Лаборатория металлургия стали и материаловедение

Заведующий лабораторией:
Мухамбетгалиев Ербол Кенжегалиулы, кандидат технических наук/доктор философии PhD

История лаборатории

Организована с открытием института в 1958 как «Лаборатория конвертерных процессов». Первыми руководителями лаборатории были: к.т.н. Волков С.С., д.т.н. Фиалков, к.т.н. Е.В. Максимов.

Основными направлениями работ лаборатории в то время был ряд теоретических и практических работ по внедрению в производство стали комплексных раскислителей, получаемых ферросплавной лабораторией из регионального сырья, таких сплавов, как алюминий-марганец-кремний (АМС). При этом проводились достаточно глубокие исследования физико-химических процессов, сопровождающих раскисление стали комплексными сплавами, в частности внепечными способами в ковше.

В 1986 с приходом к руководству лабораторией к.т.н. Бабенко А.А. она была переименована в лабораторию «Физико-химия сталеплавильных процессов». В лаборатории получили развитие следующие направления научных исследований:

1. Физико-химические основы, разработка и освоение технологии передела фосфористого чугуна с получением качественного металла и кондиционного фосфатшлака для удобрений;
2. Изучение шлакообразования и кинетики высокотемпературных гетерогенных металлургических реакций рафинирования стали, моделировании теплового и материального балансов процесса;
3. Технология рафинирования стали от газов и вредных примесей на установке по доводке металла;
4. Разработка и внедрение ресурсосберегающей технологии передела фосфористого чугуна в большегрузных конвертерах.

Основные аспекты этих работ были успешно внедрены в конвертерном цехе Карагандинского металлургического комбината и вошли в основу ряда кандидатских и докторских диссертаций.С переходом в 1999 году Бабенко А.А в другой исследовательский институт лаборатория была фактически расформирована до 2001 года.

В 2001 году решением ученого совета и директората ХМИ лаборатория была воссоздана с названием лаборатория «Металлургия стали» под руководством к.т.н. Ахметова А.Б. Под его руководством лаборатория значительно расширила научные направления - как в области исследований процессов плавки, легирования, литья и прокатки стали, так и в области рециклинга металлургических отходов и угольных материалов. Расширение направлений исследований требовало проведения всего комплекса углубленных исследований металловедческого и петрографического характера. В связи с этим лаборатория «Металлургия стали» была переименована в лабораторию «Металлургия стали и материаловедение».

Разработанные и освоенные в промышленности технологии.

За период 2001-2018 гг сотрудниками лаборатории были созданы и внедрены с высоким научным и экономическим эффектом следующие актуальные для сталеплавильной и отрасли технологии:

