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MET 130 Slag_Fundamentals_2011_March

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FUNDAMENTALS OF SLAG
Paulo Santos Assis
[Full Prof. by UFOP and Prof by REDEMAT
Honorary Prof. by Hebei University, China]
Colaborators
Álvaro Martins Júnior, M.Sc.
Adriano Ferreira da Cunha, M.Sc.
M.Sc and Dr. Student of Prof. Assis
INTRODUCTION
Inorganic;
Non-metallic;
Crystalline and amorphous regions;
Generated or incorporated in metallurgical processes.
SLAG
Figure 1 - Photo of slags being flowed out from two ladles.
Escola de Minas 2009
TOP SLAG/SYNTHETIC SLAG
Steel refining
Thermal protection
Capture of inclusions
Ladle protection.
MANUFACTURE
Fusion
Pelletizing
Sintering
Mixture of raw materials
Escola de Minas 2009
PROPERTIES
1) Optical basicity
2) Desulfurization
3) Dephosphorization
4) Viscosity
5) Thermal conductivity
6) Electrical conductivity
7) Surface tension
8) Interface tension
9) Liquidus temperature
10) Density
Figure 2 - Slag formation during oxygen injection.
Escola de Minas 2009
OPTICAL BASICITY (N) 
 2
1
k
k
N



 Concept of basicity refers to the relation between basic and acid oxides;
 This information enables to predict about viscosity of slags;
 In microstructure aspects, basic oxides have elements which are
breaking agents of nets;
 Optical basicity concept is quite actual and was initially developed
for vitreous materials;
 It basically measures how much is the oxygen linked (O, O-, O-2);
The formula showed below represents the value of N
[where k1 = 10,74 and k2 = 0,26]
Escola de Minas 2009
Figure 3 - Variation of optical basicity from different oxides.
Escola de Minas 2009
DESOXIDATION
 Depends on oxygen potential;
 Depends on basicity of slags which normally is between 2 to 3,5;
 Presence of lime helps to take out the phosphorous oxidised (P2O5);
 Oxygen rate in the bath has such a relevance because this parameter
is related to inclusions index of steel.
Figure 4 - Relationship between the inclusions index and the total oxygen in the bath.
Escola de Minas 2009
DESULFURIZATION
 Capacity of absorbing sulphur (S) from the bath;
1/2 S2 (g) + O
-2 1/2 O2 (g) + S
-2
Figure 5 - Ternary diagram showing the dependence of 
desulfurization rate with CaO content.
Escola de Minas 2009
Figure 6 - Variation of desulfurization capacity according to the 
amount and sort of oxide mixed with CaO. 
Escola de Minas 2009
DEPHOSPHORATION
Capacity of absorbing phosphorous (P) from hot metals.
P2 (g) + 5/2 O2 (g) + 3 O
-2 2 PO4
-3
A good basicity is also required (CaO);
 But, opposite to desulfurization process, the oxygen rate must be higher
and the lowest possible temperature;
Escola de Minas 2009
Figure 7 - Relationship between the desphosphoration rate and FeO content 
for several percentages of CaO.
Escola de Minas 2009
VISCOSITY
 Defined as the shearing strength;
 Influences in the kinetic of reactions
slag/metal;
Main parameters that affect slag
viscosity are:
1) Temperature
2) Composition.
Escola de Minas 2009
Figure 8 - Viscosity versus temperature for a slag 
(50% CaO, 7% MgO, 30 % Al2O3, 13 % SiO2).
Escola de Minas 2009
Figure 9 - Variation of viscosity according to CaO and MgO content.
Escola de Minas 2009
THERMAL 
CONDUCTIVITY
 Capability of keeping heat;
 Some works show that thermal conductivity presents a little increase
as the temperature increases until 1100K;
 On the other hand, above this temperature, the thermal conductivity
decreases according to its enhancement.
Escola de Minas 2009
Figure 10 - Conductivity versus temperature for two different slags.
Escola de Minas 2009
ELECTRICAL 
CONDUCTIVITY
 Measures the ability of conducting when a
material is submitted to a electric field;
 In some mills carried out with glasses show
that electric conductivity increases according 
to enhancement of temperature;
 This event can be associated to improvement
of mobility of ions presented in slags.
Escola de Minas 2009
Figure 11 - Electrical conductivity versus temperature for a synthetic slag.
Escola de Minas 2009
SURFACE TENSION
 Free energy per area unit;
 Necessary work to alter the surface area in 1 cm2;
 Refers to the wettability degree of slag in the bath;
 High surface tension implies on low degree of 
wettability (slag does not mix to the bath);
 Low surface tension enables a higher rate of mass
transfer (to take the impurities out from the hot
metal)
Escola de Minas 2009
Figure 9 - Surface tension versus MgO content for the system 
(Al2O3 - CaO - MgO - SiO2).
Escola de Minas 2009
DENSITY
 Parameter which varies according to the
composition and temperature;
 It allows to make adjustments on the amount of
slag to be employed;
 Small quantity of slag can let the refractory
exposed to the electric arc (occurring a bigger wear
of it);
 Big amount of slag demands more operational
costs (like more energy consumption and additional
work to take the slag out).
Escola de Minas 2009
MANUFACTURE 
PROCESSES
R
e
l
a
t
i
v
 
