blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2025-5-476-481blackmet-2962Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEКорреляция структуры и характеристик ферросплавовCorrelation between the structure and properties of ferroalloyshttps://orcid.org/0000-0001-6411-6932КельИ. Н.Kel’I. N.

Илья Николаевич Кель, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории стали и ферросплавов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Il’ya N. Kel’, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Laboratory of Steel and Ferroalloys

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

dunnington@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8621-7467ЖучковВ. И.ZhuchkovV. I.

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

Россия, 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, Russian Federation

ntm2000@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0009-9831-1993ЗаякинО. В.ZayakinO. V.

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

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

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

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

zferro@mail.ruИнститут металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАНРоссияVatolin Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202508112025685476481Copyright © Кель И.Н., Жучков В.И., Заякин О.В., 20252025Кель И.Н., Жучков В.И., Заякин О.В.Kel’ I.N., Zhuchkov V.I., Zayakin O.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/2962

В статье представлен обзор исследований взаимосвязи структуры и фазового состава со свойствами ферросплавов, а также их влияния на качество обрабатываемых металлов. Требования, предъявляемые к ферросплавам, включают в себя не только химичес­кий состав, но и ряд свойств: рациональную температуру плавления, устойчивость к окислению, плотность и время растворения в обрабатываемом расплаве. Структура и фазовый состав сплавов также имеют решающее значение, поскольку они влияют на рассыпаемость, ликвацию элементов в объеме слитка, способность к дроблению и образованию мелких фракций. В работе приведены результаты исследований, направленных на решение проблемы самопроизвольного рассыпания ферросилиция, вызванного эвтектоидным превращением лебоита и наличием примесей. Предложены методы борьбы с дезинтеграцией ферросплава путем быстрого охлаждения, снижения доли примесей и стабилизации структуры с помощью таких добавок, как бор. В статье рассмотрены структурные особенности других сплавов, например, силикокальция, где улучшение дробимости достигается за счет замедления кристаллизации и изменения фазового состава. Обсуждаются подходы к моделированию фазового состава ферросплавов, включая термодинамически-диаграммный метод и анализ полигональных диаграмм состояния. Результаты исследований по быстрому охлаждению модификаторов демонстрируют повышенную эффективность за счет мелкодисперсной структуры и равномерного распределения активных элементов. Установлено, что структура ферросплавов влияет на первичную кристаллизацию чугуна, определяя морфологию графита и матрицы. Показано влияние фазового состава и типа неметаллических включений (оксиды, сульфиды) ферросплавов на свойства стали. На основе проведенного обзора подчеркивается необходимость учета структурно-фазовых характеристик ферросплавов, что позволит повысить качество металлурги­ческой продукции, снизить расход материалов и минимизировать негативные эффекты.

The paper reviews the studies on relationship between the structure, phase composition, and properties of ferroalloys, as well as their impact on the quality of treated metals. The requirements for ferroalloys include not only chemical composition but also a range of properties: optimal melting temperature, oxidation resistance, density, and time of dissolution in the treated melt. The structure and phase composition of the alloys are also crucial, as they affect friability, element segregation within the ingot, crushability, and formation of fine fractions. The study presents research findings aimed at addressing the issue of spontaneous disintegration of ferrosilicon caused by the eutectoid transformation of leboite and pre­sence of impurities. Methods to prevent ferroalloy disintegration are proposed, including rapid cooling, reducing impurity content, and stabilizing the structure through additives such as boron. The structural features of other alloys, such as silicocalcium, are also examined, where improved crushability is achieved by slowing crystallization and modifying phase composition. Approaches to modeling the phase composition of ferroalloys are discussed, including thermodynamic-diagram methods and polygonal phase diagram analysis. The results of studies on rapid cooling of modifiers demonstrate enhanced efficiency due to the fine-grained structure and uniform distribution of active elements. It was established that the structure of ferroalloys influences the primary crystallization of cast iron, determining graphite morphology and matrix structure. The impact of phase composition and non-metallic inclusions (oxides, sulfides) in ferroalloys on steel properties is also demonstrated. Based on the review, the necessity of considering the structural and phase characteristics of ferroalloys is highlighted, as this can improve metallurgical product quality, reduce material consumption, and minimize adverse effects.

