blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-9-660-668blackmet-2171Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESПерспективы использования бора в металлургии. Сообщение 2Prospects for using boron in metallurgy. Report 2ЖучковВ. И.ZhuchkovV. I.

Владимир Иванович Жучков, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории стали и ферросплавов

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Vladimir I. Zhuchkov, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Chief Researcher of the Laboratory of Steel and Ferroalloys

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016

ЗаякинО. В.ZayakinO. V.

Олег Вадимович Заякин, д.т.н., главный научный сотрудник, заведующий лабораторией стали и ферросплавов

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Oleg V. Zayakin, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher, Head of the Laboratory of Steel and Ferroalloys

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016

zferro@mail.ruАкбердинА. А.AkberdinА. A.

Александр Абдуллович Акбердин, д.т.н., профессор, заведующий лабораторией «Бор»

100009, Караганда, ул. Ермекова, 63

Aleksandr A. Akberdin, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Laboratory “Boron”

63 Ermekova Str., Karaganda 100009

akberdin_38@mail.ruИнститут металлургии УрО РАНРоссияInstitute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of ScienceRussian FederationХимико-металлургический институт им. Ж. АбишеваРоссияAbishev Chemical-Metallurgical InstituteRussian Federation202107102021649660668Copyright © Жучков В.И., Заякин О.В., Акбердин А.А., 20212021Жучков В.И., Заякин О.В., Акбердин А.А.Zhuchkov V.I., Zayakin O.V., Akberdin А.A.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/2171

Представлены перспективные направления использования бора и его соединений в процессах подготовки, металлургической переработки рудных материалов и выплавки стали с целью улучшения качества конечной продукции. Разработана эффективная технология силикотермического получения ферросиликобора, содержащего 0,6  ‒  2,0  %  B и 60  ‒  80  %  Si. Преимущество данной схемы обусловлено возможностью получения борсодержащего сплава попутно при выплавке ферросилиция. Экспериментально показано, что комплексный ферросиликобор имеет более высокие служебные характеристики, чем ферробор как с позиции его производства, так и  применения для обработки стали. Результаты промышленных испытаний технологии микролегирования бором трубных марок стали с использованием нового комплексного ферросплава подтвердили высокую степень усвоения бора ‒ до 96  %. Возможность широкого применения бора для микролегирования стали обусловлена его дешевизной, доступностью и экологичностью. Согласно проведенным расчетам, бор из комплексного ферросиликобора является наиболее дешевым микроэлементом, используемым для повышения прочностных характеристик стали. Добавки В2 О3 могут успешно использоваться для формирования высокомагнезиальных жидкоподвижных сталеплавильных шлаков. Показано, что 0,37  ‒  0,55  %  В2О3 эффективно стабилизирует высокоосновные шлаки сталеплавильного и ферросплавного производств, позволяя устойчиво получать товарный кусковый материал. Приведенный обзор, результаты лабораторных и  промышленных исследований показали возможность за счет широкого применения бора на разных стадиях металлургического производства повышать технико-экономические показатели производства и качество стали и ферросплавов, эффективно утилизировать отвальные шлаки. Выдвинутые и проверенные на металлургических предприятиях технические решения не требуют капитальных затрат и реализуются присадкой микродоз бора и его соединений в объекты металлургического производства.

The second part of the article presents perspective directions of using boron and its compounds in the preparation processes, metallurgical processing of ore materials and steel smelting in order to improve the quality of the final product. An efficient technology of silicothermal production of ferrosilicoboron containing 0.6  –  2.0  %  B and 60  –  80  %  Si has been developed. The advantage of this scheme is the possibility of obtaining a  boron-containing alloy during ferrosilicon smelting. It has been experimentally shown that ferrosilicoboron has higher performance characteristics than ferroboron both in production and when used for steel processing. The results of industrial tests of the technology for microalloying pipe grades of steel with a new ferroalloy with boron confirmed a high degree of boron assimilation – up to 96  %. The possibility of widespread use of boron for steel microalloying is due to its cheapness, availability and environmental friendliness. According to the calculations, boron from complex ferrosilicoboron is the cheapest trace element used to increase the strength characteristics of steel. Additives of B2O3 can be successfully used to form high-magnesium liquid steel-making slags. It is shown that 0.37  –  0.55  %  В2О3 effectively stabilizes the highly basic slags of the steel and ferroalloy industries. This operation allows obtaining a marketable lump material. The above review, results of the laboratory and industrial studies have shown the effectiveness of boron usage at different stages of metallurgical production. An increase in technical and economic indicators of production and quality of steel and ferroalloys, and effective disposal of waste slags is shown. The technical solutions advanced and tested at metallurgical enterprises do not require capital expenditures. They are implemented by adding microdosing of boron and its compounds to metallurgical production facilities. 

