blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2025-5-506-516blackmet-2970Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESИсследование формирования железоуглеродистых расплавов и технологические аспекты науглероживанияFormation of iron-carbon melts and technological aspects of carburizationГудовА. Г.GudovA. G.

Александр Геннадьевич Гудов, к.т.н., доцент кафедры «Металлургия железа и сплавов»

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Aleksandr G. Gudov, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Metallurgy of Iron and Alloys”

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

a.g.gudov@urfu.ruБурмасовС. П.BurmasovS. P.

Сергей Петрович Бурмасов, к.т.н., доцент

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Sergei P. Burmasov, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof.

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

s.p.burmasov@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6324-4032СмирновЛ. А.SmirnovL. A.

Леонид Андреевич Смирнов, академик РАН, д.т.н., профессор, научный руководитель

Россия, 620062, Екатеринбург, ул. Гагарина, 14

Leonid A. Smirnov, Academician, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Scientific Director

14 Gagarina Str., Yekaterinburg 620062, Russian Federation

secretar@uim-stavan.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian FederationАО Уральский институт металловРоссияJSC “Ural Institute of Metals”Russian Federation202508112025685506516Copyright © Гудов А.Г., Бурмасов С.П., Смирнов Л.А., 20252025Гудов А.Г., Бурмасов С.П., Смирнов Л.А.Gudov A.G., Burmasov S.P., Smirnov L.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/2970

На основе результатов вискозиметрических исследований закономерностей формирования прецизионных железоуглеродистых расплавов обоснована необходимость учета структурного состояния исходного железного расплава и углеродного материала при разработке оптимальной технологии науглероживания. Рассматривая величину кинематической вязкости и стабильность значений этого структурно-чувствительного свойства как показатели степени неравновесности структурного состояния железоуглеродистого расплава, авторы показывают, что оптимальным решением следует считать науглероживание жидкого железа с преимущественно ГЦК-подобной структурой ближнего порядка. Этому может способствовать ввод углерода в состав шихты, форсированный нагрев и плавление с формированием расплава при значительном перегреве над температурой ликвидус. С привлечением данных рентгеноструктурного анализа экспериментально установлено, что при использовании для науглероживания углеродных материалов, подвергнутых графитации, целесо­образно снижение доли аморфной фазы, увеличение размера кристаллитов и степени графитации, повышение структурной однородности. Экспериментально установленное различие характеров формирования расплава при науглероживании чистого железа и в случае одновременного раскисления и науглероживания высокоокисленного металла связано с процессом дезактивации поверхности углеродного материала кислородом, степень развития которого зависит от реакционной способности углеродного материала и снижается при увеличении степени его графитации и уменьшении дефектности кристаллической структуры. При одновременном раскислении и науглероживании высокоокисленного железа установлена значительная роль типа раскислителя, что связано с разным парциальным влиянием используе­мых материалов на структурное состояние расплава железа и с разной степенью нейтрализации влияния кислорода на процесс дезактивации поверхности частиц науглероживателя.

Based on the results of viscometric studies of the patterns of precision iron-carbon melts formation, the need to take into account the structural state of the initial iron melt and the carbon material when developing the optimal carburization technology is substantiated. Considering the kinematic viscosity value and stability of the values ​​of this structure-sensitive property as indicators of the non-equilibrium degree of the iron-carbon melt structural state, it is shown that the optimal solution should be considered to be the carburization of liquid iron with a predominantly fcc-like short-range order structure, which can be facilitated by introducing carbon into the charge composition, forced heating and melting with the formation of a melt with significant overheating above the liquidus temperature. Using the data of X-ray structural analysis, it was experimentally established that when using carbon materials subjected to graphitization for carburization, it is advisable to reduce the proportion of the amorphous phase, increase the size of crystallites and the graphitization degree, and improve the structural homogeneity. The experimentally determined difference in the nature of melt formation during carburization of pure iron and in the case of simultaneous deoxidation and carburization of highly oxidized metal is associated with the process of deactivation of the carbon material surface by oxygen, the development degree of which depends on reactivity of the carbon material and decreases with an increase in the degree of its graphitization and a decrease in the defectiveness of the crystal structure. During the simultaneous deoxidation and carburization of highly oxidized iron, a significant role of the deoxidizer type was established, which is associated with the different partial influence of the materials used on structural state of the iron melt and with the different neutralization degree of the effect of oxygen on deactivation of the surface of carburizer particles.

