Изучение времени плавления комплексных никельсодержащих ферросплавов в жидкой стали

Для разработки новых ферросплавов рационального состава необходимы данные об их физико-химических характеристиках. Одной из основных характеристик сплава, от которой зависит усвоение и распределение основных элементов ферросплавов в железоуглеродистом расплаве, является продолжительность его плавления. С применением математической модели расчета времени плавления, разработанной сотрудниками УрФУ и ИМЕТ УрО РАН, изучена продолжительность плавления комплексных никельсодержащих ферросплавов в жидкой стали. Программа позволяет рассчитывать температуру куска ферросплава, толщину намораживаемой стальной корки, размер куска сплава и длительность периодов плавления в зависимости от физико-химических и теплофизических характеристик ферросплавов. Механизм плавления ферросплавов определяет время их плавления в жидкой стали. В работе выполнено математическое моделирование плавления комплексных никелевых ферросплавов, содержащих 10 % Ni; 0,5 – 55,0 % Сr; 0,2 % С; 0,2 % Si в железоуглеродистом расплаве. Установлено, что все рассматриваемые сплавы относятся к группе легкоплавких ферросплавов и процесс их плавления протекает в три периода. С увеличением исходного размера куска ферросплава от 3 до 100 мм время плавления увеличивается в 250 – 300 раз. Показано, что увеличение содержания хрома в составе комплексного сплава до 37 % приводит к снижению времени плавления, а при дальнейшем его увеличении до 55 % происходит увеличение времени плавления. Снижение температуры ванны жидкой стали с 1700 до 1520 °С сопровождается увеличением продолжительности плавления комплексных ферросплавов в 7 – 8 раз. В целом, рассмотренные комплексные никелевые ферросплавы характеризуются значительно более быстрым протеканием процесса плавления в жидкой стали по сравнению со стандартными феррохромом и ферроникелем.

1. Pariser H.H., Backeberg N.R., Masson O.C.M., Bedder J.C.M. Changing nickel and chromium stainless steel markets – a review // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2018. Vol. 118. No. 6. P. 563–568. http://dx.doi.org/10.17159/2411-9717/2018/v118n6a1

2. Лукин А.С., Комолова О.А., Григорович К.В. Анализ технологии производства коррозионностойкой стали марки 08Х18Н10Т. В кн.: Тр. конгресса с межд. участием и конф. молодых ученых «Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований»: «ТЕХНОГЕН–2019». Екатеринбург: УрО РАН, 2020. С. 169–173.

3. Chen P.-X., Chu S.-J., Zhang G.-H. A new method to produce Ni–Cr ferroalloy used for stainless steel production // High Temperature Materials and Processes. 2016. Vol. 35. No. 7. P. 635–641. https://doi.org/10.1515/htmp-2015-0054

4. Токовой О.К. Аргонокислородное рафинирование нержавеющей стали. Челябинск: ЮУрГУ, 2015, 250 с.

5. Салина В.А., Жучков В.И., Заякин О.В. Изучение процессов получения сплавов системы Fe-Si-Ni-Cr методом термодинами­ческого моделирования // Расплавы. 2019. № 1. С. 62–66. https://doi.org/10.1134/S0235010619010183

6. Shkolnik V.S., Zharmenov A.A., Tolymbekov M.Zh., Baisa­nov S.O., Chekimbaev A.F. Prospects of production complex aluminum silicon alloy. In: The 13th Int. Ferroalloys Congress: Efficient Technologies in Ferroalloy Industry, 9–12 June 2013. Almaty. 2013. P. 311–316.

7. Akuov А., Samuratov Ye., Kelamanov B., Zhumagaliyev Ye., Taizhigitova M. Development of an alternative technology for the production of refined ferrochrome // Metalurgija. 2020. Vol. 59. No. 4. P. 529–532.

8. Kelamanov B., Samuratov Ye., Akuov A., Abdirashit А., Burumbayev A., Orynbassar R. Research possibility of involvement Kazakhstani nickel ore in the metallurgical treatment // Metalurgija. 2021. Vol. 60. No. 3-4. P. 313–316.

9. Kelamanov B., Tolymbekov M., Kaskin K., Baisanov A. Thermal ana­lysis of agglomerated nickel ore. In: Proceedings of the 12th Int. Ferroalloys Congress: Sustainable Future. Helsinki, Finland, 2010. P. 657–659.

10. Есенжулов А.Б., Островский Я.И., Афанасьев В.И., Заякин О.В., Жучков В.И. Использование российского хроморудного сырья при выплавке высокоуглеродистого феррохрома в ОАО «СЗФ» // Сталь. 2008. № 4. С. 32–35.