металлургияборферросплавстальшлакфизико-химические характеристикимикролегированиестабилизацияmetallurgyboronferroalloysteelslagphysical and chemical characteristicsmicroalloyingstabilizationReferencesЖучков 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., Konurov U.K. Application of boron-containing materials in metallurgy. Russian Metallurgy (Metally). 2011, vol. 2011, no. 12, pp. 1134–1137. https://doi.org/10.1134/S003602951112024XПрименение бора и его соединений в металлургии / В.И. Жучков, Л.И. Леонтьев, А.А. Акбердин, А.А. Бабенко, А.В. Сычев. Новосибирск: Академиздат, 2018. 156 с.Zhuchkov V.I., Leont’ev L.I., Akberdin A.A., Babenko A.A., Sy chev A.V. Use of Boron and Its Compounds in Metallurgy. Novosi birsk: Akademizdat, 2018, 156 p. (In Russ).Ким А.С., Заякин О.В., Акбердин А.А., Концевой Ю.В. Получение и применение новых комплексных борсодержащих ферросплавов // Электрометаллургия. 2009. № 12. С. 21‒24.Kim A.S., Zayakin О.V., Akberdin A.A., Kontsevoi Yu.V. Production and application of new complex boron-containing ferroalloys. Rus sian Metallurgy (Metally). 2010, vol. 2010, no. 12, pp. 1148–1150. https://doi.org/10.1134/S0036029510120165Бобкова О.С., Свистунова Т.В. Воздействие бора на свойства расплавов и структурообразование сталей и сплавов на основе железа и никеля // Металлург. 2008. № 3. С. 56‒60.Bobkova O.S., Svistunova T.V. Impact of boron on melt properties and structurization of iron and nickel-based steels and alloys. Metal lurgist. 2008, vol. 52, no. 3–4, pp. 175–181. https://doi.org/10.1007/s11015-008-9028-9El-Shennawy М., Farahat A.I., Masoud M.I., Abdel– Aziz A.I. Heat treatment effect on microalloyed low carbon steel with different boron content // International Journal of Mechanical Engineering. 2016. Vol. 5. No. 4. P. 9–20.El-Shennawy М., Farahat A.I., Masoud M.I., Abdel-Aziz A.I. Heat treatment effect on microalloyed low carbon steel with different boron content. International Journal of Mechanical Engineering. 2016, vol. 5, no. 4, pp. 9–20.Adamczyk J., Ozgowicz W., Wusatowski R., Kalinowska-Ozgowicz E., Grzyb R. Boron–treated microalloyed quenched and tempered plates, their structure and properties // Journal of Materials Process ing Technology. 1997. Vol. 64. No. 1–3. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(96)02548-4Adamczyk J., Ozgowicz W., Wusatowski R., Kalinowska-Ozgo wicz  E., Grzyb R. Boron–treated microalloyed quenched and tem pered plates, their structure and properties. Journal of Materials Processing Technology. 1997, vol. 64, no. 1–3, pp. 1–8. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(96)02548-4Opiela M. The influence of heat treatment on microstructure and crack resistance of boron microalloyed steel plates // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2010. Vol. 43. No. 1. Р. 117–124.Opiela M. The influence of heat treatment on microstructure and crack resistance of boron microalloyed steel plates. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2010, vol. 43, no. 1, pp. 117–124.Hu J., Du L.X., Ma Y.N., Sun G. Sh., Xie H., Misra R.D.K. Effect of microalloying with molybdenum and boron on the microstruc ture and mechanical properties of ultra-low-C Ti bearing steel // Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 640. P. 259–266. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.05.087Hu J., Du L.X., Ma Y.N., Sun G. Sh., Xie H., Misra R.D.K. Effect of microalloying with molybdenum and boron on the microstructure and mechanical properties of ultra-low-C Ti bearing steel. Materials Science and Engineering: A. 2015, vol. 640, pp. 259–266. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.05.087Balachandran G., Menaka K., Ravichandar D. Influence of manga nese and boron alloying and processing conditions on the micro structure and the mechanical properties of 0.4 % carbon steels // Transactions of the Indian Institute of Metals. 