blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-3-4-218-224blackmet-1864Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESНаучные и технологические основы внепечной обработки методом резонансно-пульсирующего рафинированияScientific and technological bases of ladle processing by resonant-pulsating refiningЛубянойД. А.LubyanoiD. A.

Кандидат технических наук, доцент кафедры экономики и управления.

653033, Прокопьевск, Кемеровская обл., ул. Ноградская, 19а

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Economics and Management.

Prokopyevsk, Kemerovo Region

lubjanoy@yandex.ruТолстиковаЮ. А.TolstikovaYu. A.

Инженер.

654041, Новокузнецк, Кемеровская обл., ул. Циолковского, 23

Engineer.

Novokuznetsk, Kemerovo Region

МаркидоновА. В.MarkidonovA. V.

Доктор физико-математических наук, доцент.

654041, Новокузнецк, Кемеровская обл., ул. Циолковского, 23; 654007, Новокузнецк, Кемеровская обл., ул. Кирова, 42

Dr. Sci. (Phys. -math), Assist. Professor.

Novokuznetsk, Kemerovo Region

КузинЕ. Г.KuzinE. G.

Доцент кафедры механики и машиностроения.

653033, Прокопьевск, Кемеровская обл., ул. Ноградская, 19а

Assist. Professor of the Chair of Mechanics and Mechanical Engineering.

Prokopyevsk, Kemerovo Region

БуймовД. В.BuimovD. V.

Ведущий инженер-технолог сталеплавильного производства.

654042, Новокузнецк, Кемеровская обл., Космическое шоссе, 16

Leading Engineer-Technologist of Steelmaking Shop.

Novokuznetsk, Kemerovo Region

Филиал Кузбасского государственного технического университета имени Т.Ф. Горбачева в г. ПрокопьевскеРоссияProkopyevsk Branch of the Kuzbass State Technical University named after T.F. GorbachevRussian FederationНовокузнецкий институт (филиал) Кемеровского государственного университетаРоссияNovokuznetsk Branch of Kemerovo State UniversityRussian FederationНовокузнецкий институт (филиал) Кемеровского государственного университета; Сибирский государственный индустриальный университетРоссияNovokuznetsk Branch of Kemerovo State University; Siberian State Industrial UniversityRussian FederationЕВРАЗ - Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат, ОАОРоссияEVRAZ - Joint West Siberian Metallurgical Plant, JSCRussian Federation202025052020633-4218224Copyright © Лубяной Д.А., Толстикова Ю.А., Маркидонов А.В., Кузин Е.Г., Буймов Д.В., 20202020Лубяной Д.А., Толстикова Ю.А., Маркидонов А.В., Кузин Е.Г., Буймов Д.В.Lubyanoi D.A., Tolstikova Y.A., Markidonov A.V., Kuzin E.G., Buimov D.V.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/1864

В настоящее время все более широкое распространение для рафинирования чугуна и стали получает технология резонансно-пульсирующего рафинирования металла. В работе освещены этапы разработки резонансно-пульсирующего рафинирования для повышения качества изделий, представлены результаты физического и математического моделирования рафинирования металла азотом и аргоном. Установлено, что физическое моделирование дает хорошую качественную картину процессов продувки металла в ковше фурмами различной конструкции. Математическое моделирование позволяет количественно рассчитать оптимальные параметры продувки аргоном и азотом в ковшах различной емкости в зависимости от их размеров, диаметра фурмы и пульсатора. Проведена оценка влияния данного типа продувки металла на газосодержание, микроструктуру чугуна, его механические свойства, а также эксплуатационные свойства полученных изделий. Установлено, что прочностные свойства чугуна возросли с 91 - 105 до 130 - 170 МПа, твердость увеличилась с 137 - 150 до 163 - 182 НВ, плотность - с 6890 - 6900 до 7000 - 7200 Кг/м3. Кроме того, необходимо отметить, что применение представленной в работе технологии позволяет значительно снизить вредное влияние фосфора. Эксплуатационная стойкость изделий из доменного чугуна достигла лучших отечественных и зарубежных показателей. Данная технология эффективно показала себя и при непрерывной разливке стали на сортовой МНЛЗ. Разработанные технологии позволили при внедрении достичь наилучших показателей в отрасли с минимальными затратами. Необходимо отметить простоту внедрения данной технологии на существующих агрегатах внепечной обработки стали и на машинах непрерывной разливки стали. Разработанные технологии можно широко использовать в литейных, электросталеплавильных и кислородно-конвертерных цехах.

