Ученый Южно-Уральского государственного университета, профессор, доктор технических наук Геннадий Михайлов совместно с научным коллективом много сделал для создания термодинамической теории глубокого рафинирования стали и впервые в мировой науке построил диаграммы комплексного раскисления стали. Сегодня они широко используются как при обучении будущих металлургов, так и при проектировании процессов комплексного раскисления стали на металлургических предприятиях страны. Фрагменты теории нашли применение при отработке технологии легированных, электротехнических и коррозионностойких конструкционных сталей. О том, какие факторы влияют на качество выплавленного металла, как регулируется химический состав качественной стали, как разрабатываются современные технологии ее выплавки, а также почему металлургия – это до сих пор искусство, рассказал заведующий кафедрой "Материаловедение и физико-химия материалов" ЮУрГУ Геннадий Георгиевич Михайлов.
– Каковы основные положения вашей теории?
– Нам удалось создать способ моделирования процессов рафинирования металла*. Основным здесь является понимание процессов взаимодействия компонентов стали при ее охлаждении и кристаллизации. На этих стадиях необходимо определиться с технологией удаления из стали кислорода, серы, фосфора и других вредных для металла примесей. Например, при температуре жидкого железа максимальное количество кислорода, которое может раствориться в жидком металле при температуре 1600° С – это 0,3%.
Если концентрация кислорода превышает растворы, то сталь будет находиться в равновесии с расплавом оксидов (FeO и Fe2O3). Когда железо начнет кристаллизоваться при температуре плавления свыше 1535°С, кристаллы железа вырастут, образуя сетку твердого металла. Оксиды же будут оставаться жидкими до температуры 1350-1400° С и, поэтому, каждый кристаллик железа окажется в оксидной оболочке.
Такая сталь получается по свойствам близкой к свойствам оксидов и будет разрушаться при малейшей нагрузке. Поэтому содержание оксидов в стали должно быть минимальным. Закристаллизовавшаяся сталь должна представлять собой монолит кристаллов металлического железа. Технологическая операция удаления из металла кислорода называется раскислением металла. Операция удаления серы - десульфурация, фосфора – дефосфорация, азота – деазотация, водорода – дегидрогенерация.
– Для чего нужно проводить процесс раскисления стали?
– Чтобы выплавить качественный металл, нужно «убрать» оттуда «вредные» примеси. Раскисление - это и есть процесс снижения концентрации кислорода в металле. Этого эффекта добиваются тем, что в металл вводят незначительное количество примесей, которые обладают бОльшим сродством к кислороду, нежели железо. Такими свойствами обладают марганец, кремний, алюминий, кальций и т.д. Оксиды этих элементов, будучи более легкими субстанциями, выталкиваются на поверхность металла и ассимилируются поверхностным шлаком. В результате этого количество кислорода в металле заметно сокращается. То есть неметаллическое включение, которое «ушло» в шлак, «утащило» с собой и «вредный» для металла кислород. Формирование состава раскислителей металла – это большая проблема и требует особого подхода для каждой группы марок сталей. До недавнего времени подбор составов комплексных раскислителей осуществлялся опытным путем. В настоящее время имеется возможность решения проблемы глубокого рафинирования стали с использованием расчётных методов.
– Что нового вы открыли, изучая процесс раскисления стали?
– Совестно с научным коллективом нашей кафедры нам, по заказу бывшего Челябинского НИИ металлургии, удалось решить проблему рационального состава сплавов кальция с кремнием для участия в раскислении металла. Мы доказали, что низкопроцентный (10-12%) силикокальций (SiCа) также эффективен, как и 30%-й. Дело в том, что 15-18% из 30% не используются, потому что выгорают над поверхностью стали. Нами же было доказано, что для целей раскисления достаточно использовать низкопроцентный силикокальций, а для целей модифицирования, т.е изменения состава неметаллических включений и структуры металла, можно использовать высокопроцентный SiCа, что значительно экономит расход кальция и повышает безопасность труда, минимизируя вероятность вспышек паров силикокальция. К слову сказать, после наших работ были внесены поправки в ГОСТ по раскислению стали силикокальцием.
– В чем суть системы диаграмм состояний раскисления стали, которые вы разработали?
– Для того, чтобы получить качественный металл нужно не только вывести из него кислород, серу, фосфор и другие вредные примеси. Нужно еще ввести «полезные» компоненты – кремний, алюминий, хром, никель и многие другие. А что с ними будет происходить при взаимодействии с железом и растворенным в нем кислородом? Какие они фазы будут образовывать в том или ином случае? На эти и другие вопросы отвечает разработанная учеными нашей кафедры особая система диаграмм состояния, которая позволяет установить состав металла, его благоприятные фазы в равновесии с другими вводимыми элементами. Поясню на примере: если мы проводим раскисление при помощи алюминия, получается, что при определенном составе металла в равновесии с ним будет находиться герцинит – FeAl2О4, при другом составе в равновесии будет корунд. Корунд - это крайне негативное неметаллическое включение, которое отрицательно сказывается на качестве стали из-за высокой твердости корунда, сравнимой с алмазом. Корундовые образования способствуют развитию трещин в металле и при знакопеременных нагрузках он начинает разрушаться. Поэтому на финишной операции выплавки ни в коем случае не допускается раскисление стали алюминием.