2019. Vol. 72. No. 2. P. 401– 409. https://doi.org/10.1007/s12666-018-1491-9Balachandran G., Menaka K., Ravichandar D. Influence of man ganese and boron alloying and processing conditions on the mi crostructure and the mechanical properties of 0.4 % carbon steels. Transactions of the Indian Institute of Metals. 2019, vol. 72, no. 2, pp. 401– 409. https://doi.org/10.1007/s12666-018-1491-9Opiela M. Effect of boron microaddition on hardenability of new developed HSLA-type steels // Archives of Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 99. No. 1/2. Р. 13–23.Opiela M. Effect of boron microaddition on hardenability of new developed HSLA-type steels. Archives of Materials Science and Engineering. 2019, vol. 99, no. 1/2, pp. 13–23.Fujishiro T., Hara T., Terada E., Sakamoto S., Asahi H. Application of B-added low carbon bainite steels to heavy wall X80 UOE line pipe ultralow temperature usage // Proceedings of the 2010 8th Int. Pipeline Conf. 2010. Vol. 2. P. 377–382. https://doi.org/10.1115/IPC2010-31209Fujishiro T., Hara T., Terada E., Sakamoto S., Asahi H. Application of B-added low carbon bainite steels to heavy wall X80 UOE line pipe ultralow temperature usage. Proceedings of the 2010 8th Int. Pipeline Conf. 2010, vol. 2, pp. 377–382. https://doi.org/10.1115/IPC2010-31209Бор, кальций, ниобий и цирконий в чугуне и стали / Под ред. С.М. Винарова. ГНТИ литературы по черной и цветной металлургии, 1961. 459 с.Boron, Calcium, Niobium and Zirconium in Cast Iron and Steel. Vinarov S.M. ed. STTI of literature on ferrous and non-ferrous me tallurgy, 1961, 459 p. (In Russ.).Naderi M., Ketabchi M., Abbasi M., Bleck W. Analysis of Mi crostructure and mechanical properties of different hot stamped B-bearing steels // Steel Research International. 2010. Vol. 81. No. 3. P. 216–223. https://doi.org/10.1002/srin.200900125Naderi M., Ketabchi M., Abbasi M., Bleck W. Analysis of Mi crostructure and mechanical properties of different hot stamped B-bearing steels. Steel Research International. 2010, vol. 81, no. 3, pp.  216–223. https://doi.org/10.1002/srin.200900125Аsahi H. Development of high grade OCTG and linepipe by utiliz ing boron addition // Dzairo to Prosesu CAMP ISIJ. 2009. No. 22. P. 639.Аsahi H. Development of high grade OCTG and linepipe by utiliz ing boron addition. Dzairo to Prosesu CAMP ISIJ. 2009, no. 22, p.  639.Murari F.D., Da Costa E Silva A.L.V., De Avillez R.R. Cold-rolled multiphase boron steels: Microstructure and mechanical proper ties // Journal of Materials Research and Technology. 2015. Vol. 4. No. 2. P. 191–196.ttps://doi.org/10.1016/j.jmrt.2014.12.001Murari F.D., Da Costa E Silva A.L.V., De Avillez R.R. Cold-rolled multiphase boron steels: Microstructure and mechanical properties. Journal of Materials Research and Technology. 2015, vol. 4, no. 2, pp. 191–196. ttps://doi.org/10.1016/j.jmrt.2014.12.001Mejiaa I., Bedolla-Jacuindea A., Maldonadoa C., Cabrera J.M. Hot ductility behavior of a low carbon advanced high strength steel (AHSS) microalloyed with boron // Materials Science and Engineer ing: A. 2011. Vol. 528. No. 13–14. P. 4468–4474. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.02.040Mejiaa I., Bedolla-Jacuindea A., Maldonadoa C., Cabrera J.M. Hot ductility behavior of a low carbon advanced high strength steel (AHSS) microalloyed with boron. Materials Science and Engineer ing: A. 2011, vol. 528, no. 13–14, pp. 4468–4474. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.02.040Голубцов В.А. Теория и практика введения добавок в сталь вне печи. Челябинск, 2006. 421 с.Golubtsov V.A. Theory and Practice of Introducing Additives into Steel outside the Furnace. Chelyabinsk, 2006, 421 p. (In Russ.).Потапов А.И. Исследование процессов микролегирования ста ли бором с целью совершенствования технологии производства борсодержащей стали: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Москва, 2013. 25 с.Potapov A.I. Research of steel microalloying with boron in order to improve the technology of boron-containing steel production: Ex tended Abstract of Cand. Sci. Diss. Moscow, 2013, 25 p. (In Russ.).Lopez-Chipres E., Mejia L., Maldonado C., Bedolla-Jacuinde A., El-Wahabi M., Cabrera J.M. Hot flow behavior of boron microal loyed steel // Materials Science and Engineering: A. 2008. Vol. 480. No. 1‒2. P. 49‒55. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.06.067Lopez-Chipres E., Mejia L., Maldonado C., Bedolla-Jacuinde A., El-Wahabi M., Cabrera J.M. Hot flow behavior of boron micro alloyed steel. Materials Science and Engineering: A. 2008, vol. 480, no. 1–2, pp. 49–55. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.06.067Stumpf W., Banks K. The hot working characteristics of a boron bearing and a conventional low carbon steel // Materials Science and Engineering: A. 2006. Vol. 418. No. 1‒2. P. 86‒94. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.11.020Stumpf W., Banks K. The hot working characteristics of a boron bearing and a conventional low carbon steel. Materials Science and Engineering: A. 2006, vol. 418, no. 1–2, pp. 86–94. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.11.020Колбасников Н.Г., Матвеев М.А. Исследование влияния бора на высокотемпературную пластичность микролегированных сталей // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Металлургия и материаловедение. 2016. № 1. С. 129–135.Kolbasnikov N.G., Matveev M.A. Effect of boron on high-tem perature plasticity of microalloyed steels. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo politekhniches kogo universiteta. Metallurgiya i materialovedenie. 2016, no. 1, pp. 129–135. (In Russ.).Yessengaliyev D., Baisanov S., Issagulov A., Zayakin O., Abdi rashit A. Thermodynamic diagram analysis (TDA) of MnO‒CaO‒ Аl2 O3 ‒SiO2 and phase composition of slag in refined ferromanga nese production // Metalurgija. 2019. Vol. 58. No. 3‒4. Р. 291‒294.Yessengaliyev D., Baisanov S., Issagulov A., Zayakin O., Abdira shit  A. Thermodynamic diagram analysis (TDA) of MnO–CaO– Аl2 O3 -SiO2 and phase composition of slag in refined ferromanga nese production. Metalurgija. 2019, vol. 58, no. 3–4, pp. 291–294.Гасик М.И., Гладких В.А., Жданов А.В. и др. Расчетное определение ценности марганцеворудного сырья // Электрометаллургия. 2009. № 1. С. 32‒34.Gasik M.I., Gladkikh V.A., Zhdanov A.V., Zhuchkov V.I., Zaya kin  O.V., Leont’ev L.I., Ovcharuk A.N. Calculation of the value of manganese ore raw materials. Russian Metallurgy (Metally). 2009, vol. 2009, no. 8, pp. 756–758.Kelamanov B., Samuratov Y., Akuov A., Abdirashit A., Burum bayev A., Orynbassar R. Research possibility of involvement Ka zakhstani nickel ore in the metallurgical treatment // Metalurgija. 2021. Vol. 60. No. 3‒4. P. 313‒316.Kelamanov B., Samuratov Y., Akuov A., Abdirashit A., Burum bayev  A., Orynbassar R. Research possibility of involvement Ka zakhstani nickel ore in the metallurgical treatment. Metalurgija. 2021, vol. 60, no. 3–4, pp. 313–316.Заякин О.В., Жучков В.И., Лозовая Е.Ю. Время плавления никельсодержащих ферросплавов в стали // Известия вузов. Черная металлургия. 2007. № 5. С. 13‒16.Zayakin O.V., Zhuchkov V.I., Lozovaya E.Yu. Melting time of nick el-bearing ferroalloys in steel. Steel in Translation. 2007, vol.  37, no. 5, pp. 416–418. https://doi.org/10.3103/S0967091207050038Жучков В.И., Заякин О.В., Леонтьев Л.И. и др. Физико-химические характеристики, получение и применение комплексных борсодержащих ферросплавов // Известия вузов. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 5. С. 348‒364. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-5-348-354Zhuchkov V.I., Zayakin O.V., Leont’ev L.I., Sychev A.V., Kel’ I.N. Physicochemical characteristics, production and application of boron-bearing complex ferroalloys. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017, vol. 60, no. 5, pp. 348–352. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-5-348-354Сиротин Д.В. Эффективность повышения качества стали за счет микролегирования // Препринт. Екатеринбург: Институт экономики УрО РАН, 2013. 50 с.Sirotin D.V. Efficiency of Improving the Quality of Steel by Microal loying. Preprint. Yekaterinburg: Institute of Economics, UB RAS, 2013, 50 p. (In Russ.).Durinck D., Arnout S., Mertens G., Boydens E., Jones P.T., Elsen J., Blanpain B., Wollants P. Borate distribution in stabilized stainless steel slag // Journal of the American Ceramic Society. 