Актуальной задачей, стоящей перед современной металлургической промышленностью, является повышение комплексности использования минерального и техногенного сырья путем разработки новых технологий, основанных на принципе совместной переработки сырья из месторождений, отличающихся минеральным составом рудной составляющей, например, титансодержащих руд – ильменитовых и перовскитовых. Совместная переработка титансодержащих руд позволит повысить экологическую и экономическую эффективность переработки отечественного минерального сырья, а также создаст предпосылки для развития производства диоксида титана в России. С целью научного обоснования целесообразности совместной переработки разнотипного титанового сырья методом термодинамического моделирования установлено влияние температуры, расхода восстановителя и соотношения концентратов на процесс фазообразования при карботермическом восстановлении смесей концентратов. Рассмотрено распределение целевых металлов по продуктам взаимодействия, предложены оптимальные параметры процесса формирования богатых титановых шлаков. Оценены перспективы попутного извлечения редких и редкоземельных металлов. Термодинамический анализ процесса карботермического восстановления смесей, выполненный на модельных составах перовскитового концентрата (ПК) и ильменитового концентрата (ИК), показал, что при малых значениях соотношения ПК/ИК возможно образование высокотитанистых шлаков с содержанием TiO2 более 80 %. Однако концент­рация извлекаемого в сплав ниобия и содержание в шлаке редкоземельных элементов снизятся в разы по сравнению с их исходными значениями в перовскитовым концентрате. При соотношении ПК/ИК, равном 1, можно аккумулировать в сплаве до 2,5 % Nb при содержании в шлаке до 74 % TiO2 . Преимущество совместной переработки ильменитового и перовскитового сырья пирометаллургичес­ким способом заключается в возможности в рамках одной технологической схемы получать богатые титановые шлаки и селективно концентрировать редкие металлы в металлической фазе, отделяя их от титана, и редкоземельные металлы в шлаке.

В современных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) для снижения расхода электроэнергии и интенсификации тепловой работы широко применяется нагрев шихты продуктами сгорания природного газа с технологическим кислородом. В существующих горелках, применяемых на ДСП, газ и кислород подаются раздельно через газокислородные и рафинирующие горелки, что обеспечивает диффузионный режим горения. Диффузионный режим в условиях использования в рабочем объеме ДСП имеет ряд недостатков, таких как неоптимальное распределение температурных и концентрационных полей продуктов сгорания, повышенный угар железосодержащих компонентов шихты. В данной работе представлены результаты расчетного исследования физико-хими­ческих свойств продуктов сгорания по длине факела для горелок фирм VAI FUCHS, SMS DEMAG и НТПФ «Эталон» при концентрации кислорода в окислителе 95 мас. %.  Были проанализированы результаты компьютерного моделирования температурных полей факелов с целью оценки риска «проскока» пламени во внутренний объем горелки. Авторы провели сравнительное исследование характеристик факелов в горелочных устройствах с диффузионным и кинетическим режимами горения. На основании полученных данных предложен переход от диффузионного режима сжигания природного газа к кинетическому, что может повысить энергоэффективность использования горелок, равномерность температурных и концентрационных полей продуктов сгорания, а также снизить угар железосодержащей шихты. Исследование производилось с помощью компьютерного моделирования в пакете программ ANSYS в модуле CFX. Полученные результаты могут быть полезны для оптимизации тепловых процессов в рабочем объеме ДСП, снижения расхода электроэнергии и предотвращения аварийных режимов эксплуатации горелок.

Горячебрикетированное железо (ГБЖ, HBI) или восстановленные окатыши (DRI) являются одним из наиболее востребованных продуктов металлургической отрасли, поскольку их использование позволяет обеспечить экологичное производство высококачественных сталей. Одним из важных параметров качества такой продукции служит содержание углерода. Цель данной работы состоит в исследовании процесса науглероживания окатышей в условиях шахтной печи металлизации в сопоставлении с науглероживанием окатышей за счет формирования рудо-углеродной шихты. Углерод в окатышах распределен между карбидами железа и отдельной фазой – сажей. Горячебрикетированное железо, полученное по технологии Хил-3, отличается по содержанию углерода от брикетов Мидрекс. Разница в количестве углерода объясняется протеканием процессов науглероживания и пиролиза природного газа в рабочем пространстве шахтной печи, а также отличием в составе газовой фазы и давления в рабочем пространстве в печах Хил и Мидрекс. Как известно, процесс Хил-3 использует паровую конверсию (соотношение H₂/CO выше) при более высоком давлении газа под колошником в сравнении с Мидрекс. Более высокое содержание СО в газовой фазе процесса Мидрекс (углекислотная конверсия) приводит к интенсификации процесса на восстановленной до металла поверхности окатыша. Результаты исследования показали, что науглероживание окатышей до содержания углерода более 4,5 % при использовании газовой металлизации в шахтных печах действительно возможно. При этом для процесса Мидрекс (восстановитель преимущественно СО) это возможно за счет обработки окатышей метаном, а для процесса Хил (восстановитель преимущественно H₂) для науглероживания необходимо добавлять в шихту твердый углерод (сажа, коксик и т. д.). Указанное открывает потенциальные возможности использования углеродсодержащих брикетов при металлизации. Углерод, несмотря на его нахож­дение в виде отдельной фазы (сажи), не может быть отделен от железосодержащих компонентов окатышей магнитной сепарацией или отмывкой и не представляет опасности.

