КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 16-19-10435
НазваниеРазработка научных основ процессов многофункционального воздействия на свойства металла и шлака борсодержащими материалами для создания инновационной технологии получения высококачественной стали
Руководитель Леонтьев Леопольд Игоревич, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл
Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые слова Металлургия, физико-химические свойства, термодинамика, прямое микролегирование, десульфурация, конструкционные материалы, фазовые превращения, сталь, бор, шлак, микроструктура, неметаллические включения, механические свойства
Код ГРНТИ53.31.23
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Стратегия развития металлургической промышленности России на период до 2020 года, представленная правительством РФ, ставит перед металлургами страны в ряду приоритетных задач обеспечение высокой конкурентоспособности продукции за счёт повышения её качества и снижения себестоимости.
Одним из перспективных направлений повышения качества металлопроката являются глубокая десульфурация и микролегирование стали бором. До настоящего времени эти операции выполнялись каждая по отдельности.
Использование бора в качестве микролегирующий добавки позволяет эффективно измельчать зерно до наноразмерных кристаллов и способствовать формированию нанокристаллических структур в стали. Такие структуры, как известно, приводят к изменению физических и механических свойств (значительное повышение прочности при сохранении пластичности, повышение износостойкости, проявление высокоскоростной и низкотемпературной сверхпластичности), что позволит получить новые конструкционные стали.
Для организации производства сталей с низким (0,010-0,015 %) и сверхнизким (0,002-0,004 %) содержанием серы процесс десульфурации осуществляют на установках «ковш-печь» (УКП), как правило, с формированием высокоосновных шлаков системы СаО-SiO2-Al2O3 с добавлением плавикового шпата. Однако кратковременное действие плавикового шпата на физико-химические свойства шлака не обеспечивает высокой эффективности десульфурации стали, а экологическая вредность плавикового шпата в совокупности с формированием самораспадающихся шлаков значительно усугубляют экологическую обстановку. Для формирования жидкоподвижных высокоосновных шлаков с высоким рафинирующими свойствами часто взамен плавикового шпата используется В2О3.
В последнее десятилетие на мировом рынке металлопродукции значительно вырос спрос на литую заготовку и прокат из микролегированных бором сталей. Особое значение приобретает использование бора при производстве низкоуглеродистых высокопрочных сталей для магистральных трубопроводов (Х-80, Х-120) и сталей для глубокой вытяжки (IF. 08ЮР и др.). Микролегирование стали бором осуществляют за счёт присадок борсодержащих ферросплавов, использование которых увеличивает себестоимость стали.
Впервые многофункциональное воздействие на качественные показатели стали и свойства шлака предполагается проводить путём формирования шлаков системы СаО-SiO2-Al2O3-MgO-B2O3, обеспечивающих одновременно глубокую десульфурацию металла и, микролегирование стали бором за счёт его восстановления из оксидной фазы и перехода в металл. При этом формирование шлаков с В2О3 в области их насыщения МgO обеспечит сокращение износа огнеупорных материалов и улучшение экологической обстановки за счёт исключения использования плавикового шпата и формирования самораспадающихся шлаков.
Главными достоинствами предлагаемого способа, являются:
1. Комплексность воздействия на свойства металла и шлака, стойкость футеровки агрегата и стабилизацию шлака за счет использования способности В2О3 и бора влиять в малых концентрациях на структуру и физико-химические характеристики как металлических, так и оксидных систем;
2. Способ одноразового ввода борсодержащих материалов в ковш-печь, позволяющий не изменять технологию выплавки стали;
3. Дешевизна предлагаемого способа за счёт малых затрат только на использование борсодержащих материалов.
В практике предлагается создание таких составов и свойств металлической и оксидной фаз, которые позволят одновременно достичь высокой степени десульфурации стали и её микролегирования бором. При этом требуемая концентрация в шлаке МgO и В2O3 должна приводить к увеличению стойкости футеровки ковша-печи и стабилизации шлака от распада. Для достижения этой цели необходимо проведение цикла экспериментальных и теоретических исследований.
Для разработки предлагаемой технологии необходимо создать научные основы комплексного воздействия борсодержащих материалов на различные элементы процесса получения стали, при этом одним из главных научных вопросов успешного воздействия на свойства металла и шлака должно являться теоретическое и экспериментальное определение оптимального соотношения в них бора и его оксидов.