структурафазовый составферросплаввключениямодификаторыфизико-химические свойстваstructurephase compositionferroalloyinclusionsmodifiersphysicochemical propertiesИсследование выполнено по государственному заданию Института металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАН.The work was performed according to the state assignment for the Vatolin Institute of Metallurgy of the Ural Branch of RAS.ReferencesЖучков В.И., Заякин О.В., Михайлова Л.Ю. Физическая химия и технология в металлургии. Екатеринбург: ООО Универсальная типография «Альфа-Принт»; 2021:272.Zhuchkov V.I., Zayakin O.V., Mikhailova L.Yu. Physical Chemistry and Technology in Metallurgy. Yekaterinburg: Al’fa-Print; 2021:272. (In Russ.).Гасик Л.Н., Игнатьев В.С., Гасик М.И. Структура и качест­во промышленных ферросплавов и лигатур. Киев: Техника; 1975:52.Gasik L.N., Ignatiev V.S., Gasik M.I. Structure and Quality of Industrial Ferroalloys and Master Alloys. Kiev: Tekhnika; 1975:52 p. (In Russ.).Вертий И.Г., Рождественская Т.А., Михайлов Г.Г., Васильев В.И. Ферросплавы, шлаки, огнеупоры. Атлас микроструктур. Челябинск: Металл; 1994:112.Vertii I.G., Rozhdestvenskaya T.A., Mikhailov G.G., Vasiliev V.I. Ferroalloys, Slags, Refractories: Microstructure Atlas. Chelyabinsk: Metall; 1994:112. (In Russ.).Исхаков А.Д., Воронин Б.В. Ферросплавы, модификаторы, лигатуры: Справочник. Т. 1. Челябинск: Цицеро; 2009:259.Iskhakov A.D., Voronin B.V. Ferroalloys, Modifiers, Master Alloys: Reference Book. Vol. 1. Chelyabinsk: Tsitsero; 2009:259. (In Russ.).Захаров Р.Г., Петрова С.А., Жданов А.В., Жучков В.И. Изучение влияния структуры ферросилиция на его рассыпаемость. Металлы. 2014;(1):8–13.Zakharov R.G., Petrova S.A., Zhdanov A.V., Zhuchkov V.I. Effect of the structure of ferrosilicon on its desintegration. Russian Metallurgy (Metally). 2014;2014(1):3–16. https://doi.org/10.1134/S0036029514010145Жучков В.И., Гасик М.И., Шешуков О.Ю. Структура и физико-химические характеристики ферросплавов. Электрометаллургия. 2006;(6):39–44.Zhuchkov V.I., Gasik M.I., Sheshukov O.Yu. Structure and physicochemical characteristics of ferroalloys. Electrometallurgiya. 2006;(6):39–44. (In Russ.).Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов. Москва: Металлургия; 1988:784.Gasik M.I., Lyakishev N.P., Emlin B.I. Theory and Technology of Ferroalloy Production. Moscow: Metallurgiya; 1988:784. (In Russ.).Поволоцкий В.Д., Комисарова Т.А., Чувашин И.И. Структура и фазовый состав силикокальция: Сборник научных трудов «Повышение эффективности и качества ферросплавов». Москва: Металлургия; 1986:96–100.Povolotskii V.D., Komisarova T.A., Chuvashin I.I. Structure and phase composition of silicocalcium. In: Improving the Efficiency and Quality of Ferroalloys (Collection of Sci. Papers). Moscow: Metallurgiya; 1986:96–100. (In Russ.).Хурметбек Ж., Джексембаев Д.М., Акбердин А.А. Математическая модель диаграммы фазового состава системы Fe–Ti–Al. Вестник Восточно-Казахстанского государственного технического университета им. Д. Серикбаева. 2016;(4):118–122.Khurmetbek Zh., Dzhaksembaev D.M., Akberdin A.A. Mathematical model of phase composition diagram of the Fe–Ti–Al system. Vestnik of D. Serikbayev East Kazakhstan State Technical University. 2016;(4):118–122. (In Russ.).Белов Б.Ф., Бабанин А.Я., Бакин И.В. и др. Классификация сплавов системы железо – кремний – углерод. Сталь. 