blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-2-140-144blackmet-1023Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESИЗУЧЕНИЕ МЕЖФАЗНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ БОРА МЕЖДУ БОРСОДЕРЖАЩИМ ОКСИДОМ И МЕТАЛЛОМRESEARCH OF THE BORON INTERFACIAL DISTRIBUTION BETWEEN BORON-BEARING OXIDE AND METALСычевА. В.SychevA. V.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник, группа Советника РАН

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

ntm2000@mail.ruСалинаВ. А.SalinaV. A.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник, группа Советника РАН

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

valentina_salina@mail.ruБабенкоА. А.BabenkoA. A.

Доктор технических наук, главный научный сотрудник, лаборатория пирометаллургии цветных металлов

Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher of the Laboratory of Pyrometallurgy of Nonferrous Metals

babenko251@gmail.comЖучковВ. И.ZhuchkovV. I.

Доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, группа Советника РАН

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Chief Researcher

ntm2000@mail.ruИнститут металлургии Уральского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Metallurgy, UB RASRussian Federation201701032017602140144Copyright © Сычев А.В., Салина В.А., Бабенко А.А., Жучков В.И., 20172017Сычев А.В., Салина В.А., Бабенко А.А., Жучков В.И.Sychev A.V., Salina V.A., Babenko A.A., Zhuchkov V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1023

С применением программного комплекса HSC 6.1 Chemistry (Outokumpu) проведены термодинамические расчеты по изучению влияния кремния (0,1 – 0,8 %), алюминия (0,005 %) и углерода (0,1 %), содержащихся в металле, на процесс восстановления бора из шлака основностью 5 в диапазоне температур 1400 – 1700 °С. Эксперименты по межфазному распределению бора между шлаком системы СаО – SiО2 – MgO – Al2O3 – B2O3 и металлом проводили в высокотемпературной печи электросопротивления Таммана. Использовали низкоуглеродистую сталь с различным содержанием кремния. Результаты термодинамического моделирования и экспериментальные данные показали принципиальную возможность осуществления прямого микролегирования стали бором за счет его восстановления кремнием, присутствующим в металле. Теоретически обоснован и экспериментально изучен процесс восстановления бора кремнием из шлака. Полученные при термодинамическом моделировании результаты свидетельствуют о термодинамической возможности восстановления бора из оксидной системы СаО – SiО2 – MgO – Al2O3 – B2O3 кремнием несмотря на его низкую (0,1 – 0,8 %) концентрацию в металле. При этом увеличение исходного содержания кремния в стали приводит к повышению концентрации восстановленного бора в металле. Приведены результаты, характеризующие влияние содержания кремния и температуры металла на содержание бора в стали. Показано, что выдержка металла под шлаком, содержащим 4,3 % B2O3 , сопровождается восстановлением бора. Основным восстановителем бора является кремний, содержание которого в металле после опыта снижается на 15 – 22 %. При этом в образце стали с повышенной концентрацией кремния содержится большее количество бора. Коэффициент усвоения бора составил от 5,8 до 6,9 %, что принципиально коррелирует с результатами термодинамического моделирования. Концентрацию бора в металле можно регулировать изменением температуры процесса и изменением содержания в стали кремния. Результаты исследований могут быть использованы при разработке технологии процесса прямого микролегирования стали бором.

The thermodynamic calculations have been performed to study the influence of silicon (0.1 – 0.8 %), aluminum (0.005 %) and carbon (0.1 %) contained in the metal on recovery process of boron from slag with the basicity equal to 5, at temperatures of 1400 – 1700 °C with the help of software package HSC 6.1 Chemistry (Outokumpu). The experiments of interfacial distribution of boron between slag system of СаО – SiО2 – MgO – Al2O3 – B2O3 and metal have been carried out in a high temperature electrical resis­tance furnace of Tamman. The low-carbon steels with different con­tents of silicon were the base metal. The results of thermodynamic modeling and experimental data have shown that direct microalloy­ing of steel with boron are crucially possible due to boron reduce with the help of silicon in metal. The reduction of boron with slag is possible with the help of silicon in metal and the process was theo­retically based and experimentally studied. The results of thermody­namic modeling indicate the possibility of thermodynamic recovery of boron from the system of СаО – SiО2 – MgO – Al2O3 – B2O3 with the help of silicon, despite its low (0.1 – 0.8 %) concentration in the metal. The increase of the initial silicon content in the steel increases the concentration of boron in the reduced metal. The results have shown the effect of silicon content and temperature of metal on the content of boron in steel. It has been shown that an extract of the metal by slag, containing 4.3 % B2O3 , is accompanied by boron reduction. The primary reductant of boron is silicon, whose content in the metal after the experiment is reduced by 15 – 22 %. Thus, the steel sample with high concentration of silicon contains greater amount of boron. Recovery rate of boron ranges from 5.8 to 6.9 %, it is essentially correlated with the results of thermodynamic mod­eling. The concentration of boron in the metal can be controlled by changing temperature of process and content of silicon in the steel. The research results can be used in the development of the process technology of direct steel microalloying with boron.