Будут изучены вязкость, температура кристаллизации и фазовый состав оксидной системы СаО–SiO2–В2O3 в области насыщения МgO основностью 2-5 единиц, содержащей 15 % Аl2O3 с использованием планирования эксперимента методом симплексных решеток; теоретические и экспериментальные исследования равновесного распределения серы и бора между оксидным расплавом системы СаО–SiO2–В2O3 в области насыщения МgO основностью 2-5 единиц, содержащей 15 % Аl2O3, и низкоуглеродистым металлом, содержащим 0,01-0,20 % кремния.
Будет изучено влияние глубокой десульфурации металла и прямого микролегирования низкоуглеродистых конструкционных марок стали бором на содержание, состав и размер неметаллических включений, микроструктуру и механические свойства литого и деформированного металла.
Намечается изучение факторов, влияющих на процесс стабилизации рассыпающихся сталеплавильных шлаков путём ввода в них борсодержащих добавок. Это изучение фазового состава шлаков с различным содержанием В2O3, лабораторное и опытно-промышленное опробование стабилизации шлаков с варьированием их состава, испытание различных видов борсодержащих материалов.
Будет изучено влияние содержания В2O3 и основности шлаков на предельную концентрацию МgO и стойкость магнезиальной футеровки путём проведения лабораторных и опытно-промышленных экспериментов.
В завершающей части работы будут проведены исследования по комплексному воздействию бора на свойства шлакового расплава и качество стали. При выплавке стали в лабораторных и полупромышленных условиях будут определяться технологические параметры, при которых ввод в шлак В2O3-содержащих материалов позволит провести: глубокую десульфурацию металла и микролегирование стали бором; снижение агрессивного воздействия шлакового расплава на огнеупорную футеровку; стабилизацию структуры основных шлаков и обеспечить высокое качество металлопроката.
На основании проведенных исследований будут разработаны научные основы многофункционального воздействия борсодержащих материалов на свойства металла и шлака и создана инновационная технология выплавки высококачественной стали.
Предлагаемая полифункциональная технология в мировой практике не использовалась, в отечественной и зарубежной литературе не приводится.
Внедрение новой технологии внесёт значительный научный и практический вклад в сталеплавильное производство Российской Федерации. Технология может быть использована для широкого сортамента сталей и осуществляться без значительных капитальных вложений за счёт использования малых количеств дешевых борсодержащих материалов (бората кальция, колеманита и др.) без изменения процесса плавки с получением более высокого качества стали, стойкости огнеупорной футеровки при улучшении экологической обстановки производства.
Удельные затраты на получение положительного эффекта при реализации предлагаемого способа, будут максимально низкими.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Бабенко А.А., Истомин С.А., Жучков В.И., Сычев А.В., Рябов В.В., Уполовникова А.Г. ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММ ВЯЗКОСТИ ШЛАКОВ СИСТЕМЫ СаО-SiO2-Al2O3-8%MgO-4%B2O3 МЕТОДОМ СИМПЛЕКСНЫХ РЕШЕТОК Металлы (год публикации - 2017)
2. Бабенко А.А., Жучков В.И., Леонтьев Л.И., Уполовникова А.Г., Конышев А.А. Равновесное распределение бора между металлом системы Fe-C-Si-Al и борсодержащим шлаком Известия высших учебных заведений. Черная металлургия (год публикации - 2017)
3. Сычев А.В., Салина В.А., Бабенко А.А., Жучков В.И. Изучение межфазного распределения бора между борсодержащим оксидом и металлом Известия высших учебных заведений. Черная металлургия (год публикации - 2017)
Публикации
1. Бабенко А. А., Уполовникова А. Г., Жидовинова С.В., Сметанников А.Н. Влияние химического и фазового состава на вязкость шлаков системы CaO-SiO2-B2O3, содержащей 8% MgO и 15% Al2O3 Бутлеровские сообщения, Т.52. №11. (год публикации - 2017)
2. Бабенко А.А., Жучков В.И., Уполовникова А.Г., Рябов В.В. Исследование вязкости шлаков системы сао-sio2-в2о3, содержащих 15% al2o3 и 8%mgo Известия вузов. Черная металлургия (год публикации - 2018)
3. Салина В.А., Сычев А.В., Жучков В.И., Леонтьев Л.И., Бабенко А.А. Изучение методом термодинамического моделирования влияния температуры и основности борсодержащего шлака на десульфурацию стали Металлы (год публикации - 2017)
4. Cалина В.А., Сычев А.В., Жучков В.И., Бабенко А.А. Термодинамическое моделирование процесса десульфурации металла борсодержащими шлаками системы CaO-SiO2-MgO-Al2O3-B2O3 Известия высших учебных заведений. Черная металлургия., № 12 (год публикации - 2017)
5.
