vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"10.57070/2304-4497-2024-2(48)-127-135vsgiu-70Research ArticleРаздел 3. Металлургия и материаловедениеSection 3. Metallurgy and Materials ScienceИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЖИМОВ ПРОДУВКИ РАСПЛАВА РЕЛЬСОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАЛИ В ПРОЦЕССЕ ОБРАБОТКИ НА АГРЕГАТЕ КОВШ-ПЕЧЬRESEARCH AND IMPROVEMENT OF MODES FOR BLOWING ELECTRIC RAIL STEEL MELT DURING PROCESSING ON THE LADLE-FURNACE UNITДумоваЛюбовь ВалерьевнаDumovaLyubov′ V.

ведущий инженер Центра коллективного пользования «Материаловедение» института металлургии и материаловедения

Leading engineer of the Center for Collective Use "Materials Science" of the Institute of Metallurgy and Materials Science

doumova@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7554-2168ПротопоповЕвгений ВалентиновичProtopopovEvgenii V.

д.т.н., профессор, профессор кафедры металлургии черных металлов и химической технологии

Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair of Ferrous Metallurgy and Chemical Technology

protopopov@sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4403-9006УманскийАлександр АлександровичUmanskiiAleksandr A.

д.т.н., доцент, директор института металлургии и материаловедения, профессор кафедры металлургии черных металлов и химической технологии

Dr. Sci. (Eng.), Assist. Prof., Director of the Institute of Metallurgy and Materials Science, Prof. of the Chair of Ferrous Metallurgy and Chemical Technology

umanskii@bk.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation20243006202402127135Copyright © Думова Л.В., Протопопов Е.В., Уманский А.А., 20252025Думова Л.В., Протопопов Е.В., Уманский А.А.Dumova L., Protopopov E., Umanskii A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsiu.ru/jour/article/view/70

С использованием моделирования процесса продувки расплава в сталеразливочном ковше, проведенного применительно к условиям электросталеплавильного цеха АО «ЕВРАЗ ЗСМК», определены закономерности влияния интенсивности продувки на параметры, характеризующие интенсивность перемешивания металла: мощность перемешивания и эффективный коэффициент диффузии. Показано, что повышение интенсивности продувки инертным газом в широких пределах варьирования данного показателя увеличивает мощность перемешивания вне зависимости от режима истечения газовых струй и направления переноса. При этом влияние удельного расхода вдуваемого в расплав инертного газа на интенсивность перемешивания более выражено для струйного режима продувки по сравнению с пузырьковым, что позволяет определить характеристики процесса гомогенизации расплава при расчете эффективного коэффициента диффузии. На основании статистических исследований определено, что в условиях рассматриваемого цеха увеличение длительности периодов продувки рельсовой стали с интенсивностью более 1,1 м3/мин оказывает значимое влияние на уменьшение отбраковки рельсов из-за наличия неметаллических включений. Полученные результаты теоретических и аналитических исследований явились базой для разработки усовершенствованного режима продувки рельсовой стали инертным газом в процессе обработки на агрегате ковш-печь. Отличительной особенностью усовершенствованного режима является наличие во второй половине продувки периода с повышенной до 1,2 – 1,6 м3/мин интенсивностью подачи инертного газа с продолжительностью не менее 10 мин. Опытно-промышленное опробование разработанного режима продувки инертным газом подтвердило его эффективность с точки зрения рафинирования рельсовой стали от неметаллических включений. В серии из 110 опытных плавок зафиксировано снижение отбраковки рельсов из-за наличия неметаллических включений на 0,6 %.