c
o
s
t
Mixture Sinter Briquetted Pellet Fused
Figure 12 - Graph of the related cost for several manufacture 
processes of synthetic slags.
Escola de Minas 2009
INDUCTION FURNACE
Example: Producing a SS
 Electric furnace which shows some
advantages comparing it with other electric
equipments:
4) High heating rate (1300oC in 20 minutes).
3) Metal has an uniform composition due to 
electromechanical mix;
2) Metal is not carbonized;
1) Lost by oxidising of metal is lower;
Escola de Minas 2009
Figure 13 - a) Scheme of working 
of a simplified induction furnace; 
b) Photo of a bobbin (spark coil).
A)
a)
b)
Escola de Minas 2009
SYNTHETIC SLAG 
MANUFACTURE
Objectives:
 Estimate production cost
 Characterization of the manufactured material;
 Manufacture synthetic slag through fusion process;
Escola de Minas 2009
METHODOLOGY
Furnace wall
Pieces of graphite
Slag level
Tube of Al for Ar injection
2 a 3 cm
Figure 14 - Scheme of the crucible used in the fusions.
Escola de Minas 2009
Slag Groups Athmosfer used Sample number 
PF1 - Natural 1 
PF2 - Natural 1 
PF1 1 Air 5 
PF1 2 Argon 5 
PF2 3 Ar 5 
PF2 4 Argon 5 
 
Table 1 - Division of samples according to the chemical composition 
and atmosphere employed.
Escola de Minas 2009
RESULTS
 
Slag SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO CaF2 PPC Others 
PF1 3,0 36,1 0,26 27,5 1,0 27,1 3,19 1,67 
PF2 5,0 21,5 0,38 16,7 1,0 50,3 4,53 0,59 
 
 
Slag Arithmetic Media Standard Deviation Tmédia ± 2σ 
Group 1 1356 21 1314 – 1398 
Group 2 1373 27 1319 – 1427 
Group 3 1296 22 1252 – 1340 
Group 4 1249 23 1203 – 1295 
 
Table 2 - Chemical composition from synthetic slag 
manufactured.
Table 3 - Range of fusion temperatures for the slags manufactured
Escola de Minas 2009
CONCLUSIONS
 The range of fusion temperature for slags PF1
was higher than slags PF2;
 The energy consumption was lower for
slags PF2;
 The atmosphere employed had not influence in
the fusion temperature and the chemical
composition of slags;
Escola de Minas 2009
 There was no important changes in the 
chemical composition of slag's before 
and after the melting process
 The estimated cost for production was: 
PF1 (US$ 634) and PF2 (US$ 556).
Escola de Minas 2009
ACKNOWLEDGMENTS
FAPEMIG, CAPES and CNPq for helping the 
researches conducted by Prof. Assis
Escola de Minas 2009
You are all invited to come to one 
of the best University in Brazil and 
to do one of Engineering Course 
given by this University
Escola de Minas 2009
Muito obrigado
Thank you
Merci Bien
Gracias
Grato
Shieshie
Namaste
BIBLIOGRAPHIC REFERENCES
[1] LÚCIO, A. Físico-Química Metalúrgica. Segunda Parte. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Metalúrgica da
UFMG, 1981. Capítulos 4, 10 e 16.
[2] ASSIS, P. S. et al. Alguns Fundamentos para Fabricação de Escória Sintética na Siderurgia usando Resíduos. XXXI
SEMINÁRIO DE REDUÇÃOE MATÉRIAS PRIMAS SIDERÚRGICAS, 2000, Santos, Brasil.
[3] DEO, B; BOOM, R. Fundamentals of Steelmaking Metallurgy. Prentice Hall International, 1993.
[4] ROSENQVIST, T. Principles of Extractive Metallurgy. Second Edition. Singapore: International Student Edition, 1983.
Chapters 4 and 11.
[5] SANO, N; LU, W; RIBOUD, P. V; MAEDA, M. Advanced Physical Chemistry for Process Metallurgy. Academic Press,
1997.
[6] MILLS, K. C; SRIDHAR. Ironmaking and Steelmaking: Viscosities of Ironmaking and Steelmaking Slags. 1999. v. 26. N.
4. p. 262-268.
[7] BARROS, D. R et al. Refino Secundário do Aço. ABM, 2000. Belo Horizonte, Brasil.
[8] JÖNSSON, P. G; JONSSON, L; SICHEN, D. Viscosities of LF Slags and Their Impact on Ladle Refining. ISIJ
International, v. 37, N. 5, p. 484-491, 1997.
[9] LOWELL, S; SHIELDS, J. E. Powder Surface and Porosity. Chapter 10. Chapman and Hall, 1984.
[10] REGGIARDO, H; FERNÁNDEZ, A; DEROSA, O. Escórias Sintéticas de Cobertura para el Colado de Acero. 50o
SEMINÁRIO DE ACIARIA, IAS, 1977. p. 3-17.
[11] RAWSON, H. Glasses and Their Applications. Chapter 2.. London: The Institute of Metals, 1991.
[12] ÖSTBERG, G. Modernizing Steelmaking. A Reappraisal of the Perrin Process. Part I. La Revue de Métallurgie – CIT.
Janvier, 2001. N. 3. p. 41-53.
[13] DA SILVA, I. A; DA SILVA, C. A; CANDIDO, L. C. Fisico-Química Metalúrgica. V. 1. Apostila no 55. Departamento de
Metalurgia e Materiais da Escola de Minas. Universidade Federal de Ouro Preto.
[14] HUBER, C. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns: Impureza nos Aços. Micrografia. Capítulo 3. p. 165-174.

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