Использование одновременно алюминия и кальция позволяет значительному количеству оксидных включений преобразоваться в алюминаты и удалиться, а оставшиеся частицы алюминатов уже практически не вредят, а зачастую могут принести и пользу.
Наша система диаграмм помогает подобрать оптимальные сочетания состояний равновесия химических веществ и понять, каким образом металл будет «вести» себя при выплавке, какие при этом могут образовываться неметаллические включения и как они будут влиять на качество стали.
– Насколько современная металлургия отличается от металлургии 30-летней давности?
– Еще не так давно на слитке «спокойной» стали образовывалась усадочная раковина и потери металла достигали до 20-25%. Технология выплавки была крайне неэкономичной: из 100 тонн хорошего металла после разливки до 30% выплавленного металла составляла головная и донная обрезь слитка. Сегодня технология выплавки модернизировалась, металл больше не разливают в отдельные слитки, весь процесс разливки происходит в машине непрерывного литься заготовок (МНЛЗ). Если раньше плавка в печи проходила 6-8 часов, сейчас этот процесс сократился до 50 минут. Выход годного металла в этом случае составил не 70-80%, как раньше, а уже 95-98%.
Однако не нужно думать, что современное оборудование заменит человека. Ведь металлургия - это не только работа, металлургия – это еще и искусство! Необходимо так овладеть технологией выплавки, чтобы при ее высокой скорости принимать решения мгновенно – добавить тот или иной компонент или придержать, снизить или поднять температуру плавки? Сегодня мы научились плавить сталь, содержание кислорода в которой всего 0,0001%. Вы представляете, какой нужен профессионализм, чтобы в открытой атмосфере цеха выплавить металл с такой минимальной концентрацией кислорода?! Сегодня сталь обязательно проходит стадию рафинирования, в процессе которой в самую последнюю очередь в металл вводят еще и модификаторы, вещества, которые облагораживают структуру металла. Отсюда повышается однородность металла, технологическая пластичность и прочность. Такая обработка химическими веществами, скажем ферросплавами с определёнными компонентами позволяет изменить «лицо» стали. В настоящее время есть марки сталей, содержащие десятки действующих компонентов. Такой металл нужно не только выплавить, но еще и «чувствовать».
– Насколько, с вашей точки зрения, сильна взаимосвязь химии и металлургии?
– Металлургия – это химия. Но химия высокотемпературных химических процессов. Смешайте кислоту с щелочью и получите соль и воду. Почему-то такая реакция относится к химическим процессам. Однако, давайте рассмотрим технологический процесс получения титана. Залежи титаномагнитовых руд у нас имеются в достаточном количестве, но сложность заключается в том, что нельзя получить титан, реализовав какую-то одну реакцию непосредственно. Металлургия титана - очень длительный многоступенчатый процесс. Именно поэтому титан – дорогостоящий металл. Сначала проводится обогащение титановой руды с тем, чтобы выделить титанат железа. Затем титанат железа дробят и проводят восстановительную плавку. Получается шлак, который содержит 70-80% TiО2 и малоконцентрированный ферротитан (ферротитанистый чугун). Чугун идет в другое производство, а шлак с TiО2 смешивают с углеродистым восстановителем и из него прессуют брикеты, которые загружают в герметичную электрическую печь. В печь при температуре 800-900° С подается хлор и, в результате, образуется четыреххлористый титан. TiCL4 при данной температуре существует в виде газа. При охлаждении TiCL4 превращается в жидкость. Полученный TiCL4 сливают в реактор, в который вводится жидкий магний и получается расплав оксидов MgCl2 и тут же образуется титан, но при этой температуре титан получается твердым в виде губки с узором, похожим на узор, который мы часто видим зимой на окнах. Дальше с помощью газа аргона из реактора вытесняется жидкий MgCl2 и остается только чистый титан. Затем реактор открывают, губку вынимают, прессуют, переплавляют в электровакуумной дуговой печи. MgCl2 идет на электролиз, в результате чего получают газ Cl2 и жидкий магний. Хлор идет на хлорирование, а магний – на восстановление TiCL4. И в этом процессе уже не разделить, где традиционная химия, а где металлургия. Деление получается очень условным.
Справка:
*Рафинирование – (нем. raffinieren, от фр. raffiner «очищать») — очистка чего-либо от не нужных примесей.