Currently, the technology of resonant-pulsating metal refining (RPR) becomes more widely used for refining cast iron and steel. The paper highlights the stages of development of resonant-pulsating refining to improve the quality of products and presents the results of physical and mathematical modeling of metal refining with nitrogen and argon. It is established that physical modeling gives a good qualitative picture of the processes of metal blowing in the ladle by tuyeres of various designs. Mathematical modeling allows us to quantify the optimal parameters of blowing with argon and nitrogen in ladles of different capacities, depending on the ladle size and on diameters of tuyere and pulsator. The influence of this type of metal blowing on gas content, microstructure of cast iron, its mechanical and performance properties of products made of it was evaluated. It was found that the strength properties of cast iron increased from 91 - 105 to 130 - 170 MPa, the hardness increased from 137 - 150 to 163 - 182 HB, and the density also increased from 6890 - 6900 to 7000 - 7200 Kg/m3. In addition, it should be noted that the use of the presented technology can significantly reduce the harmful effects of phosphorus. The operational stability of products made of blast-furnace cast iron has reached the best domestic and foreign indicators. This technology has also proved to be effective in continuous casting of steel on high-grade casters. It made it possible to achieve the best performance in the industry with minimal costs during implementation. The developed technology is easy to implement on existing steel non-furnace processing units and on continuous steel casting machines. It can be widely used in foundries, electric steelmaking and oxygen-converter shops.

