В металлургию будущего навстречу демидовскому металлу из прошлого

УДК  669.181.27

В МЕТАЛЛУРГИЮ БУДУЩЕГО НАВСТРЕЧУ ДЕМИДОВСКОМУ МЕТАЛЛУ ИЗ ПРОШЛОГО

,

Рассмотрена роль свойств жидкой стали и способа их повышения. Описаны особенности старения и свойств железоуглеродного полупродукта, выплавленного процессом ORIEN.

Ключевые слова: однородность стали, старение, равновесие, полупродукт, ORIEN, коллоидный раствор, углерод.

1.Однородность жидкой стали  и способы повышения её.

Жидкая сталь является многокомпонентным раствором, имеющим сложное строение. Согласно квазихимической модели жидкометалличе­ского состояния расплавленная сталь в обычных условиях выплавки со­стоит из пространственных областей (кластеров), внутри которых распо­ложение атомов (не обязательно одного сорта) характеризуется упорядоченностью [1].

Равновесному состоянию расплава соответствует наиболее равно­мерное из всех возможных в данной системе распределение частиц. Фи­зико-химические свойства жидкого расплава характеризуются плотностью (б), вязкостью (з), теоретически равной силе трения F и кинематической вязкости [2,3].

Анализ теоретических работ [2-4] позволяет констатировать сле­дующее:

-существует природа металлургической наследственности, генети­ческой взаимосвязи жидкого и твердого состояния стали;

-при науглероживании или легировании железа микронеоднород­ность неравновесного расплава будет определяться кластерами  сортового упорядочения с различным соотношением атомов железа и примесей;

-неравномерность жидкого металла тесно связана с его механиче­скими свойствами  и в первую очередь с показанием  пластичности.

Следовательно, строение жидкой стали, её состав и свойства по­средством степени приближения к равновесному состоянию расплава влияет на реализацию металловедческой идеи: «состав-структура-свой­ства».

Из практики известны случаи, когда переход от выплавки металла в мартеновских печах на конвертерный способ ухудшил качество стали, раз­ливаемой на слябовых  МНЛЗ (ОАО  Алчевский метзавод,2004г.), что под­тверждает вышесказанные теоретические предпосылки  о необходимости иметь высокую однородность расплава.

Наиболее распространенным способом приведения расплава к не­которому равновесному состоянию является внепечная обработка металла: продувка аргоном в ковше и вакуумирование.

Вместе с тем для этих целей могут быть использованы и методы физического воздействия на металл при выплавке и  кристаллизации; на­ложение слабых электромагнитных полей в конвертере; применение низ­котемпературной плазмы при разливке, ультразвука, электромагнитного перемешивания.

Научной предпосылкой использования электрического воздействия малой удельной мощности при конвертерной плавке являются физико-хи­мические особенности  структуры расплавов, поскольку металлическая часть расплава имеет электронную структуру, а шлаковая - ионную [5]. В расплаве электроны атомов железа не локализованы около атомов, а могут распространятся  в объеме металла. В частности элементарной частицей углерода являются не нейтральные его формы, а заряженный ион С-4, по­этому положение слабых электрических полей изменяет в соответствие с правилом Ле-Шателье ход рафинировочных реакций в жидком расплаве. В результате усиливается циркуляция металла в надфурменной зоне при продувке стали в конвертере. Это приводит к улучшению ряда технологи­ческих показателей  конвертерного процесса, снижение содержания серы и фосфора ( на 10-20%), кислорода, водорода  и азота (на 12-25%), сокраще­нию уровня пылевыделения из полости конвертера (на 20-30%) и других показателей [5]. Однако применение технологии воздействия электромаг­нитных полей на конечную структуру металла влияет опосредственно (че­рез снижение вредных примесей).

Применение низкотемпературной плазмы, например, для подогрева жидкой стали промковше МНЛЗ имеет более широкие возможности для этого. В частности, использование плазменного подогрева металла сни­жает перегрев стали при разливке с 30 до 110 0С, в результате повышается дисперсность микроструктуры литого металла: среднее расстояние между осями дендритов второго порядка снижается вблизи большого радиуса с 90 до 30 мм, а в осевой зоне – с 80 до 20 мкм [6].

Применение технологии плазменного нагрева приводит к росту по­казателей пластичности листового проката (относительное сужение – в среднем на 18%, относительное удлинение - на 20%). Этот эффект дости­гается за счет получения мелкозернистой структуры в слябе и готовом прокате.

