Прямое микролегирование стали церием под шлаками системы СаО–SiO 2–Ce2O3–15 % Al2O3–8 % MgO дополнительными восстановителями

Оценка возможности прямого микролегирования стали церием выполнена с помощью термодинамического моделирования восстановления церия из шлаков системы СаО–SiO2–Ce2O3, содержащих 15 % Аl2O3 и 8 % МgO, дополнительными присадками восстановителей (алюминия или ферросиликоалюминия), при температурах 1550 и 1650 °С с использованием программного комплекса HSC 6.1 Chemistry (Outokumpu). Показано, что в зависимости от дополнительных присадок алюминия или ферросиликоалюминия, температуры металла, основности шлака и содержания оксида церия в металл переходит от 0,228 до 40,5 ppm церия. При дополнительной присадке алюминия из шлака (Y1), содержащего 1,0 % оксида церия, в металл при 1550 °С переходит 0,228 ppm церия. Повышение температуры системы до 1650 °С сопровождается незначительным увеличением концентрации церия, достигающей не более 0,323 ppm. При присадке в металл ферросиликоалюминия содержание церия в металле выше и составляет 0,402 и 0,566 ppm при 1550 и 1650 °С соответственно. При увеличении до 7,0 % концентрации оксида церия в шлаке (Y2) наблюдается более существенный прирост содержания церия в металле, достигающий в диапазоне температур 1550 – 1650 °С, 1,65 – 2,31 ppm с присадками алюминия и 2,90 – 4,05 ppm с присадками ферросиликоалюминия. Наиболее ощутимое повышение содержания церия в металле наблюдается с ростом основности шлака. При формировании шлаков в области основности 2 – 3, содержащих 1 – 7 % Ce2О3, равновесная концентрация церия в металле изменяется от 0,5 до 4 ppm с присадками алюминия и 1 – 7 ppm с присадками ферросиликоалюминия при 1550 °С. Смещение шлаков в область повышенной до 3 – 5 основности сопровождается при содержании 3 – 7 % Ce2О3 повышением равновесной концентрации церия в металле до 4 – 12 ppm с присадками алюминия и 7 – 20 ppm с присадками ферросиликоалюминия и, как следствие, повышением эффективности протекания процесса восстановления церия.

1. Гольдштейн Я.Г., Ефимова Л.Б. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. М.: Металлургия, 1986. 271 с.

2. Пилюшенко В.Л., Вихлевщук В.А. Научные и технологические основы микролегирования стали. М.: Металлургия, 1994. 384 с.

3. Petryna D.Yu., Kozak О.L., Shulyar B.R., Petryna Yu.D., Hredil М.I. Influence of alloying by rare­earth metals on the mechanical properties of 17G1S pipe steel // Materials Science. 2013. Vol. 4. No. 5. P. 575–581. https://doi.org/10.1007/s11003-013-9540-3

4. Макаренко В.Д., Киндрачук М.В., Бондарев А.А., Муравьев К.А. Влияние церия на механические и коррозионные свойства низколегированных трубных сталей // Компрессорное и энергетическое машиностроение. 2014. № 3. С. 24–29.

5. Torkamani H., Raygan Sh., Garcia­Mateo C., Rassizadehghani J., Palizdar Y., San­Martin D. Evolution of pearlite microstructure in low­carbon cast microalloyed steel due to the addition of La and Ce // Metallurgical and Materials Transactions A. 2018. Vol. 49. No. 10. P. 4495–4508. https://doi.org/10.1007/s11661-018-4796-8

6. Yang X., Long H., Cheng G., Wu C., Wu B. Effect of refning slag containing Ce2O3 on steel cleanliness // Journal of Rare Earths. 2011. Vol. 29. No. 11. P. 1079–1083. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(10)60602-3

7. Wu C., Cheng G., Long H., Yang X. A thermodynamic model for evaluation of mass action concentrations of Ce 2O3­contained slag systems based on the ion and molecule coexistence theory // High Temperature Materials and Processes. 2013. Vol. 32. No. 3. P. 207 – 214. https://doi.org/10.1515/htmp-2012-0119