резонансно-пульсирующее рафинированиефурма для продувкипримесьрасплавтемпературадавлениетеплотаэнтальпияresonant-pulsating refininglance blowingimpuritymelttemperaturepressureheatenthalpyReferencesЛубяной Д.А., Переходов В.Г., Фойгт Д.Б., Буймов Д.В. Опыт применения резонансно-пульсируюшего рафинирования в АО «ЕВРАЗ ЗСМК» // Черные металлы. 2019. № 6. С. 9 - 14.Lubyanoi D.A., Perekhodov V.G., Foigt D.B., Buimov D.V. Experience with the use of resonant-pulsating refining at JSC “EVRAZ ZSMK”. Chernye metally. 2019, no. 6, pp. 9-14. (In Russ.).Дауд А.Д., Семин А.Е., Котельников Г.И., Щукина Л.Е. Дефос-форация хромистых расплавов с использованием оксидов редкоземельных металлов // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 1. С. 54 - 59.Daud A.D., Semin A.E., Kotel’nikov G.I., Shchukina L.E. Dephos-phorization of high-chromium steels by using rare earth oxides. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017, vol. 60, no. 1, pp. 54-59. (In Russ.).Робей Р, Уайтхед М. Внедоменная обработка чугуна с учетом конкретных производственных условий // МРТ. Металлургическое производство и технология металлургических процессов. 2014. № 1. С. 16 - 24.Robei R., Uaitkhed M. Ladle cast iron processing tailored to specific production conditions. MRT. Metallurgicheskoe proizvodstvo i tekhnologiya metallurgicheskikhprotsessov. 2014, no. 1, pp. 16-24. (In Russ.).Георгадзе А.Г., Гернер В.И., Елашвили М.И. и др. Условия де-фосфорации жидкого металла в разливочном ковше // Литье и металлургия. 2012. № 3(67). С. 117 - 119.Georgadze A.G., Gerner V.I., Elashvili M.I. etc. Conditions of liquid metal dephosphorization in a casting ladle. Lit’ye i metallurgiya. 2012, no. 3(67), pp. 117-119. (In Russ.).Levada A.G., Makarov D.N., Zakharov V.B. ete. Phosphorus removal from high-phosphorus hot metal in the converter // Steel in Translation. 2008. Vol. 38. No. 3. P. 228 - 230.Levada A.G., Makarov D.N., Zakharov V.B. etc. Phosphorus removal from high-phosphorus hot metal in the converter. Steel in Translation. 2008, vol. 38, no. 3, pp. 228-230.Бабенко А.А.Термодинамика и макрокинетика дефосфорации металла на заключительных стадиях окислительного рафинирования фосфористых чугунов // Изв. вуз. Черная металлургия. 2011. № 12. С. 33 - 35.Babenko A.A. Thermodynamics and macrokinetics of the metal dephosphorization in the final stages of oxidizing refining of phosphorous cast iron. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2011, no. 12, pp. 33-35. (In Russ.).Краснянская И.А., Подгородецкий Г.С. Экспериментальное изучение механизма удаления фосфора из оксидных расплавов системы CaO - SiO2 - MgO - Al2O3 - P2O5 в газовую фазу // Изв. вуз. Черная металлургия. 2014. № 5. С. 41 - 46.Krasnyanskaya I.A., Podgorodetskii G.S. Experimental investigation of phosphorus behaviour in CaO - SiO2 - MgO - Al2O3 - P2O5 oxide system. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2014, no. 5, pp. 41-46. (In Russ.).Грошкова А.Л., Полулях Л.А., Травянов А.Я. и др. Распределение фосфора между фазами при выплавке высокоуглеродистого ферромарганца в доменной печи // Изв. вуз. Черная металлургия. 2007. № 11. С. 12 - 16.Groshkova A.L., Polulyakh L.A., Travyanov A.Y., Dashevskii V.Ya., Yusfin Yu.S. Phosphorus distribution between phases at smelting of high-carbon ferromanganese in a blast furnace. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2007, no. 11, pp. 12-16. (In Russ.).Laukart V.E., Chukvulebe B.O., Dobromilov A.A. etc. Converter processing of high-phosphorus hot metal for continuous casting // Steel in Translation. 2007. Vol. 37. No. 8. P. 690 - 692.Laukart V.E., Chukvulebe B.O., Dobromilov A.A. etc. Converter processing of high-phosphorus hot metal for continuous casting. Steel in Translation. 2007, vol. 37, no. 8, pp. 690-692.Мухтар А.А., Мухамбекова М.К., Макашев А.С. и др. Термомагнитное обогащение и дефосфорация бурожелезняковых руд и концентратов // Изв. вуз. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 9. С. 708 - 713.Mukhtar A.A., Mukhymbekova M.K., Makashev A.S., Savin V.N. Thermomagnetic concentration and dephosphorizing of brown clay iron ore and concentrates. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2018, vol. 61, no. 9, pp. 708-713. (In Russ.).Aizatulov R.S., Pak Y.A., Sokolov V.V. etc. Conversion of high-phosphorus low-silicon pig iron with scrap preheating in oxygen converters // Metallurgist. 2001. Vol. 45. No. 3 - 4. P. 109 - 112.Aizatulov R.S., Pak Y.A., Sokolov V.V. etc. Conversion of high-phosphorus low-silicon pig iron with scrap preheating in oxygen converters. Metallurgist. 2001, vol. 45, no. 3-4, pp. 109-112.Aizatulov R.S., Pak Y.A., Sokolov V.V. etc. Use of low-silicon high-phosphorus pig iron in converter steelmaking // Metallurgist. 2001. Vol. 45. No. 1. P. 20 - 22.Aizatulov R.S., Pak Y.A., Sokolov V.V. etc. Use of low-silicon high-phosphorus pig iron in converter steelmaking. Metallurgist. 2001, vol. 45, no. 1, pp. 20-22.Chernousov P.I., Golubev O.V., Petelin A.L. Phosphorus, lead, and arsenic in blast-furnace smelting // Metallurgist. 