Using simulation of the melt purging process in a steel ladle, carried out in relation to the conditions of the electric steel melting shop of JSC EVRAZ ZSMK, the regularities of the influence of the intensity of purging on the parameters characterizing the intensity of metal mixing: mixing power and effective diffusion coefficient were determined. It is shown that an increase in the intensity of purging with an inert gas within a wide range of variation of this indicator increases the mixing power, regardless of the mode of outflow of gas jets and the direction of transfer. At the same time, the effect of the specific flow rate of the inert gas injected into the melt on the mixing intensity is more pronounced for the jet purge mode compared with the bubble mode, which makes it possible to determine the characteristics of the melt homogenization process when calculating the effective diffusion coefficient. Based on statistical studies, it was determined that in the conditions of the workshop under consideration, an increase in the duration of periods of purging of rail steel with an intensity of more than 1.1 m3/min. It has a significant effect on reducing rail rejection due to the presence of non-metallic inclusions. The obtained results of theoretical and analytical studies were the basis for the development of an improved mode of purging rail steel with inert gas during processing on the bucket furnace unit. A distinctive feature of the improved mode is the presence in the second half of the purge period with an increased to 1.2 – 1.6 m3/min intensity of inert gas supply with a duration of at least 10 minutes. Pilot testing of the developed inert gas purge mode has confirmed its effectiveness in terms of refining rail steel from non-metallic inclusions. In a series of 110 experimental smelters, a decrease in rail rejection due to the presence of non-metallic inclusions was recorded by 0.6 %.