2019;(6):16–19.Belov B.F., Babanin A.Ya., Bakin I.V., etc. Classification of alloys in the iron-silicon-carbon system. Stal’. 2019;(6): 16–19. (In Russ.).Бродова И.Г., Поленц И.В., Попель П.С. Роль структуры лигатурных сплавов пpи модифицировании алюминиевых сплавов цирконием. Физика металлов и металловедение. 1993;76(5):123–131.Brodova I.G., Polents I.V., Popel’ P.S. The role of master alloy structure in zirconium modification of aluminum alloys. Fizika metallov i metallovedenie. 1993;76(5): 123–131. (In Russ.).Brodova I.G., Bashlikov D.V., Polents I.V. Influence of heat time melt treatment on the structure and the properties of rapidl­y solidified aluminum alloys with transition metals. Materials Science Forum. 1998;269–272:589–594. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.269-272.589Brodova I.G., Bashlikov D.V., Polents I.V. Influence of heat time melt treatment on the structure and the properties of rapidl­y solidified aluminum alloys with transition metals. Materials Science Forum. 1998;269–272:589–594. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.269-272.589Brodova I.G., Polents I.V., Bashlikov D.V., Popel P.S., Chikova O.A. The forming mechanism of ultradispersed phases in rapidly solidified aluminium alloys. Nanostructured Materials. 1995;6(1–4):477–479. https://doi.org/10.1016/0965-9773(95)00100-XBrodova I.G., Polents I.V., Bashlikov D.V., Popel P.S., Chikova O.A. The forming mechanism of ultradispersed phases in rapidly solidified aluminium alloys. Nanostructured Materials. 1995;6(1–4):477–479. https://doi.org/10.1016/0965-9773(95)00100-XРябчиков И.В., Соловьев Н.М. Кремнистые ферросплавы с мелкокристаллической структурой. Научные труды «Производство стали и ферросплавов. Теория и прак­тика». НИИМ: Челябинск; 1998:175–182.Ryabchikov I.V., Solov’ev N.M. Silicon ferroalloys with fine-crystalline structure. In: Steel and Ferroalloy Production: Theory and Practice. Chelyabinsk: NIIM; 1998:175–182. (In Russ.).Рябчиков И.В., Панов А.Г., Корниенко А.Э. О качест­венных характеристиках модификаторов. Сталь. 2007; (6):18–23.Ryabchikov I.V., Panov A.G., Kornienko A.E. On the qua­lity characteristics of modifiers. Stal’. 2007;(6):18–23. (In Russ.).Вязникова Е.А., Смирнова В.Г., Шешуков О.Ю., Жучков В.И., Заякин О.В., Рябчиков И.В. Влияние скорости охлаждения на структуру и фазовый состав магний­содержащих модификаторов. Сталь. 2008;(8):66.Vyaznikova E.A., Smirnova V.G., Sheshukov O.Yu., Zhuchkov V.I., Zayakin O.V., Ryabchikov I.V. Influence of cooling rate on the structure and phase composition of magnesium-containing modifiers. Stal’. 2008;(8):66. (In Russ.).Панов А.Г. Влияние микроструктуры литых Fe–Mg–Ni лигатур на кристаллизацию и микроструктуру модифицированного высокопрочного чугуна. Известия вузов. Черная металлургия. 2010;53(11):55–60.Panov A.G. Effect of the microstructure of cast Fe–Mg–Ni master alloys on crystallization and microstructure of modified high-strength cast iron. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2010;53(11):55–60. (In Russ.).Болдырев Д.А., Попова Л.И., Давыдов С.В. Фазовый электронно-микроскопический анализ и рентгено­спектральный микроанализ структуры ЧВГ-модификаторов. Сталь. 2018;(4):42–45.Boldyrev D.A., Popova L.I., Davydov S.V. Phase electron microscopy and X-ray microanalysis of the structure of CGI modifiers. Stal’. 