислорода в жидком металле системы Fe-Mg-Al-O // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 8. С. 639 - 645.

20. Park J.H., Todoroki H. Control of MgOAl2O3 spinel inclusions in stainless steels // ISIJ Intern. 2010. Vol. 50. No. 10. P. 1333 - 1346.

21. Prox H., Hino M., Ban-Ya S. Assessment of Al deoxidation equilibrium in liquid iron // Tetsu-to-Hagane. 1997. Vol. 83. No. 12. P. 773 - 778.

22. Bhzek Z. Fundamental thermodynamic data on metallurgical reactions and interactions of elements in systems important for metallurgical theory and practice // Hutnicke Aktuality. 1979. Vol. 20. No. 1 - 2. P. 3 - 111.

23. Балковой Ю.В., Алеев Р.А., Баканов В.К. Параметры взаимодействия первого порядка в расплавах на основе железа: обзорная информация. - М.: Ин-т «Черметинформация», 1987. - 42 с.

24. Wang L.J., Liu Y.Q., Wang Q., Chou K.C. Evolution mechanisms of MgOAl2O3 inclusions by cerium in spring steel used in fasteners of high-speed railway // ISIJ Intern. 2015. Vol. 55. No. 5. P. 970 - 975.

25. Sigworth G.K., Elliott J.F. The thermodynamics of liquid dilute iron alloys // Metal Sci. 1974. Vol. 8. No. 1. P. 298 - 310.

26. Muhmond H.M., Fredriksson H. Graphite growth morphologies in high Al cast iron // Advances in the Science and Engineering of Casting Solidification: Proceedings of Symposium, 15-19 March 2015, Orlando, USA. - Orlando, USA: TMS, 2015. P. 323 - 330.