рельсовая стальпродувка инертным газомнеметаллические включениячисленное моделированиеперемешивание расплаваrail steelpurging with inert gasnon-metallic inclusionsnumerical modelingmelt mixingReferencesZhang H., Liu C., Lin Q., Wang B., Liu X., Fang Q. Formation of plastic inclusions in U71Mnk High-speed heavy-rail steel refined by CaO-SiO2-Al2O3-MgO slag. Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metal-lurgy and Materials Processing Science. 2019;50(1):459–470. https://doi.org/10.1007/s11663-018-1451-0Zhang H., Liu C., Lin Q., Wang B., Liu X., Fang Q. Formation of Plastic Inclusions in U71Mnk High-Speed Heavy-Rail Steel Re-fined by CaO-SiO2-Al2O3-MgO Slag. Metal-lurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. 2019;50(1):459–470.Dhua S.K., Ray A., Sen S.K., Prasad M.S., Mishra K.B., Jha S. Influence of nonmetallic inclusion characteristics on the mechanical properties of rail steel. Journal of Materials Engineering and Performance. 2000;9(6):700–709.https://doi.org/10.1007/s11663-018-1451-0https://doi.org/10.1361/105994900770345584Dhua S.K., Ray A., Sen S.K., Prasad M.S., Mishra K.B., Jha S. Influence of nonmetallic inclusion char-acteristics on the mechanical properties of rail steel. Journal of Materials Engineering and Performance. 2000;9(6):700–709.Kalisz D., Gerasin S., Bobrowski P., Zak P.L., Skowronek T. Computer simulation of mi-crosegregation of sulphur and manganese and formation of MnS inclusions while casting rail steel. Archives of Metallurgy and Materials. 2016;61(4):1939–1944.https://doi.org/10.1361/105994900770345584Козырев Н.А., Уманский А.А., Бойков Д.В. Разработка технологии внепечной обработ-ки рельсовой электростали, обеспечиваю-щей повышение эксплуатационной стойко-сти рельсов. Черные металлы. 2015;(4(1000)):29–33.Kalisz D., Gerasin S., Bobrowski P., Zak P.L., Skowronek T. Computer simulation of mi-crosegregation of sulphur and manganese and formation of MnS inclusions while casting rail steel. Archives of Metallurgy and Materials. 2016;61(4):1939–1944.Zhao K.-w., Zeng J.-h., Wang X.-h. Nonmet-allic Inclusion Control of 350 km/h high speed rail steel. Journal of Iron and Steel Research International. 2009;16(3): 20–26.Kozyrev N.A., Umansky A.A., Boikov D.V. Devel-opment of technology for out-of-furnace processing of rail electric steel, which provides an increase in the operational stability of rails. Ferrous metals. 2015;(4(1000)):29–33. (In Russ.).https://doi.org/10.1016/S1006-706X(09)60038-8Zhao K.-w., Zeng J.-h., Wang X.-h. Nonmet-allic Inclusion Control of 350 km/h high speed rail steel. Journal of Iron and Steel Research International. 2009;16(3): 20–26.Кузнецова Н.В. Статистический анализ изъятий рельсов с контактно усталостными видами дефек-тов. Внедрение современных конструкций и пере-довых технологий в путевое хозяйство. 2021;17(17):41–47. EDN: SDWNGJhttps://doi.org/10.1016/S1006-706X(09)60038-8Коган А.Я., Абдурашитов А.Ю. Прогнозирование отказов рельсов по дефектам контактно-усталостного происхождения. Вестник Научно-исследовательского института железнодорож-ного транспорта. 2014;(4):3–7. EDN: TOLHFDKuznetsova N.V. Statistical analysis of rail with-drawals with contact fatigue types of defects. The in-troduction of modern structures and advanced tech-nologies in the track economy. 2021;17(17):41–47. EDN: SDWNGJ (In Russ.).Кушнарев А.В., Киричков А.А., Добужская А.Б., Белокурова Е.В. Разработка химического состава рельсовой стали бейнитного класса и технологии производства из нее рельсов в ОАО "ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат". Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2013;(2(1358)):58–62. EDN: PZPWNTKogan A.Ya., Abdurashitov A.Yu. Predicting rail failures based on defects of contact fatigue origin. Bulletin of the Scientific Research Insti-tute of Railway Transport. 2014;(4):3–7. EDN: TOLHFD (In Russ.).Юрьев А.Б., Годик Л.А., Нугуманов Р.Ф., Козырев Н.А., Корнева Л.В. Производство и качество рельсов из стали марки Э90АФ. Известия вузов. Черная металлургия. 2009;(8):34–37.Kushnarev A.V., Kirichkov A.A., Dobuzhskaya A.B., Belokurova E.V. Development of the chemical composition of bainite-grade rail steel and technology for the production of rails from it at JSC EVRAZ Nizhnetagilsky Metallurgical Combine. Ferrous met-allurgy. Bulletin of scientific, technical and economic information. 2013;(2(1358)):58–62. EDN: PZPWNT (In Russ.).Shabanov P.A., Volkov K.V., Kuznetsov E.P., Ale-ksandrov I.V. Changing the technical-economic in-dices of rail-steel production by sorting scrap based on its content of residual elements. Metallurgist. 2014; 58 (5-6):500–503.Yurev A.B., Godik L.A., Nugumanov R.F., Kozyrev N.A., Korneva L.V. Production and quality of 90AF steel rail. Izvestiya. Ferrous metallurgy. 2009;(8):34–37.Уманский А.А., Думова Л.В. Исследование комплексного влияния параметров выплав-ки рельсовой электростали на качество рельсовой продукции и технико-экономические показатели ее производства. Известия вузов. Черная металлургия. 2018;61(11):876–883. EDN: YTUHKH https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-11-876-883Shabanov P.A., Volkov K.V., Kuznetsov E.P., Ale-ksandrov I.V. Changing the technical-economic in-dices of rail-steel production by sorting scrap based on its content of residual elements. Metallurgist. 