При выплавке стали огнеупорный материал, используемый в качестве футеровки, легко разрушается за счет шлака, что не только уменьшает срок службы керамики, но и снижает качество продукции, увеличивая количество неметаллических включений в металле. Если шлак имеет хорошую смачиваемость, то он стремится проникнуть в огнеупор через поры и трещины. В результате образуется пограничный слой со структурой и свойствами, отличными от исходного огнеупора. В данной работе для исследования взаимо­действия огнеупорного материала на базе Al₂O₃ с жидким шлаком 45 % CaO – 40 % Al₂O₃ – 10 % SiO₂ – 5 % MgO был использован метод лежащей капли. Показано существенное снижение значений краевого угла смачивания до 20° в первые 5 мин опыта и последующее незначительное уменьшение до 13,5° в течение 115 мин. Исследована микроструктура и выполнено элементное картирование границ поперечных срезов шлака и керамики. Показано, что шлак состоит из нескольких фаз: Ca₂(Mg_0,25Al_0,75)(Si_1,25Al_0,75O₇), CaAl₂O₄, CaAl₄O₇ и MgAl₂O₄. Обнаружено, что пограничный слой шлак – керамика состоит из алюмината кальция (CaAl₄O₇), а на границах зерен оксида алюминия огнеупора происходит образование фазы ибонита (CaAl₁₂O₁₉). Рентгенофазовый анализ исходной керамики показал, что она содержит ~8 % CaAl₄O₇, а после взаимодействия со шлаком ~32 % CaAl₁₂O₁₉. Анализ керамики на глубине около 4 мм показал при­сутствие алюминатов кальция как в центральной, так и в краевых областях. Это указывает на проникновение шлака в керамику и его химическое взаимо­действие с ней.

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.

В данном исследовании проведен анализ влияния мощности лазера и скорости его перемещения на структурно-фазовое состоя­ние и свойства сложнолегированного титанового сплава ВТ23, полученного методом прямого лазерного выращивания. Титановый сплав BT23 обладает уникальным сочетанием прочности, коррозионной стойкости и биосовместимости, что делает его востребованным в аэрокосмической и медицинской отраслях. Однако традиционные методы производства (литье, штамповка) часто не обеспечивают необходимой точности и качества сложных деталей. В данной работе методами рентгенофазового анализа и оптической металлографии установлено, что выращенные образцы состоят из α- и β-фаз (~20 % β-фазы) с характерной структурой «корзиночного плетения». В макроструктуре полученных образцов зафиксированы полосы термического воздействия и межслоевые границы, образование которых связано с особенностями процесса кристаллизации при прямом лазерном выращивании. Результаты оптической металлографии показали, что микроструктура выращенного материала сочетает в себе крупные столбчатые кристаллы в местах перекрытия двух соседних слоев, а также мелкие равноосные зерна. Несмотря на такое распределение структурных составляющих микротвердость (~488 HV_0,2) остается однородной по всему объему напечатанных образцов как в направлении сканирования лазера, так и в направлении выращивания образца. Результаты подтверждают, что прямое лазерное выращивание позволяет получать заготовки из титанового сплава BT23 с контролируе­мой микроструктурой. Оптимизация параметров процесса прямого лазерного выращивания минимизирует вероятность образования дефектов и обеспечивает стабильные механические свойства, что открывает перспективы для применения технологии в производстве ответственных деталей.