8. Feifei H., Bo L., Da L., Ligang L., Ting D., Xuejun R., Qingxiang Y. Effects of rare earth oxide on hardfacing metal microstructure of medium carbon steel and its refnement mechanism // Journal of Rare Earths. 2011. Vol. 29. No. 6. P. 609–613. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(10)60507-8

9. Guo M.X., Suito H. Effect of dissolved cerium on austenite grain growth in an Fe – 0.20 mass % C – 0.02 mas % P alloy // ISIJ International. 1999. Vol. 39. No. 11. P. 1169–1175. https://doi.org/10.2355/isijinternational.39.1169

10. Ueda S., Morita K., Sano N. Activity of AlO1.5 for the CeO1.5–CaO–AlO 1.5 system at 1773 K // ISIJ International. 1998. Vol. 38. No. 12. P. 1292–1296.

11. Wu C., Cheng G., Long H. Effect of Ce2O3 and CaO/Al2O3 on the phase, melting temperature and viscosity of CaO–Al2O3–10 mass %SiO 2 based slags // High Temperature Materials and Processes. 2014. Vol. 33. No. 1. P. 77 – 84. https://doi.org/10.1515/htmp-2013-0025

12. Hao F., Liao B., Li D., Dan T., Ren X., Yang Q., Liu L. Effects of rare earth oxide on hardfacing metal microstructure of medium carbon steel and its refnement mechanism // Journal of Rare Earths. 2011. Vol. 29. No. 6. P. 609–613. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(10)60507-8

13. Wang L.J., Wang Q., Li J.M., Chou K.C. Dissolution mechanism of Al 2O3 in refning slags containing Ce2O3 // Journal of Mining and Metallurgy. Section B: Metallurgy. 2016. Vol. 52. No. 1. P. 35–40. https://doi.org/10.2298/JMMB140706004W

14. Anacleto N.M., Lee H.­G., Hayes P.C. Sulphur partition between СаО–SіО 2–Се2О3 slags and carbon­saturated iron // ISIJ International. 1993. Vol. 33. No. 5. P. 549–555. https://doi.org/10.2355/isijinternational.33.549

15. Михайлов Г.Г., Макровец Л.А., Смирнов Л.А. Термодинамическое моделирование фазовых равновесий с оксидными системами, содержащими РЗМ. Сообщение 3. Диаграммы состояния оксидных систем с Ce2O3 и CeO2 // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2015. Т. 15. № 4. С. 5–14. https://doi.org/10.14529/met150401

16. Бабенко А.А., Смирнов Л.А., Уполовникова А.Г., Нечвоглод О.В. Термодинамическое моделирование восстановления церия из шлаков системы СаО – SiO 2 – Ce2O3 – 15 % Al2O3 – 8 % MgO алюминием, растворенным в металле // Бутлеровские сообщения. 2019. Т. 59. № 9. С. 140–145.

17. Бабенко А.А., Смирнов Л.А., Уполовникова А.Г., Михайлова Л.Ю. Построение диаграмм равновесного содержания церия в металле под шлаком системы СаО – SiO2 – Ce2O3 – 15 % Al 2O3 – 8 % MgO // Бутлеровские сообщения. 2019. Т. 60. № 10. С. 140–145.

18. Бабенко А.А., Жучков В.И., Леонтьев Л.И., Уполовникова А.Г., Конышев А.А. Равновесное распределение бора между металлом системы Fe­C­Si­Al и борсодержащим шлаком // Известия вузов. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 9. С. 752–758. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-7-752-758

19. Планирование эксперимента при исследовании физико­химических свойств металлургических шлаков. Методическое пособие / В.А. Ким, Э.И. Николай, А.А. Акбердин, И.С. Куликов. Алма­Ата: Наука, 1989. 116 с.

20. Ким В.А., Акбердин А.А., Куликов И.С., Николай Э.И. Использование метода симплексных решеток для построения диаграмм типа состав – вязкость // Известия вузов. Черная металлургия. 1980. № 9. С. 167.