железоуглеродистый расплавструктурное состояниенауглероживаниеструктура углеродного материалатип раскислителяiron-carbon meltstructural statecarburizationstructure of carbon materialtype of deoxidizerАвторы выражают благодарность Мурзину А.В. за ценные замечания при обсуждении работы.The authors express their gratitude to Murzin A.V. for valuable comments during the discussion of the work.ReferencesБаум Б.А., Хасин Г.А., Тягунов Г.В. и др. Жидкая сталь. Москва: Металлургия; 1984:208.Baum B.A., Khasin G.A., Tyagunov G.V., etc. Liquid Steel. Moscow: Metallurgiya; 1984:208. (In Russ.).Баум Б.А., Тягунов Г.В., Барышев Е.Е., Цепелев В.С. Равновесные и неравновесные состояния металлических расплавов. В кн.: Фундаментальные исследования физикохимии металлических расплавов: Сборник трудов. Москва: ИКЦ «Академкнига»; 2002:214–228.Baum B.A., Tyagunov G.V., Baryshev E.E., Tsepelev V.S. Equilibrium and nonequilibrium states of metallic melts. In: Fundamental Research of Physical Chemistry of Metallic Melts: Proceedings. Moscow: IKTs Akademkniga; 2002:214–228. (In Russ.).Бурмасов С.П., Гудов А.Г., Дегай А.С., Степанов А.И., Смирнов Л.А. Закономерности формирования расплавов на основе железа и металлургические резервы улучшения эксплуатационных свойств сталей. Сталь. 2010;(8):42–46.Burmasov S.P., Gudov A.G., Degai A.S., Stepanov A.I., Smirnov L.A. Formation of iron-based melts and scope for improvement in steel properties. Steel in Translation. 2010;40(8):741–745. https://doi.org/10.3103/S0967091210080127Зуев М.В., Бурмасов С.П., Степанов А.И., Гудов А.Г., Мурзин А.В., Житлухин Е.Г. Совершенствование технологии современного сталеплавильного производства на основе закономерностей формирования металлических расплавов. Сталь. 2013;(2):27–29.Zuev M.V., Burmasov S.P., Stepanov A.I., Gudov A.G., Murzin A.V., Zhitlukhin E.G. Improvement in steel smelting by studying melt behavior. Steel in Translation. 2013;43(2):106–109. https://doi.org/10.3103/S0967091213020204Гудов А.Г., Бурмасов С.П., Топоров В.А., Мурзин А.В. Развитие технологии электросталеплавильного производства на основе исследования неравновесности металлических расплавов. В кн.: Современные проб­лемы электрометаллургии стали. Материалы XVIII Международной конференции 24–27 сентября 2019 г., Екатеринбург, Первоуральск: В 2-х частях. Ч. 1. Под ред. В.Е. Рощина. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ; 2019:3–25.Gudov A.G., Burmasov S.P., Toporov V.A., Murzin A.V. Development of electric steelmaking technology based on the study of non-equilibrium of metal melts. In: Modern Problems of Steel Electrometallurgy. Proceedings of the XVIII Int. Conf., September 24-27, 2019, Yekaterinburg, Pervouralsk: in 2 parts. Part 1. Roshchin V.E. ed. Chelyabinsk: SUSU; 2019:3–25. (In Russ.).Бурмасов С.П., Гудов А.Г., Житлухин Е.Г., Пархоменко И.П., Столбов Н.С. Направления снижения химической неоднородности непрерывнолитой трубной заготовки. Сталь. 2023;(8):23–28.Burmasov S.P., Gudov A.G., Zhitlukhin E.G., Parkhomenko I.P., Stolbov N.S. Directions for reducing chemical heterogeneity of continually cast pipe blank. Steel in Translation. 2023;53(9):785–791. https://doi.org/10.3103/s0967091223090048Филипьев С.Н., Бурмасов С.П., Гудов А.Г. и др. Влия­ние технологии производства полупродукта на ка­­чест­во жидкого металла и эксплуатационные свойст­ва рессорной стали. В кн.: Сборник трудов XIII Международного конгресса сталеплавильщиков 12–18 октября 2014 г., Полевской. Екатеринбург: ООО «Эзапринт»; 2014:82–87.Filip’ev S.N., Burmasov S.P., Gudov A.G., etc. Influence of semi-finished product production technology on the qua­lity of liquid metal and the performance properties of spring steel. In: Proceedings of the XIII Int. Congress of Steelma­kers, October 12–18, 2014, Polevskoi. Yekaterinburg: Ezaprint; 2014:82–87. (In Russ.).