Аналогичный результат можно получить и за счет ультразвукового воздействия на стенки кристаллизатора  при непрерывной разливке стали [7]. Ультразвуковое воздействие приводит к получению более мелкозерни­стой структуры нержавеющей и углеродистой стали. Эффект ультразвуко­вой обработки усиливается при одновременном вводе в кристаллизатор ленты, которая снижает температуру перегрева жидкой стали и подавляет рост столбчатых кристаллов.  В результате обработки низколегированных сталей получено увеличение пластичности металла на 30-40%. При обра­ботке металла ультразвуком отмечается ускорение процесса рафинирова­ния стали с образованием пузырьков газа и их вымывающего действия в отношении неметаллических включений. При этом жидкотекучесть ме­талла увеличивается на 25-30%. Рафинирующий эффект повышается при использовании ультразвука в процессе вакуумирования стали.

Влияние электромагнитного перемешивания (ЭМП)  на торможение потоков металла в кристаллизаторе, физико-химические процессы при кристаллизации и металлургические эффекты рассмотрены одним из авто­ров настоящей статьи в работе[8]. Применение ЭМП увеличивает зону равновесных кристаллов в слитке, уменьшает содержание неметалличе­ских включений и газов, способствует снижению осевой ликвации, что в сочетании с технологией мягкого обжатия может обеспечить высокую плотность центральной зоны слитка.

Таким образом, применение физических методов воздействия на выплавляемый и кристаллизирующийся металл положительно влияют на увеличение дисперсности (однородности) структуры литого и катаного ме­талла, что приводит к увеличению пластических свойств готовой стали на 15-40%.

Этот эффект недостаточен, чтобы говорить о прорывном характере данных технологий. На практике с этой целью используются продувка ме­талла азотом в ковше и вакуумирование, которые так же не могут в разы  улучшить свойства готовой стали.

2. Особенности железоуглеродистого полупродукта, выплав­ленного процессом ORIEN.

Жидкий полупродукт, полученный процессом ORIEN, отличается по сравнению со стандартной технологией  электроплавки на металлоломе следующими особенностями:

-первородностью электропечной стали, сравнимой по минималь­ному содержанию примесей цветных металлов с конвертерным металлом выплавленным с использованием 80-90%  жидкого чугуна;

- однородностью структуры жидкого расплава;

- наличием углерода в растворе и свободных частиц углерода и це­ментита размером 10-5-10-7 см;

-более низким содержанием  серы и фосфора за счет кинетики про­текания физико-химических реакций в зоне дуг при непрерывной подаче  железоуглеродистого материала и раннего формирования основного шлака. По этой причине получаются более низкие концентрации  азота в металле.

Первородность получаемого полупродукта объясняется реакцией окисления углерода-восстановления железа в системе Fe-O-C с металличе­ской ванной. Однородность структуры расплава обеспечивают высокие температуры в зоне горения дуг, а также жидкофазный характер восста­новления окислов железа, характерный для процесса ORIEN.

В процессе плавки, полученный расплав углерода в железе далее поступает в металлическую ванну, имея весьма высокую концентрацию углерода. Она существенно превышает не только обычное содержание уг­лерода в чугуне, составляющее в среднем 4,2-4,5%, и  предел растворимо­сти углерода в железе, равный 6,67%. Концентрация углерода в железе при этом достигает 10-20% и более. Система Fe-C в данном случае является коллоидным раствором углерода в железе, представляя смесь жидкого чу­гуна и частиц графита (размер 10-5-10-7 см). В этой системе углерод присут­ствует одновременно в двух формах - в атомарном состоянии и в виде включений графита как в передельном чугуне, что является уникальным явлением и сопоставимо с ролью атомарного углерода при производстве демидовского металла и булата.

Требуются дополнительные исследования металла процесса ORIEN, особенно при содержании в шихте 80-100% брикетов. Однако уже сейчас можно предположить, что первородность и однородность струк­туры металла, наличие углерода в двух формах приближает этот металл к знаменитому демидовскому, для которого характерны были эти показа­тели, в частности высокая пластичность (в 2-3 раза) выше обычной.

Мастера Тагильского Демидовского завода производили сталь с клеймом «Старый соболь». Она производилась из руд Тагила-Кушвин­ского месторождения, чистых от вредных примесей и содержащих многие полезные компоненты, такие как титан и выплавлялась с использованием древесного березового угля. Выплавленная сталь подвергалась интенсив­ной пластической деформации и последующей обработке с применением сложной технологии силового и теплового воздействия. По таким техноло­гиям изготавливался широкий сортамент металлопродукции высочайшего качества: кровельное железо, которое не ржавеет с 19 века; круглый сорто­вой прокат, который можно было вязать в узлы; железнодорожные рельсы для северных дорог; котельная сталь. С развитием науки металловедения установлено, что легирование (насыщение стали углеродом) в демидов­ской стали осуществлялось углеродом древесного березового угля, Злато­устовского булата-графитом.