Традиционно для выплавки нержавеющей стали в процессе аргонокислородного рафинирования для разжижения шлака и обеспечения нормального течения процессов рафинирования и восстановления оксида хрома применяется плавиковый шпат, отличаю­щийся высокой летучестью при высоких температурах сталеплавильного передела. Образующиеся при этом соединения ядовиты и опасны для окружающей среды. По этой причине в работе рассмотрена замена плавикового шпата оксидом бора, который также способен образовывать легкоплавкие эвтектики с основными компонентами шлака в момент заключительного этапа обработки стали в ходе процесса аргонокислородного рафинирования – в период десульфурации. Установлено, что несмотря на рост степени полимеризации шлака в результате ввода до 6 % B₂O₃, за счет способности оксида бора образовывать легкоплавкие соединения рост его содержания благоприятно сказывается на жидкоподвижности шлаков изучаемой системы СаО – SiO₂ – В₂O₃ – 2 % Cr₂O₃ – 3 % Аl₂O₃ – 8 % МgO при основности (CaO/SiO₂) 1,0 и 2,5. Содержание 6 % B₂O₃ в шлаке высокой основности 2,5 позволяет достичь благоприятных для удаления серы значений вязкости 0,3 Па·с. В данном случае равновесное содержание серы в металле может достигать 0,003 % согласно термодинамическому моделированию. В результате экспериментальных исследований минимальное содержание серы составило 0,006 %, что приближается к равновесной концентрации. В ходе обработки образцов стали шлаками происходило прямое микролегирование стали бором в коли­честве 0,002 – 0,003 %. Небольшое количество бора, перешедшего в сталь в процессе прямого микролегирования, согласно литературным данным благоприятно сказывается на пластичности и коррозионной стойкости металлопродукта.

Металлургические предприятия Урала компенсируют дефицит железорудного сырья поставкой материалов из Центральной России, Кольского полуострова и Казахстана. Карбонатные железные руды (сидериты) Бакальского месторождения относятся к бедным рудам и, несмотря на большие запасы (около 1 млрд т), не пользуются широким спросом у металлургов ввиду низкого качества (низкое содержание железа и высокое – магния). Перспективы освоения Бакальского месторождения зависят от наличия новых технологий переработки сидеритов. Существует технология переработки бедных железных руд методом бескоксовой металлургии, включающая восстановительный обжиг во вращающейся печи, измельчение и магнитную сепарацию с получением высокометаллизованного продукта, пригодного для сталеплавильного производства. Лабораторные исследования и промышленные испытания подтвердили ее пригодность для переработки сидеритов. Предложена модернизированная технология переработки сидеритов, в которой операции измельчения и магнитной сепарации исключены, а продукт восстановительного обжига во вращающейся печи в горячем виде загружается в электро­печь для проведения разделительной плавки. Процесс осуществляют в присутствии колеманита, содержащего борный ангидрид, для получения жидкого шлака. В ходе плавки часть бора переходит в металлический расплав. Посредством термодинамического моделирования проведена оценка распределения бора между металлом и шлаком в результате разделительной плавки. Показано, что при содержании в шихте 5 и 10 % колеманита в зависимости от доли углерода в металл переходит до 60 % бора. Такой металл может быть использован в качестве лигатуры для получения борсодержащей стали или чугуна. При барботаже металлического расплава кислородом содержание бора может быть снижено до 0,0001 %.

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.

Методом крутильных колебаний проведены исследования температурных (до 1700 °С) и концентрационных зависимостей вязкости жидких бинарных сплавов кобальта с кремнием и бором. Температурные зависимости вязкости жидкого кобальта и его расплавов с кремнием и бором (до 54 ат. % металлоида) имеют монотонный характер без каких-либо особенностей и хорошо описываются уравнением Аррениуса. Совпадение политерм вязкости, полученных в режиме нагрева и охлаждения, а также линейная зависимость логарифма вязкости от обратной абсолютной температуры в переохлажденной области свидетельствуют о сохранении структуры жидкого сплава. Микронеоднородное строение расплавов Co – Si и Co – B (до 54 ат. % металлоида), связанное с образованием микрогруппировок на основе силицидов и боридов кобальта с более прочными внутренними связями, приводит к сложному виду концентрационных зависимостей их вязкости и энергии активации вязкого течения. В статье авторы обсуждают прогностические возможности уравнений Козлова-Романова-Петрова и Kaptay для описания концентрационных зависимостей вязкости жидких сплавов типа металл–металлоид. Рассмот­рены особенности, связанные с применением этих уравнений к системам, в которых один из компонентов сплава (в данном случае бор в системе Co – B) при температурах расчета находится в твердом состоянии. Показано, что корректным способом решения проблемы является использование значения вязкости жидкого бора при его температуре плавления в качестве входного параметра для расчета изотерм вязкости расплавов системы Co – B. Уравнения Козлова-Романова-Петрова и Kaptay отличаются только коэффициентами перед энтальпией смешения расплава, физический смысл которых обсуждается в работе. Уравнение Козлова-Романова-Петрова может быть рекомендовано для прогнозирования концентрационных зависимостей вязкости жидких сплавов кобальта с кремнием и бором.

