AP13268863 – «Исследование раскислительной способности нового комплексного раскислителя при выплавке полуспокойных и спокойных марок сталей»

Общемировые стандарты качества ежегодно возрастают, на его фоне производители в конкуренции стремятся снизить себестоимость металлопродукта путем экономии энергоресурсов и применяемых материалов, не теряя при этом качество. Большое внимание уделяется производству стали с пониженным содержанием неметаллических включений.  Неметаллические оксидные включения при обработке стали имеют острые грани, служащие центром концентрации напряжения. Влияния указанного фактора необходимо максимально снизить. Для снижения концентрации кислорода в стали используется различные методы раскисления. Раскисление является ключевой стадией при повышении качества стали.

Производство комплексных сплавов требует применения новых видов сырья и материалов, а максимальное использование всех его компонентов дают возможность переработки техногенных некондиционных сырьевых материалов и разработать мало и безотходные технологии получения ферросплавов.

Предлагаемая технология получения новых сплавов на основе Fe-Si-Mn-Al основана на использовании высокозольного угля, который не применяется в энергетике из-за высокого содержания золы и некондиционных высококремнистых и железомарганцевых руд, непригодных для получения стандартных сортов марганцевых ферросплавов.

Комплексные сплавы на основе Fe-Si-Mn-Al будет имеет ряд преимуществ по сравнению со стандартными ферросплавами. Преимущества комплексных раскислителей особенно четко проявляются в кинетике процесса раскисления и очистки металла от продуктов раскисления. Обработанный металл будет содержит наименьшее количество неметаллических включений.

Использование некондиционных марганецсодержащих руд на комплексные сплавы является экономически выгодной, чем обогащение и переработка марганцевого сырья на выплавку марганцевых ферросплавов.

Предлагаемое решение позволит получить качественные стали путём её эффективного раскисления и максимального удаления  неметаллических включений комплексной лигатурой, а также значительно сократить традиционные ферросплавы и чушковый алюминий и снизить себестоимость продукции путем экономии энергоресурсов, не теряя при этом качество.

1) Жүнісқалиев Талғат Тоқашұлы – доктор философии (PhD), старший научный сотрудник Департамента науки, инноваций и международного сотрудничества, руководитель проекта.

Scopus ID: 57218196497  

Researcher ID: AAG-6131-2021  

https://orcid.org/0000-0001-9757-0605

2) Нурумгалиев Асылбек Хабадашевич – доктор технический наук, профессор кафедры «Металлургия и материаловедение», отечественный научный консультант.

Scopus ID: 10042501900 

Researcher ID: AAF-9195-2021 

https://orcid.org/0000-0002-8782-9975

3) Заякин Олег Вадимович – доктор технический наук, заведующий лабораторией стали и ферросплавов ИМет УрО РАН, зарубежный научный консультант (г. Екатеринбург, РФ).

Scopus ID: 6603292402  

https://orcid.org/0009-0009-9831-1993

По итогам реализации научных и (или) научно-технических проекта, будет опубликовано 3 (три) статьи в рецензируемых научных изданиях по научному направлению проекта, индексируемых в Science Citation Index Expanded базы Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 35 (тридцати пяти) и 1 (один) статьи в отечественном издании в области металлургии, рекомендованном КОКСОН или приравниванных к ним изданиях с участием не менее 50 % членов исследовательской группы.

По результатам научных исследований будет опубликована монография по теории и технологии получения комплексных лигатур.

Возможности патентования полученных результатов в зарубежном, казахстанском или евразийском патентном бюро не рассматриваются.

По результатам научных исследований будет разработано технологическая инструкция получения комплексной лигатуры из высокозольных углей и марганцевой руды и технологический регламент раскисления комплексной лигатурой полуспокойных и спокойных сталей.

Результаты научных исследований будут распространяться на международных конференциях, симпозиумах, различных международных выставках технологии, публикацией статей в рецензируемых научных изданиях по научному направлению проекта и отечественных изданиях в области металлургии, рекомендованном КОКСОН или приравниванных к ним изданиях.

Целевыми потребителями нового комплексного сплава будут конвертерный цех АО «Qarmet», фасонно-литейный цех ТОО «ҚұрылысМет», ТОО «Qaz Carbon», ТОО «KSP-Steel» и другие сталеплавильные заводы Казахстана, ближнего и дальнего зарубежья.

Исследование обладают совершенной новизной и перспективностью с точки зрения улучшения технологического процесса раскисления сталей. При этом может будет отдельная стадия в технологической цепочке производства, направленная на получения комплексных лигатур из марганецсодержащих руд и высокозольных углей. В результате реализации проекта будет вовлечено марганцевые руды не только крупных и средних, но и малые месторождения некондиционных марганцевых, железомарганцевых и высококремнистых руд и высокозольные угли, не используемые в энергетических целях.

Результаты испытаний будут заактированы, пакет документов (технологическая инструкция получения комплексной лигатуры и технологический регламент раскисления комплексной лигатурой полуспокойных и спокойных сталей) будут переданы непосредственно производственным организациям, в том числе со финансирующей и выданы рекомендации по внедрению технологии раскисления комплексными лигатурами Fe-Si-Mn-Al.