С появлением концепции атомарного строения  вещества, стало очевидным, что легирование железоуглеродистых материалов графитом и древесным углем осуществлялось не просто углеродом, а атомарным угле­родом, так как структура графита и аморфного древесного угля состоит только из атомов углерода. Как отмечалось  ранее в процессе ORIEN про­исходит легирование стали атомарным углеродом в пределах, превышаю­щих предел растворимости углерода в железе (6,67%) до 20%, что делает схожими эти процессы с технологией легирования демидовской стали и булата атомарным углеродом, даже в более широких пределах.

Физика процесса насыщения стали углеродом, находящейся в ато­марном состоянии изложена Орованом и Тейлором (1934г.) в теории дис­локационного процесса. Суть дислокационного процесса легирования стали атомарным углеродом заключается в том, что атомы углерода в про­цессе формирования кристаллов железа в жидкой фазе стали, а также в твердом растворе при пластической деформации и физических превраще­ниях внедряются в межатомное пространство куба  кристаллов железа, вы­зывая изменения  взаимного расположения атомов кристаллов, что приво­дит к искажению (дисклинации) формы куба  кристаллов железа и сопровождается изменением его размеров. Количество и плотность изме­ненных плоскостей взаимного расположения атомов железа и плотность их линий на поверхности кристаллов(дисклокаций), характеризуемые векто­ром Бюргерса,  коренным образом изменяют физические свойства стали [9].

На основании этой теории за счет легирования стали атомарным уг­леродом, что имеет место при производстве демидовского металла и со­временного процесса ORIEN могут быть получены сверхпластичные стали.

Заключение

Новый энергометаллургический процесс ORIEN позволяет выплав­лять металл, обладающий большими потенциальными возможностями в части коренного улучшения свойств металла.

Все 100 лет металлурги занимались постоянно легированием ме­талла, разработкой новых марок, многочисленных режимов термических обработок во имя получения оптимальных соотношений прочностных и пластических свойств.

Металл процесса ORIEN,  напоминающий демидовский, открывает новую эру в будущем черной металлургии, в котором качество металла по­вышается не за счет совершенствования  традиционных схем легирования, а только за счет изменения физических процессов структурообразования стали.

Список литературы

1., и др. Жидкая сталь, М: Металлургия, 1984,210 с.

2., , Строение и свойства жидкого металла. Технология плавки. Свойства стали. М: Металлургия, 1984. 239с.

3. , , Свойства и строение расплава железа // Сталь. 1991. №10 с.13-17.

4. , Рудов А. И. и др. Неравновесность жидкого металла и качество стали // Новые технологии и материалы в металлургии: Сб. научн. Трудов УИМ Екатеринбург.2010. с 242-259.

5. , Поляков электрического взаимодействия малой удельной мощности при конвертерной плавке стали // Сталь. 2014. №9. с.12-16.

6. Исакаев А. С., , Юсупов микроструктуры и механических свойств стали, разлитой с применением плазменного подогрева в промежуточном ковше МНЛЗ // Металлург,2013. №5. с. 69-74

7. Жихарев В. М., и др. Ультразвуковое воздействие на стенки кристаллизатора при непрерывной разливке стали // Черная металлургия. Бюлл. НТИ ЭК. 2013, №8, с. 27-33.

8. , Филиппов электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе при непрерывной разливке стали // Черная металлургия. Бюлл. НТИ ЭК, 2014,№7, с. 43-50

9. и др. Энциклопедический словарь по металлургии Т.1, М: «Интерент Инжиниринг», 2010, 412с.

, д-р тех. наук, профессор, *****@***ru, Россия, Москва, Академия технологических наук РФ,

, канд. техн. наук, доц., *****@***ru, Россия, Тула, Интермет-Сервис».

IN THE STEEL INDUSTRY OF THE FUTURE TO MEET THE DEMIDOV METAL FROM THE PAST

V. A. Sinel’nikov, G. A. Dorofeev

The role of the properties of liquid steel and the method of their promotion. Describes the features of aging and properties of iron-carbon intermediate product produced by the process ORIEN. 

Keywords: homogeneity of steel, aging, balance, intermediate, ORIEN, colloidal solution, carbon.

Sinel’nikov Vyacheslav Alekseevich, doctor of technical science, professor, *****@***ru, Russia, Moscow, Academy of technological Sciences of the Russian Federation,

Dorofeev Genrikh Alekseevich, candidate of technical science, docent, *****@***ru, Russia, Tula, OOO «NPMP Intermet-Service».