Приведены экспериментальные данные по влиянию содержания амфотерных оксидов Al₂O₃ и Fe₂O₃ в металлургических шлаках на их свойства. Отмечено, что в роли критерия оценки основности шлака могут выступать параметры вентильного эффекта электрической дуги – постоянная составляющая напряжения дуги или постоянная составляющая тока электрода. Показано, что до содержания в шлаке 18 мас. % оксид алюминия проявляет преимущественно основные свойства, а свыше – кислотные. Для Fe₂O₃ таким пороговым значением служит содержание 20 мас. %. Полученные данные позволяют более обоснованно проводить корректировку шлакового режима плавок. В частности, для имеющейся на металлургичеких предприятиях тенденции по замене плавикового шпата при внепечной обработке стали на иные разжижители шлака эти данные позволяют определить предел содержания оксида алюминия, при котором не будут ухудшаться условия рафинирования металла от серы. Для дуговых сталеплавильных печей данная методика выступает одним из вариантов неконтактной оперативной оценки состояния ванны металла, качества вспенивания шлака для укрытия дуг и степени окисленности металла в конце плавки и готовности его к выпуску. Применение постоянных составляющих напряжения дуги и тока в электроде для оперативного контроля склонности амфотерных оксидов к основным или кислотным свойствам по ходу плавки в промышленных условиях не представляется возможным из-за большого количества и разнонаправленного влияния составляющих шлак компонентов. Тем не менее данная методика будет полезна при ее использовании в целях управления технологическим процессом выплавки стали в моделях цифровых двойников и сопутствующим им базам данных.

Авторы изучили поведение шлаковых включений в четырех образцах, отобранных в процессе разливки аустенитной коррозионностойкой стали марки 12Х18Н9ТЛ. Образцы для исследования отбирали в производственных условиях после расплавления шихты (1), введения Ti и FeMn, наведения шлака и дозагрузки (2), повторного введения Ti, наведения шлака (3), наведения шлака (4). Элементный состав и температура расплава были определены в производственных условиях. Физико-химические свойства расплавов, полученных из отобранных образцов, такие как поверхностное натяжение и кинематическая вязкость были измерены в лабораторных условиях. Измерения проводились в диапазоне температур от 1370 до 1760 °C в режиме нагрева и последующего охлаждения образца. При наблюдении за образцом во время измерения поверхностного натяжения в режиме нагрева обнаружено выделение шлаковых включений из объема капли. При последующем охлаждении сформированной капли жидкой стали шлаковые частицы натекают из шлаковой ванны под действием силы Марангони. Анализ зависимости скорости всплывания шлаковой частицы от ее размера показал, что в объеме расплава могут остаться только частицы размером до 10 мкм, более крупные частицы успевают всплыть на поверхность жидкой ванны. Обнаружено, что под действием силы Марангони на поверхность образца могут натекать частицы шлака размером до 4 мм. Была определена объемная доля шлаковых включений и установлена корреляция между объемной долей шлаковых включений и элементном составе образца. Авторы сделали вывод о влиянии добавки титана в расплав как причине увеличения объемной доли шлаковых включений в отливке.

Рост производства и потребления стали приводит к образованию большого количества техногенных отходов. Одним из отходов выступает пыль электродугового сталеплавильного производства. В Российской Федерации ежегодно образуется порядка 0,7 млн т пыли. В работе изучена пыль одного из металлургических предприятий, в которой цинк преимущественно содержится в виде ZnFe₂O₄, а также присутствуют вредные соединения хлора и свинца, которые снижают качество вельц-оксида при последующей переработке. Исследуемая пыль подвергалась высокотемпературному окислительному обжигу в муфельной печи. Эксперименты проводились в интервале температур 300 – 1100 °C при времени выдержки 1 ч. В интервале температур 900 – 1100 °C время выдержки варьировалось в пределах 3 – 9 ч. Фазовый состав пыли определяли с помощью рентгенофазового анализа, химический состав – микрорентгено­спектральным методом. Установлено, что при температуре 900 °C и времени выдержки 9 ч степень удаления хлора составляет 78 %. При температуре обжига 1000 ℃ и времени выдержки 9 ч степень удаления хлора достигает 99,4 % при потерях цинка 19,8 %. При температуре обжига 1100 ℃ и времени выдержки 3 ч степень удаления хлора составляет 91,2 %, а потери цинка достигают 37,8 %, поэтому проведение окислительного обжига при данной температуре является нецелесообразным. Экспериментальные исследования показали, что из пыли электродуговой печи, в которой цинк преимущественно содержится в виде ZnFe₂O₄, возможно реализовать эффективное удаление хлора методом высокотемпературного окислительного обжига с относительно низкими потерями цинка в интервале температур 900 – 1000 °C.