стальшлакбортермодинамическое моделированиеэкспериментальные исследованиямежфазное распределение борапрямое легированиеsteelslagboronthermodynamic modelingexperimental studyinterfacial distribution of borondirect alloyingРоссийский научный фонд (проект № 16-19-10435)Russian Science Foundation (Project no. 16-19-10435)ReferencesЛякишев Н.П., Плинер Ю.Л., Лаппо С.И. Борсодержащие стали и сплавы. – М.: Металлургия, 1986. – 192 с.Lyakishev N.P., Pliner Yu.L., Lappo S.I. Borsoderzhashchie stali i splavy [Boron-containing steels and alloys]. Moscow: Metallurgiya, 1986, 192 p. (In Russ.).Ершов Г.С., Бычков Ю.Б. Физико-химические основы рационального легирования стали и сплавов. – М.: Металлургия, 1982. – 360 с.Ershov G.S., Bychkov Yu.B. Fiziko-khimicheskie osnovy ratsional’nogo legirovaniya stali i splavov [Physical and chemical frame¬works of rational alloying of steel and alloys]. Moscow: Metallur¬giya, 1982, 360 p. (In Russ.).Heckmann C.J., Ormston D., Grimpe F. etс. Development of low carbon Nb-Ti-B microalloyed steels for high strength large diameter linepipe // Iron and Steelmaking. 2005. No. 4. P. 57 – 60.Heckmann C.J., Ormston D., Grimpe F. etc. Development of low carbon Nb-Ti-B microalloyed steels for high strength large diameter linepipe. Iron and Steelmaking. 2005, no. 4, pp. 57–60.Асахи Х., Хаара Т., Тзуру Е. и др. Разработка ультравысокопрочных труб X120 UEO. – В сб. докладов Международного семинара «Современные стали для газонефтепроводных труб, проблемы и перспективы». – М.: Металлургиздат, 2006. С. 123 – 130.Asakhi Kh., Khaara T., Tzuru E. etc. Development of ultra-high-strength X120 UEO pipes. In: Sb. dokladov Mezhdunarodnogo sem¬inara “Sovremennye stali dlya gazonefteprovodnykh trub, problemy i perspektivy” [Collected papers of the International seminar “Modern steels for gas oil pipes, problems and perspectives”]. Moscow: Metallurgizdat, 2006, pp. 123–130. (In Russ.).Кобяков К.В., Невар Н.Ф. Исследование влияния легирования бором на свойства железоуглеродистых сплавов // Литье и металлургия. 2014. № 1 (74). С. 105 – 107.Kobyakov K.V., Nevar N.F. Research of the influence of alloying with boron on the properties of iron-carbon alloys. Lit’e i metallur¬giya. 2014, no. 1 (74), pp. 105–107. (In Russ.).Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. – М.: Металлургия, 1986. – 272 c.Gol’dshtein Ya.E., Mizin V.G. Modifitsirovanie i mikrolegirovanie chuguna i stali [Modification and microalloying of cast-iron and steel]. Moscow: Metallurgiya, 1986, 272 p. (In Russ.).Колбасников Н.Г., Матвеев М.А. Исследование влияния бора на высокотемпературную пластичность микролегированных сталей // Науч.-техн. ведомости СПбГПУ. Металлургия и материаловедение. 2016. № 1 (238). С. 129 – 135.Kolbasnikov N.G., Matveev M.A. Research of boron influence on high-temperature plasticity of microalloyed steel. Nauch.-tekhn. vedomosti SPbGPU. Metallurgiya i materialovedenie. 2016, no. 1 (238), pp. 129–135. (In Russ.).Потапов А.И. Исследование процессов микролегирования стали бором с целью совершенствования технологии производства борсодержащей стали: Автореф. дис. … канд. техн. наук, 2013. – 27 с.Potapov A.I. Issledovanie protsessov mikrolegirovaniya stali borom s tsel’yu sovershenstvovaniya tekhnologii proizvodstva borsoder¬zhashchei stali: Avtoref. dis. kand. tekhn. nauk [Research of pro¬cesses of steel microalloying with boron to improve the technology of production of boron-containing steel: Extended Abstract of Cand. Sci. Diss.]. Moscow, 2013, 27 p. (In Russ.).Upadhyaya N., Pujara M.G., Sakthivelb T. etc. Effect of Addition of Boron and Nitrogen on the Corrosion Resistance of Modified 9Cr-1Mo Ferritic Steel // Procedia Engineering. 2014. No. 86. P. 606 – 614.Upadhyaya N., Pujara M.G., Sakthivelb T., Mallikaa C., Lahab K. and Kamachi Mudalia U. Effect of addition of boron and nitrogen on the corrosion resistance of modified 9Cr-1Mo ferritic steel. Pro¬cedia Engineering. 2014, no. 86, pp. 606–614.Zhang Ya-long, Zhang Ying-yi1, Yang Fei-hua2, Zhang Zuotai. Effect of alloying elements (Sb, B) on recrystallization and oxidation of Mn-containing IF steel // Journal of iron and steel research, international. 