2001. Vol. 45. No. 4. P. 44 - 49.Chernousov P.I., Golubev O.V., Petelin A.L. Phosphorus, lead, and arsenic in blast-furnace smelting. Metallurgist. 2001, vol. 45, no. 4, pp. 44-49.Goritskii V.M. On a Possible mechanism of the influence of phosphorus on the resistance of structural steels to brittle fracture // Metal Science and Heat Treatment. 2001. Vol. 43. No. 3 - 4. P. 120 - 123.Goritskii V.M. On a possible mechanism of the influence of phosphorus on the resistance of structural steels to brittle fracture. Metal Science andHeat Treatment. 2001, vol. 43, no. 3-4, pp. 120-123.Sidorov V.V., Rigin V.E., Min P.G. etc. Effect of phosphorus and silicon on structure and properties of highly refractory cast alloys and development of effective methods for eliminating their unfavorable effect // Metal Science and Heat Treatment. 2015. Vol. 57. No. 5 - 6. P. 364 - 368.Sidorov V.V., Rigin V.E., Min P.G. etc. Effect of phosphorus and silicon on structure and properties of highly refractory cast alloys and development of effective methods for eliminating their unfavorable effect. Metal Science and Heat Treatment. 2015, vol. 57, no. 5-6, pp. 364-368.Dub V.S., Dub A.V., Makarycheva E.V. Role of impurity and process elements in the formation of structure and properties of structural steels // Metal Science and Heat Treatment. 2006. Vol. 48. No. 7. P. 279 - 286.Dub V.S., Dub A.V., Makarycheva E.V. Role of impurity and process elements in the formation of structure and properties of structural steels. Metal Science andHeat Treatment. 2006, vol. 48, no. 7, pp. 279-286.Лубяной Д.А., Софрошенков А.Ф., Синявский И.А. и др. Технология нейтрализации вредного влияния фосфора в чугуне термостойких отливок // Изв. вуз. Черная металлургия. 1999. № 10. С. 47 - 50.Lubyanoi D.A., Sofroshenkov A.F., Sinyavskii I.A., Makarov E.S., Gorkavenko V.V. Technology of neutralizing the harmful effect of phosphorus in cast iron of heat-resistant castings. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1999, no. 10, pp. 47-50. (In Russ.).Lubyanoi D.A., Gorkavenko V.V., Makarov E.S. etc. Phosphorous cast iron for heat-resistant castings // Metal Science and Heat Treatment. 2002. Vol. 44. P. 452 - 453.Lubyanoi D.A., Gorkavenko V.V., Makarov E.S., Kaminskaya I.A., Frolov A.G., Yakovenko N.A. Phosphorous cast iron for heat-resistant castings. Metal Science and Heat Treatment. 2002, vol. 44, pp. 452-453.Andreev V.V., Lubyanoi D.A., Samsonov Y.N. etc. Development of extra-furnace treatment technology for blast-furnace iron in order to manufacture replacement metallurgical equipment with improved operating life // Metallurgist. 2014. Vol. 58. P. 492 - 495.Andreev V.V., Lubyanoi D.A., Samsonov Y.N., Kaminskaya I.A., Lubyanaya S.V Development of extra-furnace treatment technology for blast-furnace iron in order to manufacture replacement metallurgical equipment with improved operating life.Metallurgist. 2014, vol. 58, pp. 492-495.Valeev D., Zinoveev D., Kondratiev A. etc. Reductive smelting of neutralized red mud for iron recovery and produced pig iron for heat-resistant castings // Metals. 2020. Vol. 10. Article 32.Valeev D., Zinoveev D., Kondratiev A., Lubyanoi D., Pankratov D. Reductive smelting of neutralized red mud for iron recovery and produced pig iron for heat-resistant castings. Metals. 2020, vol. 10, article 32.Kurylo P. Modernization and optimization of phosphoric cast iron casting // Metals. 2019. Vol. 9. No. 10. Article 1060.Kurylo P. Modernization and optimization of phosphoric cast iron casting. Metals. 2019, vol. 9, no. 10, article 1060.Cai Q., Wei B. Recent development of ductile cast iron production technology in China // China Foundry. 2008. Vol. 5. No. 2. P. 82 - 91.Cai Q., Wei B. Recent development of ductile cast iron production technology in China. China Foundry. 2008, vol. 5, no. 2, pp. 82-91.Manning C.P., Fruehan R.J. Emerging technologies for iron and steelmaking // The Member Journal of The Minerals, Metals & Materials Society. 2001. Vol. 53. No. 10. P. 20 - 23.Manning C.P., Fruehan R.J. Emerging technologies for iron and steelmaking. The Member Journal of the Minerals, Metals & Materials Society. 2001, vol. 53, pp. 20-23.Olawale J.O., Ibitoye S.A., Oluwasegun K.M. Processing techniques and productions of ductile iron: A review // International Journal of Scientific & Engineering Research. 2016. Vol. 7. No. 9. P. 397 - 423.Olawale J.O., Ibitoye S.A., Oluwasegun K.M. Processing techniques and productions of ductile iron: A review. International Journal of Scientific & Engineering Research. 2016, vol. 7, no. 9, pp. 397-423.Tiedje N.S. Solidification, processing and properties of ductile cast iron // Materials Science and Technology. 2010. Vol. 26. No. 5. P. 505 - 514.Tiedje N.S. Solidification, processing and properties of ductile cast iron. Materials Science and Technology. 2010, vol. 26, no. 5, pp. 505-514.

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