- PII
- 10.31857/S0235010624010036-1
- DOI
- 10.31857/S0235010624010036
- Publication type
- Article
- Status
- Published
- Authors
- Volume/ Edition
- Volume / Issue number 1
- Pages
- 26-35
- 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.
- Keywords
- оксид церия восстановление шлак алюминий карбид кальция термодинамическое моделирование
- Date of publication
- 17.09.2025
- Year of publication
- 2025
- Number of purchasers
- 0
- Views
- 12
References
- 1. Голубцов В.А. Теория и практика введения добавок в сталь вне печи. Москва, Вологда: Инфра-Инженерия, 2022.
- 2. Приданцев М.В. Влияние примесей и редкоземельных элементов на свойства сплавов. Москва: Металлургиздат, 1962.
- 3. Голубцов В.А., Шуб Л.Г., Дерябин А.А., Усманов Р.Г. ООО «НПП «Технология», Petryna D.Yu., Kozak О.L., Shulyar B.R., Petryna Yu.D., Hredil М.I. Influence of alloying by rare-earth metals on the mechanical properties of 17G1S pipe steel // Materials Science. 2013. 48. № 5. P. 575–581.
- 4. Макарченко В.Д., Киндрачук М.В. Влияние церия на механические и коррозионные свойства низколегированных трубных сталей // Компрессионное и энергетическое машиностороение. 2014. № 3. С. 24–29.
- 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. ГНЦРФ ОАО «Уральский институт металлов». Повышение эффективности внепечной обработки стали // Металлург. 2006. № 12. С. 59–61.
- 7. Уполовникова А.Г., Шартдинов Р.Р., Сметанников А.Н. Влияние основности на фазовый состав, вязкость и температуру кристаллизации сталеплавильных шлаков, содержащих Ce2О3 // Materials. Technologies. Design. 2022. 4. № 3. С. 50–56.
- 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. et al. 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. Котельников Г.И., Зубарев К.А., Мовенко Д.А. и др. Построение кривой раскисления железа кальцием // Электрометаллургия. 2016. № 5. С. 10–18.
- 17. Свяжин A., Крушке Э., Свяжин А. Применение карбида кальция при выплавке низкоуглеродистой стали // Металлург. 2004. № 11. С. 43–45.
- 18. Хромагин А.Н., Неретин С.Н., Главатских Ю.В., Павлов А.В. Раскислитель для стали. Патент № 0002638470 от 13.12.2017.
- 19. Пащенко А.В., Акулов В.В., Горяинова Т.В., Сбитнев С.А. Применение карбида кальция как один из способов внепечной обработки стали // Металл и литье Украины. 2010. № 6. С. 12–14.
- 20. Ким В.А., Николай Э.И., Акбердин А.А., Куликов И.С. Планирование эксперимента при исследовании физико-химических свойств металлургических шлаков. Алма-Ата: Наука, 1989.
- 21. Бабенко А.А., Жучков В.И., Леонтьев Л.И., Уполовникова А.Г. Равновесное распределение бора между металлом системы Fe–C–Si–Al и борсодержащим шлаком // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2017. 60. № 9. С. 752–758.
- 22. Потапов А.М., Кесикопулос В.А., Дедюхин А.Е., Зайков Ю.П. Термодинамическое моделирование реакции окисления UCl3 хлоридом свинца и восстановления UCl4 металлическим ураном в расплавленной эвтектике LiCl–KCl // Расплавы. 2022. № 6. С. 609–621.
- 23. Сергеева С.В., Гуляева Р.И., Удоева Л.Ю. и др. Термодинамическое моделирование и экспериментальное исследование кальциетермического восстановления металлов из ниобатов марганца и железа // Расплавы. 2022. № 3. С. 226–240.
