Study of the process of cerium restoration by aluminum and calcium carbide from cerium-containing slag

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

One of the ways to obtain high-quality products and meet ever-increasing requirements on properties of steel is microalloying it with rare earth elements such as cerium. Cerium can significantly affect mechanical properties of steel even at low concentrations. To reduce the cost of steel, it is rational to add cerium into steel not with ferroalloys but by direct reduction from oxide systems. In order to study this process, thermodynamic modeling of the reduction of cerium from slags of the CaO–SiO₂–Ce₂O₃ system, containing 15% Al₂O₃ and 8% MgO, with aluminum and calcium carbide at temperatures of 1 550 and 1 650°C is carried out. The simulation is performed using the HSC 6.12 Chemistry software package (Outokumpu) based on Gibbs energy minimization and using the simplex planning lattice method. The results of thermodynamic modeling are presented in the form of composition-property (equilibrium cerium content in the metal) diagrams for temperatures of 1 550 and 1 650°С. When using metallic aluminum as a reducing agent, increasing the basicity of the slag (CaO/SiO₂) from 2 to 5 at a temperature of 1 550°C leads to an increase in the equilibrium cerium content in the metal from 2 to 20 ppm in the concentration range of 0–15٪ Ce₂O₃, i.e. an increase in the basicity of the slag is beneficial for the development of the cerium reduction process. An metal temperature increase also has a positive effect on the process of reduction of cerium with aluminum. With an increase in temperature to 1 650°С, the equilibrium content of cerium in the metal increases from 4 ppm to 30 ppm in the concentration range of 0–15٪ Ce₂O₃. The use of calcium carbide as a reducing agent leads to an increase in the concentration of cerium in the metal to 30 and 40 ppm at temperatures of 1 550 and 1 650°C, respectively, at a basicity of 5. The decisive role of slag basicity, cerium oxide concentration and temperature in the development of the process of cerium reduction with aluminum and calcium carbide is confirmed.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. G. Upolovnikova

Institute of Metallurgy, Ural Branch of the RAS

Author for correspondence.
Email: upol.ru@mail.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