11. Жучков В.И., Андреев Н.А., Заякин О.В., Афанасьев В.И. Состав и служебные характеристики хромсодержащих ферросплавов // Сталь. 2013. № 5. С. 36–37.

12. Spanov S.S., Zhunusov A.K., Tolymbekova L.B. Pilot plant melting of steel using ferro-silico-aluminum at KSP Steel // Mеttallurgist. 2017. Vol. 60. No. 11-12. P. 1149–1154. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0420-1

13. Kobatake H., Brillo J. Density and viscosity of ternary Cr–Fe–Ni liquid alloys // Journal of Materials Science. 2013. Vol. 48. No. 19. P. 6818–6824. https://doi.org/10.1007/s10853-013-7487-2

14. Кель И.Н. Физико-химические исследования и разработка технологии получения комплексных борсодержащих ферросплавов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Екатеринбург, 2021. 24 с.

15. Тогобицкая Д.Н., Петров А.Ф., Снигура И.Р., Головко Л.А. Моделирование физико-химических характеристик комплексных хромсодержащих ферросплавов. В кн.: Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР. Тр. науч.-пр. конф. с международным участием и элементами школы молодых ученых. Екатеринбург, 2020. С. 96–99.

16. Заякин О.В., Жучков В.И., Лозовая Е.Ю. Время плавления никельсодержащих ферросплавов в стали // Известия вузов. Черная металлургия. 2007. Т. 50. № 5. С. 13–16.

17. Верховлюк А.М. Взаимодействие жидких и твердых фаз в металлургических процессах. М.: Инфра-Инженерия, 2021. 184 с.

18. Петров А.Ф., Снигура И.Р., Головко Л.А., Цюпа Н.А. Прогнозирование времени плавления комплексных ферросплавов методом физико-химического моделирования // Фундаментальні та прикладні проблеми чорної металургії. 2019. № 33. С. 205–214.

19. Казачков И.П., Паримончик И.В. Кинетика плавления ферросплавов // Известия вузов. Черная металлургия. 1973. № 2. С. 55–59.

20. Guthrie R.I.L., Clift R., Henein H. Contacting problems associated with aluminium and ferro-alloy additions in steelmaking-hydrodynamic aspects // Metallurgical Transactions. 1975. Vol. 6. Ar­ticle 321. https://doi.org/10.1007/BF02913576

21. Agryropoulos S.A. Dissolution characteristics of ferroalloys in li­quid steel // Iron and Steelmaker. 1984. Vol. 11. No. 11. P. 48–57.

22. Nakamura Y., Kuwabara M. Evaporation of Fe, Cr and Ni from li­quid iron-alloys during electron-beam melting // Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan. 1975. Vol. 15. No. 2. P. 103–108. https://doi.org/10.2355/isijinternational1966.15.103

23. Zhang L., Oeters F. Melting and dissolution of high-melting alloys in steel melts // Steel Research. 2000. Vol. 71. No. 5. P. 141–144. https://doi.org/10.1002/srin.200005704

24. Ohno R. Steady-state rates of dissolution of stationary iron, cobalt and nickel cylinders in liquid cooper // Metallurgical Transactions B. 1982. Vol. 13. P. 175–183. https://doi.org/10.1007/BF02664574

25. Тогобицкая Д.Н., Пиптюк В.П., Петров А.Ф., Греков С.В., Миргородская А.С. Прогнозирование свойств ферросплавов для экспертной оценки эффективности их использования при доводке стали на УКП // Металлург. 2018. № 11. С. 27–32.

26. Лозовая Е.Ю. Изучение кинетики плавления ферросплавов в железоуглеродистом расплаве: Автореферат дис. … канд. техн. наук. Екатеринбург, 2001. 23 с.

27. Шурыгин П.М., Шантарин В.Д. О кинетике растворения легирующих металлов в жидком железе // Изв. АН СССР. Металлургия и горное дело. 1964. № 2. С. 38–40.

28. Zayakin O.V., Renev D.S. Density of chrome–nickel ferroalloys // KnE Materials Science. 2019 . Vol. 5. No. 1. P. 297–303. https://doi.org/10.18502/kms.v5i1.3981

29. Жучков В.И., Заякин О.В., Мальцев Ю.Б. Изучение температур плавления и плотности никельсодержащих ферросплавов // Расплавы. 2001. № 1. С. 7–9.

30. Ферросплавы: справ. изд. / В.Г. Мизин, Н.А. Чирков, В.С. Игнатьев, С.И. Ахманаев, В.Д. Поволоцкий. М.: Металлургия, 1998. 415 с.