Жучков В.И., Заякин О.В., Леонтьев Л.И., Сычев А.В., Кель И.Н.
Physicochemical characteristics, production and application of boron-bearing complex ferroalloys
Steel in Translation, №5, Т.47. С.291-295 (год публикации - 2017)
10.3103/S0967091217050163
Публикации
1. Сычев А.В., Жучков В.И., Салина В.А., Кель И.Н. The reduction of boron by silicothermal method Knowledge E Materials Science (год публикации - 2019)
2. Бабенко А.А., Жучков В.И., Сельменских Н.И., Уполовникова А.Г. Структура и свойства низкоуглеродистой трубной стали 17Г1С-У, микролегированой бором Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, Том 61. № 10. С. 774-779 (год публикации - 2018)
3. Заякин О.В., Жучков В.И. Influence of the boron-containing ferroalloys composition on the characteristics of the processed steel Journal of International Scientific Publications, Vol. 12. – pp. 159-164. (год публикации - 2018)
4. Бабенко А.А., Сметанников А.Н., Жучков В.И., Уполовникова А.Г. Исследование влияния В2О3 и основности шлака системы CaO-SiO2-B2O3-Al2O3 на концентрацию насыщения оксидом магния Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. (год публикации - 2019)
5. Бабенко А.А., Жучков В.И., Сельменских Н.И. Effect of boron on the microstructure and mechanical properties of low-carbon tube steel Materials science forum (год публикации - 2019)
6.
Бабенко А.А., Жучков В.И., Уполовникова А.Г., Рябов В.В.
Применение метода симплексных решеток для построения диаграмм состав-вязкость шлаков системы CaO-SiO2-Al2O3, содержащая 15% Al2O3 и 8% MgO
Известия высших учебных заведений. Черная металлургия., Том 61. № 8. С. 601-605. (год публикации - 2018)
10.17073/0368-0797-2018-8-601-605
7. Заякин О.В., Кель И.Н. Promising directions for the stabilization of ferroalloy production slags Materials science forum (год публикации - 2019)
8. Жучков В.И., Салина В.А., Сычев А.В. The study of the process of metal-thermal reduction of boron from the slag of the system CaO-SiO2-MgO-Al2O3-B2O3 Materials science forum (год публикации - 2019)
9.
Жучков В.И., Леонтьев Л.И., Акбердин А.А., Бабенко А.А., Сычев А.В.
Применение бора и его соединений в металлургии
Издательство «Академиздат», Новосибирск, Издательство «Академиздат» (ООО «Агентство маркетинга инноваций»), Новосибирск. – 156 с. (год публикации - 2018)
10.17073/0368-0797-2018-8-601-605
10. Сычев А.В., Жучков В.И., Салина В.А., Кель И.Н. Изучение процесса восстановления бора силикотермическим способом Труды научно-практической конференции с международным участием и элементами школы для молодых ученых «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР: Ферросплавы., с. 237-240. (год публикации - 2018)
11. Кель И.Н. Применение бора в ферросплавной промышленности Труды научно-практической конференции с международным участием и элементами школы для молодых ученых «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР: Ферросплавы., с. 428-431. (год публикации - 2018)
12. Жучков В.И., Леонтьев Л.И., Бабенко А.А., Сычев А.В. Микролегирование стали бором с использованием новых комплексных борсодержащих ферросплавов и оксидных материалов Труды XV Международного конгресса сталеплавильщиков и производителей металла. М.: ООО «РПК ПРИНТ АП»., с. 300-303. (год публикации - 2018)
13. Кель И.Н. The using boron containing materials in ferroalloy industry Knowledge E Materials Science (год публикации - 2019)
14. Сычев А.В., Жучков В.И., Заякин О.В. Stabilization of self-slaking slags from ferroalloy production Knowledge E Materials Science (год публикации - 2019)