R. R. Shartdinov

Institute of Metallurgy, Ural Branch of the RAS

Email: upol.ru@mail.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

A. N. Smetannikov

Institute of Metallurgy, Ural Branch of the RAS

Email: upol.ru@mail.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

References

  1. Golubtsov V.A. Teoriya i praktika vvedeniya dobavok v stal’ vne pechi [Theory and practice of introducing additives into steel outside the furnace: monograph]. Moskva, Vologda: Infra-Inzheneriya. 2022. [In Russian].
  2. Pridantsev M. V. Vliyaniye primesey i redkozemel’nykh elementov na svoystva splavov [Influence of impurities and rare earth elements on the properties of alloys]. M.: Metallurgizdat, 1962. [In Russian].
  3. Petryna D.Yu., Kozak О.L., Shulyar B.R. et al. Influence of alloying by rare-earth metals on the mechanical properties of 17G1S pipe steel // Materials Science. 2013. 48. № 5. P. 575–581.
  4. Makarchenko V.D., Kindrachuk M.V. Vliyaniye tseriya na mekhanicheskiye i korrozionnyye svoystva nizkolegirovannykh trubnykh staley [The influence of cerium on the mechanical and corrosion properties of low-alloy pipe steels] // Kompressionnoye i energeticheskoye mashinostoroyeniye 2014. № 3. P. 24–29. [In Russian].
  5. Torkamani H., Raygan Sh., Garcia-Mateo C. et al. Evolution of pearlite microstructure in low-carbon cast microalloyed steel due to the addition of La and Ce // Metallurgical and materials transactions A. 2018. 49А. P. 4495–4508.
  6. Golubtsov V.A., Shub L.G., Deryabin A.A., Usmanov R.G., GNTSRF Ural’skiy institut metallov. Povysheniye effektivnosti vnepechnoy obrabotki stali [Increasing the efficiency of after-furnace processing of steel] // Metallurg. 2006. № 12. P. 59–61. [In Russian].
  7. Upolovnikova A.G., Shartdinov R.R., Smetannikov A.N. Vliyaniye osnovnosti na fazovyy sostav, vyazkost’ i temperaturu kristallizatsii staleplavil’nykh shlakov, soderzhashchikh Ce₂O₃ [The influence of basicity on the phase composition, viscosity and crystallization temperature of steelmaking slags containing Ce₂O₃] // Materials. Technologies. Design. 2022. 4. № 3. Р. 50–56. [In Russian].
  8. Zheng X., Liu Ch., Qi J. et al. Design and fluidity research of a new tundish flux for rare earth steel // Journal of Sustainable Metallurgy. 2022. 8. Р. 1104–1116.
  9. Zheng X., Liu Ch. Effect of Ce₂O₃ on the melt structure and properties of CaO–Al₂O₃-based slag // ISIJ International. 2022. 62. № 6. P. 1091–1098.
  10. 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 Temp. Mater. Proc. 2014. 33. № 1. P. 77 – 84.
  11. Feifei H., Bo L., Da L. et al. Effects of rare earth oxide on hardfacing metal microstructure of medium carbon steel and its refinement mechanism // Journal of rare earths. 2011. 29. № 6. P. 609–613.
  12. Anacleto N.M., Lee H.-G., P.C. Hayes. Sulphur partition between CaO–SіО2–Се2О3 slags and carbon-saturated iron // ISIJ Internationai. 1993. 33. № 5. P. 549–555.
  13. Xiaohong Y., Hu L., Guoguang C., Chengchuan W., Bin W. Effect of refining slag containing Ce₂O₃ on steel cleanliness // Journal of rare earths. 2011. 29. № 11. P. 1079–1083.
  14. Babenko 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 // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 15th International Conference on Industrial Manufacturing and Metallurgy. 2020. Р. 012010.
  15. Wu C., Cheng G., Long H. and Yang X. A thermodynamic model for evaluation of mass action concentrations of Ce₂O₃-contained slag systems based on the ion and molecule coexistence theory high temp // Mater. Proc. 2013. 32. № 3. P. 207 – 214.
  16. Kotel’nikov G.I., Zubarev K.A., Movenko D.A. et al. Postroyeniye krivoy raskisleniya zheleza kal’tsiyem [Construction of a curve for the deoxidation of iron by calcium] // Elektrometallurgiya. 2016. № 5. P. 10–18. [In Russian].
  17. Svyazhin A.A., Krushke E., Svyazhin A.G. Primeneniye karbida kal’tsiya pri vyplavke nizkouglerodistoy stali [Application of calcium carbide in the smelting of low-carbon steel] // Metallurg. 2004. № 11. P. 43–45. [In Russian].
  18. Khromagin A.N., Neretin S.N., Glavatskikh Yu.V., Pavlov A.V. Raskislitel’ dlya stali. [Deoxidizer for steel]. Patent № 0002638470 from 13.12.2017. [In Russian].
  19. Pashchenko A.V., Akulov V.V., Goryainova T.V., Sbitnev S.A. Primeneniye karbida kal’tsiya kak odin iz sposobov vnepechnoy obrabotki stali [The use of calcium carbide as one of the methods of out-of-furnace steel processing] // Metall i lit’ye Ukrain. 2010. № 6. P. 12–14. [In Russian].
  20. Kim V. A., Nikolaj E. I., Akberdin A. A., Kulikov I. S. Planirovanie eksperimenta pri issledovanii fiziko – himicheskih svojstv metallurgicheskih shlakov: Metodicheskoe posobie [Planning an experiment in the study of the physico-chemical properties of metallurgical slags: Methodological guide]. Alma-Ata: Nauka, 1989. [In Russian].
  21. Babenko A.A., Zhuchkov V.I., Leont’yev L.I., Upolovnikova A.G. Ravnovesnoye raspredeleniye bora mezhdu metallom sistemy Fe-C-Si-Al i borsoderzhashchim shlakom [Equilibrium distribution of boron between the metal of the Fe–C–Si–Al system and boron-containing slag] // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Chernaya metallurgiya. 2017. № 9. P. 752–758. [In Russian].
  22. Potapov A.M., Kesikopulos V.A., Dedyukhin A.Ye., Zaykov Yu.P. Termodinamicheskoye modelirovaniye reaktsii okisleniya UCl3 khloridom svintsa i vosstanovleniya UCl4 metallicheskim uranom v rasplavlennoy evtektike LiCl–KCl [Thermodynamic modeling of the reaction of oxidation of UCl3 with lead chloride and reduction of UCl4 with uranium metal in molten eutectic LiCl–KCl] // Rasplavy. 2022. № 6. P. 609–621. [In Russian].
  23. Sergeyeva S.V., Gulyayeva R.I., Udoyeva L.Yu. et al. Termodinamicheskoye modelirovaniye i eksperimental’noye issledovaniye kal’tsiyetermicheskogo vosstanovleniya metallov iz niobatov margantsa i zheleza [Thermodynamic modeling and experimental study of calcium-thermal reduction of metals from manganese and iron niobates] // Rasplavy. 2022. № 3. P. 226–240. [In Russian].

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig.1

Download (244KB)
3. 1b

Download (246KB)
4. Fig.2

Download (245KB)
5. 2b

Download (246KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».