2008. Vol. 91. No. 2. Р. 548‒554. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2007.02147.xDurinck D., Arnout S., Mertens G., Boydens E., Jones P.T., Elsen J., Blanpain B., Wollants P. Borate distribution in stabilized stainless steel slag. Journal of the American Ceramic Society. 2008, vol. 91, no. 2, pp. 548–554. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2007.02147.xЗаякин О.В., Статных Р.Н., Жучков В.И. Изучение возможности получения неразлагающегося шлака при производстве низко углеродистого феррохрома // Металлург. 2018. № 9. С. 25‒29.Zayakin O.V., Statnykh R.N., Zhuchkov V.I. Study of the possibility of obtaining non-decomposing slag during low-carbon ferrochrome production. Metallurgist. 2019, vol. 62, no. 9–10, pp. 875–881. https://doi.org/10.1007/s11015-019-00744-8Pontikes Y., Jones P. T., Geysen D., Blanpain B. Options to pre vent dicalcium silicate–driven disintegration of stainless steel slags // Archives of Metallurgy and Materials. 2010. Vol. 55. No. 4. P. 1169–1172. https://doi.org/10.2478/v10172-010-0020-6Pontikes Y., Jones P. T., Geysen D., Blanpain B. Options to pre vent dicalcium silicate–driven disintegration of stainless steel slags. Archives of Metallurgy and Materials. 2010, vol. 55, no. 4, pp. 1169–1172. https://doi.org/10.2478/v10172-010-0020-6Pontikes Y., Kriskova L., Wang X., Geysen D. Additions of indus trial residues for hot stage engineering of stainless steel slags // 2nd Int. Slag Valorisation Symposium on April 18-20, 2011, Belgium. 2011. Р. 313–326.Pontikes Y., Kriskova L., Wang X., Geysen D. Additions of indus trial residues for hot stage engineering of stainless steel slags. In: 2nd Int. Slag Valorisation Symposium on April 18-20, 2011, Belgium. 2011, pp. 313–326.Fletcher J.G., Glasser F.P. Phase relations in the system CaO– B2 O3 –SiO2 // Journal of Materials Science. 1993. Vol. 28. No. 10. P. 2677–2686. https://doi.org/10.1007/BF00356203Fletcher J.G., Glasser F.P. Phase relations in the system CaO– B2 O3 –SiO2 . Journal of Materials Science. 1993, vol. 28, no. 10, pp. 2677–2686. https://doi.org/10.1007/BF00356203Seci A., Aso Y., Okubo M., Sudo F., Ishizaka K. Development of dusting prevention stabilizer for stainless steel slag // Kavasaki Steel Technical Report. 1986. No. 15. Р. 16‒21.Seci A., Aso Y., Okubo M., Sudo F., Ishizaka K. Development of dusting prevention stabilizer for stainless steel slag. Kavasaki Steel Technical Report. 1986, no. 15, pp. 16–21.Ghose A., Chopra S., Young J.F. Microstructural characterization of doped dicalcium silicate polymorphs // Journal of Materials Sci ence. 1983. Vol. 18. No. 10. P. 2905–2914. https://doi.org/10.1007/BF00700771Ghose A., Chopra S., Young J.F. Microstructural characterization of doped dicalcium silicate polymorphs. Journal of Materials Science. 1983, vol. 18, no. 10, pp. 2905–2914. https://doi.org/10.1007/BF00700771Chan C.J., Waltraud M., Young J.F. Physical stabilization of the β – γ transformation in dicalcium silicate // Journal of the American Ceramic Society. 1992. Vol. 75. No. 6. P. 1621–1627. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1992.tb04234.xChan C.J., Waltraud M., Young J.F. Physical stabilization of the β  –  γ transformation in dicalcium silicate. Journal of the American Ceramic Society. 1992, vol. 75, no. 6, pp.1621–1627. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1992.tb04234.xZayakin O.V., Kel’ I.N. Promising directions for the stabilization of ferroalloy production slags // Materials Science Forum. 2019. Vol. 946. Р. 401‒405. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.946.401Zayakin O.V., Kel’ I.N. Promising directions for the stabilization of ferroalloy production slags. Materials Science Forum. 2019, vol.  946, pp. 401-405. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.946.401

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