2014; 58 (5-6):500–503.Garber A.K., Arsenkin A.M., Grigorovich K.V., Shi-baev S.S., Kushnarev A.V., Petrenko Y.P. Analysis of various versions of the deoxidation of rail steel at OAO NTMK. Russian Metallurgy (Metally). 2009;7:581–586.Umansky A.A., Dumova L.V. Investigation of the complex influence of the parameters of smelting of a rail electric steel on the quality of rail products and technical and economic indicators of its production. Izvestiya. Ferrous metallurgy. 2018;61(11):876–883. EDN: YTUHKH (In Russ.).Yurev A.B., Godik L.A., Devyatkin Yu.D., Kozyrev N.A., Tokarev A.V. Reduction of rail steel by calcium carbonate. Steel in Transla-tion. 2008;38(4):312–314.https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-11-876-883Смирнов Л.А., Ровнушкин В.А., Добужская А.Б., Юнин Г.Н., Полевой Е.В., Бойков Д.В., Спирин С.А. Влияние модифицирования РЗМ на форми-рование неметаллических включений в высоко-углеродистых сталях. Сталь. 2016;(11):21–28.Garber A.K., Arsenkin A.M., Grigorovich K.V., Shi-baev S.S., Kushnarev A.V., Petrenko Y.P. Analysis of various versions of the deoxidation of rail steel at OAO NTMK. Russian Metallurgy (Metally). 2009;7:581–586.Peng K., Yu D., Zhang P., Wang L., Liao Zh., Lu Zh., Wu G., Song Ch., Li Lu. Laminar plasma quenching-tempering: a rapid surface heat treatment technique for controllable modification of the rail steel. Surface and Coatings Technology. 2023;473.Yurev A.B., Godik L.A., Devyatkin Yu.D., Kozyrev N.A., Tokarev A.V. Reduction of rail steel by calcium carbonate. Steel in Transla-tion. 2008;38(4):312–314.Протопопов Е.В., Числавлев В.В., Темлян-цев М.В., Головатенко А.В. Повышение эффективности рафинирования рельсовой стали в промежуточных ковшах МНЛЗ на основе рациональной организации гидроди-намических процессов. Известия вузов. Черная металлургия. 2020;63(5):298–304. EDN: DURJZB.Smirnov L.A., Rovnushkin V.A., Dobuzhskaya A.B., Yunin G.N., Polevoy E.V.4, Boikov D.V., Spi-rin S.A. The effect of REM modification on the for-mation of non-metallic inclusions in high-carbon steels. Steel. 2016;(11):21–28. (In Russ.).https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-5-298-304Peng K., Yu D., Zhang P., Wang L., Liao Zh., Lu Zh., Wu G., Song Ch., Li Lu. Laminar plasma quenching-tempering: a rapid surface heat treatment technique for controllable modification of the rail steel. Surface and Coatings Technology. 2023;473.Матвеев В.В., Федоров Л.К., Милютин Н.М., Бе-локурова Е.В. Новые шлакообразующие смеси для разливки рельсовой стали. Сталь. 2000;(5):26–27.Protopopov E.V., Chislavlev V.V., Tem-lyantsev M.V., Golovatenko A.V. Improving the efficiency of refining rail steel in interme-diate buckets of the CML based on the ration-al organization of hydrodynamic processes. Izvestiya. Ferrous metallurgy. 2020;63(5):298–304. EDN: DURJZB. (In Russ.).Ren Q., Zhang Y., Wang J., Wang Y., Ren Y., Zhang L., Chu Y. Prediction on the spatial distribution of the composition of inclusions in a heavy rail steel continuous casting bloom. Journal of Materials Research and Technology. 2020;9(3):5648–5665.https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-5-298-304Chichkarev E.A. Modeling the coagulation and removal of nonmetallic inclusions during the injection of an inert gas into a melt. Met-allurgist. 2010;54(3):236–243.Matveev V.V., Fedorov L.K., Milyutin N.M., Belo-kurova E.V. New slag-forming mixtures for casting rail steel. Steel. 2000;(5):26–27. (In Russ.).Чуманов В.И., Хартов В.Ю., Чуманов И.В. К вопросу оптимизации режима продувки металлического расплава инертным газом. Электрометаллургия. 2011;(12):25–28.Ren Q., Zhang Y., Wang J., Wang Y., Ren Y., Zhang L., Chu Y. Prediction on the spatial distribution of the composition of inclusions in a heavy rail steel continuous casting bloom. Journal of Materials Research and Technology. 2020;9(3):5648–5665.Коминов С.В., Семин А.Е., Чуйков В.Ф. Производство стали: обработка металла инертными газами. Москва: МИСиС; 2014:55.Chichkarev E.A. Modeling the coagulation and removal of nonmetallic inclusions during the injection of an inert gas into a melt. Met-allurgist. 2010;54(3):236–243.Уманский А.А., Головатенко А.В., Симачев А.С. Исследования неметаллических включений в рельсах из электросталей, легированных хромом. Известия вузов. Черная Металлур-гия. 2019;62(12):936‒942.Chumanov V.I., Khortov V.Yu., Chumanov I.V. On the issue of optimizing the mode of purging a metal melt with an inert gas. Electrometallurgy. 2011;(12):25–28. (In Russ.).https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-12-936-942Kominov S.V., Semin A.E., Chuikov V.F. Steel production: metal processing with inert gases. Moscow: MISiS; 2014:55. (In Russ.).Umanskii A.A., Golovatenko A.V., Simachev A.S. Nonmetallic inclusions in rails made of electro-steel alloyed with chromium. Izvestiya. Ferrous Metallur-gy. 2019;62(12):936-942. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-12-936-942Umanskii A.A., Golovatenko A.V., Simachev A.S. Nonmetallic inclusions in rails made of electro-steel alloyed with chromium. Izvestiya. Ferrous Metallur-gy. 2019;62(12):936-942. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-12-936-942

The authors declare that there are no conflicts of interest present.