2013. Vol. 20. No. 3. P. 39 – 44.Zhang Ya-long, Zhang Ying-yi1, Yang Fei-hua2, Zhang Zuo-tai. Ef¬fect of alloying elements (Sb, B) on recrystallization and oxidation of Mn-containing IF steel. Journal of iron and steel research, inter¬national. 2013, vol. 20, no. 3, pp. 39–44.Wang H., Zhang T., Zhu H. etc. Effect of В2О3 on melting temperature, viscosity and desulfurization capacity of CaO-based refining flux // ISIJ International. 2011. Vol. 51. No. 5. P. 702 – 706.Wang H., Zhang T., Zhu H., Guirong L., Yongqi Y., Wang J. Effect of В2О3 on melting temperature, viscosity and desulfurization capacity of CaO-based refining flux. ISIJ International. 2011, vol. 51, no. 5, pp. 702–706.Kyung Chul Choa, Dong Jun Munb, Yang Mo Koob, Jae Sang Leeb. Effect of niobium and titanium addition on the hot ductility of boron containing steel // Materials Science and Engineering A. 2011. Vol. 528. P. 3556 – 3561.Kyung Chul Choa, Dong Jun Munb, Yang Mo Koob, Jae Sang Leeb. Effect of niobium and titanium addition on the hot ductility of bo¬ron containing steel. Materials Science and Engineering A. 2011, vol. 528, pp. 3556–3561.Loґpez-Chipresa E., Mejıґa I., Maldonado C. etc. Hot flow behavior of boron microalloyed steels // Materials Science and Engineering A. 2008. Vol. 480. P. 49 – 55.Loґpez-Chipresa E., Mejıґa I., Maldonado C., Bedolla-Jacuinde A., El-Wahabi M., Cabrera J.M. Hot flow behavior of boron microal¬loyed steels. Materials Science and Engineering A. 2008, vol. 480, pp. 49–55.Stumpf W., Banks K. The hot working characteristics of boron bearing and conventional low carbon steel // Materials Science and Engineering A. 2006. Vol. 418. P. 86 – 94.Stumpf W., Banks K. The hot working characteristics of boron bear¬ing and conventional low carbon steel. Materials Science and Engi¬neering A. 2006, vol. 418, pp. 86–94.Степанов А.И., Бабенко А.А., Сычев А.В. и др. Отработка технологии микролегирования стали бором с использованием ферросиликобора // Металлург. 2014. № 7. С. 50 – 52.Stepanov A.I., Babenko A.A., Sychev A.V., Zhuchkov V.I., Murzin A.V., Dresvyankina L.E., Ushakov M.V. Development of technology for microalloying steel with boron using ferro-silicon-boron. Metallurgist. 2014, vol. 58, no. 7–8, pp. 588–590.Bedolla-Jacuinde A., Guerra F.V., Rainforth M. etc. Sliding wear behavior of austempered ductile iron microalloyed with boron // Wear. 2015. Vol. 330-331. P. 23 – 31.Bedolla-Jacuinde A., Guerra F.V., Rainforth M., Mejia I., Mal¬donado C. Sliding wear behavior of austempered ductile iron microalloyed with boron. Wear. May-June. 2015, vol. 330-331, pp. 23–31.Коновалов Р.П. Слиток кипящей стали. – М.: Металлургия, 1986. – 176 с.Konovalov R.P. Slitok kipyashchei stali [Open steel ingot]. Mos¬cow: Metallurgiya, 1986, 176 p. (In Russ.).Yang Zhong-dong, Liu Su-lan, LI Ze-fu, Xue Xiang-xin. Oxidation of Silicon and Boron in Boron Containing Molten Iron // Jornal of iron and steel research, international. 2007. No. 14(6). P. 32 – 36.YANG Zhong-dong, LIU Su-lan, LI Ze-fu, XUE Xiang-xin. Oxidation of Silicon and Boron in Boron Containing Molten Iron. Jornal of iron and steel research, international. 2007, no. 14(6), pp. 32–36.Жучков В.И., Акбердин А.А., Ватолин Н.А. и др. Применение борсодержащих материалов в металлургии // Электрометаллургия. 2011. № 3. С. 25 – 29.Zhuchkov V.I., Akberdin A.A., Vatolin N.A., Leont’ev L.I., Zaya¬kin O.V., Kim A.S. Usage of boron-containing materials in metal¬lurgy. Elektrometallurgiya. 2011, no. 3, pp. 25–29. (In Russ.).Бабенко А.А., Жучков В.И., Смирнов Л.А. и др. Исследование и разработка комплексной технологии производства низкоуглеродистой борсодержащей стали с низким содержанием серы // Сталь. 2015. № 11. С. 48 – 50.Babenko A.A., Zhuchkov V.I., Smirnov L.A., Sychev A.V., Ak¬berdin A.A., Kim A.S., Vitushchenko M.F., Dobromilov A.A. Pro¬duction technology for low-carbon, low-sulfur boron steel. Steel in Translation. 2015, vol. 45, no. 11, pp. 883–886.Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical reactions and Equilibrium software with extensive thermochemical database. – Pori: Outokumpu research OY, 2002.Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical reac¬tions and Equilibrium software with extensive thermochemical data¬base. Pori: Outokumpu research OY, 2002.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.