2018;(4):42–45. (In Russ.).Закиров Э.С. Повышение стабильности структуры и свойств ответственных деталей машиностроения из чугуна с шаровидными и вермикулярным графитом: Автореферат диссертации… кандидата технических наук. Казань; 2023:24.Zakirov E.S. Improving the stability of structure and properties of critical machine parts made of cast iron with spheroidal and vermicular graphite: Extended Abstract of Cand. Sci. Diss. Kazan; 2023:24 p. (In Russ.).Wang Y., Karasev A., Park J.H., Jönsson P.G. Non-metallic inclusions in different ferroalloys and their effect on the steel quality: A review. Metallurgical and Materials Transactions B. 2021;52:2892–2925. https://doi.org/10.1007/s11663-021-02259-7Wang Y., Karasev A., Park J.H., Jönsson P.G. Non-metallic inclusions in different ferroalloys and their effect on the steel quality: A review. Metallurgical and Materials Transactions B. 2021;52:2892–2925. https://doi.org/10.1007/s11663-021-02259-7Michelic S.K., Bernhard C. Significance of nonmetallic inclusions for the clogging phenomenon in continuous casting of steel – A review. Steel Research International. 2022;93(7):2200086. https://doi.org/10.1002/srin.202200086Michelic S.K., Bernhard C. Significance of nonmetallic inclusions for the clogging phenomenon in continuous casting of steel – A review. Steel Research International. 2022;93(7):2200086. https://doi.org/10.1002/srin.202200086Pindar S., Pande M.M. Investigation of inclusion characte­ristics in ferrosilicon killed high silicon steels. Steel Research International. 2024;95(9):2400331. https://doi.org/10.1002/srin.202400331Pindar S., Pande M.M. Investigation of inclusion characte­ristics in ferrosilicon killed high silicon steels. Steel Research International. 2024;95(9):2400331. https://doi.org/10.1002/srin.202400331Wang J., Song Sh., Ke X., Nyembwe A., Xue Zh. Characte­rization of LC/HC-FeMn alloys and their melting mechanism in the molten iron. Journal of Materials Research and Technology. 2023;27:7740–7747. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.11.211Wang J., Song Sh., Ke X., Nyembwe A., Xue Zh. Characte­rization of LC/HC-FeMn alloys and their melting mechanism in the molten iron. Journal of Materials Research and Technology. 2023;27:7740–7747. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.11.211Kellner H.E.O., Karasev A.V., Memarpour A., Jönsson P.G. Evolution of non‐metallic inclusions from FeTi70R alloys during alloying of Fe–40Ni–20Cr steels. Steel Research International. 2016;87(11):1461–1468. https://doi.org/10.1002/srin.201500428Kellner H.E.O., Karasev A.V., Memarpour A., Jönsson P.G. Evolution of non‐metallic inclusions from FeTi70R alloys during alloying of Fe–40Ni–20Cr steels. Steel Research International. 2016;87(11):1461–1468. https://doi.org/10.1002/srin.201500428Wang Y., Karasev A., Park J.H., Jönsson P.G. Interfacial reactions and inclusion formations at an early stage of FeNb alloy additions to molten iron. ISIJ International. 2021;61(1):209–218. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2020-353Wang Y., Karasev A., Park J.H., Jönsson P.G. Interfacial reactions and inclusion formations at an early stage of FeNb alloy additions to molten iron. ISIJ International. 2021;61(1):209–218. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2020-353

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