Социальный и экономический эффект от реализации проекта будет существенным при открытии новых предприятии, работа которых будет направлена на производство комплексных лигатур Fe-Si-Mn-Al, а также при разработке малых месторождении марганцевых руд и увеличения спроса на высокозольные угли, ранее используемых только при народно-хозяйственной отрасли. Экологический эффект от проекта ожидается от использования некондиционных марганцевых руд, переработанных ранее лежащих в отвалах и высокозольных углей, где все элементы будет вовлечены в производства комплексной лигатуры. Научно-технический эффективность проекта соответствует национальному проекту «Технологический рывок за счет цифровизации, науки и инноваций» и направлена на развитие производства качественных сталей в металлургической и машиностроительной промышленности Республики Казахстан.

В реализации проекта будет использованы современные программные комплексы как HSC Chemistry и Thermo-Calc, что значительно будет сокращать количество экспериментов, необходимой для разработки получения и применения нового комплексного сплава и раскисления стали. HSC Chemistry позволить моделировать процесс получения комплексной лигатуры в оптимальных условиях без дополнительных энергозатрат и сократить материалоёмких экспериментальных исследований, а Thermo-Calc может помочь в предварительном отборе условий испытаний, позволяя лучше нацеливать эксперименты для получения необходимых данных.

1) Изучены влияние традиционных раскислителей на свойства спокойных и полуспокойных марок сталей и на содержание неметаллических включений. Состав неметаллических включений определен с помощью энергодисперсионного анализа, и представляет собой силикаты сложного состава (на основе кремния, алюминия) и алюминат (корунд) простого состава (на основе алюминия) и силикат простого состава (на основе кремния). Определено согласно ГОСТу 5639-82 микростуктура спокойных и полуспокойных марок сталей до и после раскисления феррита и видманштетт соответственно. Согласно термодинамическим данным установлено, что при комплексном раскислении металлического расплава, активность оксидов, образующихся в результате процесса раскисления с разными раскислителями, меньше единицы, т.е. при одном и том же содержании элемента раскислителя можно получить металл с более низкой концентрацией кислорода. При комплексном раскислении продукты раскисления — плавятся при более низких температурах, чем чистые оксиды, это дает возможности к их коагуляции и более полному удалению из расплава стали.

2) Получены опытные образцы от АО «АрселорМиттал Темиртау» имеет следующий состав: 3сп – до раскисления 0,04 С; 0,03 Mn; 0,010 P; 0,019 S; 0,01 Cr; 0,02 Ni; 0,04 Cu, а после раскисления 0,015 C; 0,041 Mn; 0,022 S; 0,012 P; 0,020 Si; 0,013 Al. 08пс – до раскисления 0,05 C; 0,05 Mn; 0,007 P; 0,018 S; 0,01 Cr; 0,02 Ni; 0,03 Cu, а после раскисления 0,04 C; 0,34 Mn; 0,023 S; 0,009 P; 0,098 Si; 0,025 Al. Установили, что в образцах проб до раскисления №1 и 3 присутствуют неметаллические частицы – силикаты и алюминаты, недеформированные, точечные 5 (пятого) балла, а образцах проб после раскисления №2 и 4 – ниже 2 (второго) балла по шкале ГОСТ 1778-70. Размер неметаллических включений образца №1 и 3 ниже 6,1 мкм, а образца №2 и 4 – ниже 1,9 мкм.

3) Получены опытные образцы раскислителя в руднотермических печах с применением марганцевых руд и высокозольных углей, а также получены методом сплавления из ферромарганца, ферросилиция и чушкового алюминия. Разработка опытных образцов сплава с разнообразным химическим составом, основанным на различных соотношениях марганца, кремния и алюминия, представляет собой новаторский подход в материаловедении и металлургии. Глубокий анализ влияния каждого элемента (Mn, Si, Al) на физические и металлургические свойства сплава, такие как твердость, плотность, температура плавления и коррозионная стойкость, представляет значительный научный интерес. Работа демонстрирует, как точное управление химическим составом может быть использовано для оптимизации ключевых свойств материала, что имеет важное практическое значение для производства и применения сплавов в различных отраслях в том числе при раскисление стали.

4) Получены опытные образцы из марганцевых руд и высокозольных углей, а также методом сплавления с применением ферромарганца, ферросилиция и чушкового алюминия. Образец №1-1: Mn – 48,80%; Si – 31,15%; Al – 10,30% и ост. Fe, P, S, C. Образец №1-2: Mn – 20,30%; Si – 37,79%; Al – 12,85% и ост. Fe, P, S, C. Образец №2-1: Mn – 33,97%; Si – 35,70%; Al – 11,67% и ост. Fe, S, C. Образец №2-2: Mn – 41,02%; Si – 30,56%; Al – 10,24% и ост. Fe, S, C. Образец №2-3: Mn – 47,12%; Si – 29,15%; Al – 7,93% и ост. Fe, S, C. Образец №2-4: Mn – 48,06%; Si – 27,09%; Al – 11,24% и ост. Fe, S, C. Образец №2-5: Mn – 35,95%; Si – 33,87%; Al – 7,93% и ост. Fe, S, C.