Бурмасов С.П., Гудов А.Г., Смирнов Л.А. Структурные состояния расплава железа и его растворов с ванадием, кремнием и углеродом. Теория и технология металлургического производства. 2018;(1(24)):21–27.Burmasov S.P., Gudov A.G., Smirnov L.A. Structural states of iron melt and its solutions with vanadium, silicon and carbon. Teoriya i tekhnologiya metallurgicheskogo proiz­vodstva. 2018;(1(24)):21–27. (In Russ.).Фиалков А.С. Углеграфитовые материалы. Москва: Энергия; 1979:320.Fialkov A.S. Carbon-Graphite Materials. Moscow: Energiya; 1979:320. (In Russ.).Вертман А.А., Самарин А.М. О кинетике растворения углерода в жидком железе. Известия АН СССР. Металлы. 1965;(1):46–54.Vertman A.A., Samarin A.M. On the kinetics of carbon dissolution in liquid iron. Izvestiya AN SSSR. Metally. 1965;(1):46–54. (In Russ.).Шулепов С.В. Физика углеграфитовых материалов. Москва: Металлургия; 1972:256.Shulepov S.V. Physics of Carbon-Graphite Materials. Moscow: Metallurgiya; 1972:256. (In Russ.).Кураков Ю.И. Развитие взглядов на структуру высокометаморфизованных углей. Известия вузов. Северо-кавказский регион. Естественные науки. Приложение. 2005;(6):100–107.Kurakov Yu.I. Development of views on the structure of highly metamorphosed coals. Izvestiya vuzov. Severo-kav­kazskii region. Estestvennye nauki. Prilozhenie. 2005;(6): 100–107. (In Russ.).Крапошин В.С. Новый механизм растворения углерода в решетке аустенита при цементации стали и его поведение при мартенситном и перлитном превращениях аустенита. В кн.: Наука и образование: Научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2011;(11):1–15.Kraposhin V.S. New mechanism of carbon dissolution in the austenite lattice during steel carburization and its behavior during martensitic and pearlitic transformations of austenite. In: Nauka i obrazovanie: Scientific Publication of Bauman Moscow State Technical University. 2011;(11):1–15. (In Russ.).Убеллоде А.Р., Льюис Ф.А. Графит и его кристалличес­кие соединения. Москва: Мир; 1965:265.Ubbelohde A.R., Lewis F.A. Graphite and Its Crystal Compounds. London: Oxford University Press; 1960:217.Зуев М.В., Бурмасов С.П., Гудов А.Г., Мурзин А.В., Кузякин В.Г. Исследование и оптимизация технологии науглероживания металла при выплавке стали с использованием полупродукта ДСП. Сталь. 2014;(6):25–30.Zuev M.V., Burmasov S.P., Gudov A.G., Murzin A.V., Ku­­zyakin V.G. Carburization of crude steel from a superpo­wer­­­ful arc furnace. Steel in Translation. 2014;44(6):433–438. https://doi.org/10.3103/S0967091214060187Вертман А.А. Микрогетерогенность металлических рас­­плавов и проблема регулирования свойств отливок. Физика и химия обработки материалов. 1967;(3):132–141.Vertman A.A. Microheterogeneity of metal melts and the problem of regulating the properties of castings. Fizika i khimiya obrabotki materialov. 1967;(3):132–141. (In Russ.).Бурмасов С.П., Гудов А.Г., Смирнов Л.А. О возможности повышения эксплуатационных свойств стали путем технологических воздействий на структурное состояние расплавов железа. В кн.: Влияние свойств металлической матрицы на эксплуатационную стойкость рельсов: Сборник научных трудов. Екатеринбург: ОАО «УИМ»; 2006:9–17.Burmasov S.P., Gudov A.G., Smirnov L.A. On the possibi­lity of increasing the operational properties of steel by technological influences on structural state of iron melts. In: Influence of the Properties of the Metal Matrix on the Operational Durability of Rails: Proceedings. Yekaterinburg: JSC UIM; 2006:9–17. (In Russ.).

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