1. Технология прямого легирования стали марганцевым концентратам месторождений Казахстана в дуговых сталеплавильных, мартеновских и конвертерных печах. Технология позволяет заменить дорогостоящие марганцевые сплавы при легировании стали, увеличить сквозное извлечение марганца из руды в сталь, минуя ферросплавный передел. Разработана и внедрена в период1985-1993 гг в 300- -тонных конвертерных и 600 -тонных мартеновских печах Карагандинского металлургического комбината, в100 -тонных мартеновских и дуговых печах Узбекского металлургического завода, в 6-ти тонных дуговых печах Павлодарского тракторного и Уралвагонзавода при выплавке стали Гадфильда. Благодаря этой технологии в период 1991-1994 годов, в условиях сокращения поставок марганцевых сплавов из Украины, перечисленные предприятия смогли не сворачивать до критического уровня свои производственные мощности. (Авторы технологии – д.т.н. Толымбеков М.Ж., к.т.н. Ахметов А.Б.)
2. Технология выплавки конвертерной и электростали с применением комплексных кремнеалюминиевых сплавов - ферросиликоалюминия (ФСА) и ферросиликоалюминия с барием (ФСАб). Технология раскисления стали комплексными сплавами позволяет снизить себестоимость стали, заменяя полностью ферросилиций, а также половину применяемого чушкового и пирамидального алюминия. Барий, подаваемый в составе сплава, обладая высокими поверхностно-активными свойствами в стали, эффективно модифицирует неметаллические включения, образуя с продуктами раскисления благоприятные для удаления из стали формы. Технология внедрена на всем сортаменте спокойных и низколегированных марок конвертерной и электростали выплавляемых на АО «АрселорМиттал Темиртау». Проведены успешные испытания сплава ФСА в 300-тонной дуговой печи SIEMENS-FAI-FUKS Ultimate завода ««Çolakoğlu Metallurgy IG» и в сталеплавильных печах ОАО «НОСТА», ОАО«МЕЧЕЛ», «ThyssenKrupp», «POSCO».
3. Разработана технология разливки конструкционных марок стали на горизонтальной машине непрерывного литья заготовок (ГМНЛЗ) Карагандинского литейно-машиностроительного завода; Технология разработана для машин непрерывной разливки с ограниченной технологической высотой, отливающих круглые стержневые заготовки из легированных марок стали, применяемых в машиностроении.
4. Технология выплавки товарного ферросиликомарганца (ФСМН) в печи ДСП-3 цеха №43 ТМЗ с использованием в шихте мелочи ФСМн, оборотного шлака и в качестве восстановителей ФС75, ФС45 и ФСА45. Технология внедрена на Таразском металлургическом заводе с целью эффективного вовлечения мелочи ФСМн (0-10мм) и оборотного марганцовистого шлака образующихся при выплавке и классификации сплава по фракциям.
5. Технология обработки стали разливаемой в изложницы и на машинах непрерывного литья заготовок шлакообразующими смесями из техногенных материалов регионального происхождения. Разработана и внедрена в условиях разливки стали в кислородно-конвертерном цехе АО «АрселорМиттал Темиртау». Разработанные шлакообразующие и утепляющие смеси,состоящие из отходов энергетических и металлургических предприятий региона за период 2003-2006 гг полностью внедрены для утепления головных частей слитков и утепления стали в 300-тонных ковшах.
6. Технология выплавки чугуна в руднотермической печи с полным использованием в монобрикете железосодержащих шлаков и отсевов коксика АО «АрселорМиттал Темиртау». Согласно технологии магнитная высокожелезистая часть конвертерных шлаков брикетируется с отсевом коксика и плавится в рудно-термической печи с получением стандартного, марочного литейного чугуна. При этом расход электроэнергии составляет <0,5 МВА на 1 тонну чугуна, в качестве флюса используется высокоосновной маложелезистый конвертерный шлак. Предназначена для предприятий перерабатывающих шлаковые отвалы сталеплавильных производств.
7. Технология выплавки и обработки трубной стали высокой категории прочности Х80 в кислородно-конвертерном цехе АО «АрселорМиттал Темиртау». Технология включает в себя ряд уникальных, научно-обоснованных и подтвержденных внедрением в условиях АО «АрселорМиттал Темиртау» решений. Разработаны способы эффективной десульфурации и дефосфорации стали до требуемых 0,005 % серы и 0,015 % фосфора. Разработана технология последовательного легирования стали ванадием, ниобием, титаном и алюминием, позволяющая гарантированное получение мелкозернистой ферритно-бейнитной структуры стали с механическими свойствами, отвечающими требованиям стандарта API Spec5L для стали высокой категории прочности Х80.
8. Технология рециклинга железа из техногенных отходов сталеплавильного производства с брикетированием и плавкой брикетов в дуговых сталеплавильных печах. Комплекс технологий рациональной утилизации железосодержащих отходов прошел промышленную апробацию и принят к внедрению на АО «АрселорМиттал Темиртау», ТОО «Кастинг». Новые технологические решения позволяют вернуть в основной технологический процесс железосодержащие отходы в виде моношихты - железоуглеродистых брикетов из окалины, железистой пыли с фильтров печей и отсевов кокса. Предложенный состав моношихты дает возможность сократить использование покупных связующих и получить прочные, высокореакционные брикеты, вносящие в плавку стали железо, до 10 % от применяемого металлолома.

За научные и практические достижения в области металлургии стали и их коммерционализацию члены коллектива лаборатории удостоены стипендий и премий им. академика К.И. Сатпаева, нагрудных знаков по отрасли и Государственной премии Республики Казахстан в области науки и техники им Аль-Фараби 2017 года.

Церемония вручения Ахметову А.Б. Президентом Государственной премии Республики Казахстан 2017 года в области науки и техники имени Аль-Фараби в Ак-Орде

Основная деятельность

В области фундаментальных исследований усилия коллектива сосредоточены на изучении процессов шлакообразования и кинетики высокотемпературных реакций рафинирования стали, моделировании теплового и материального балансов процесса. Ведутся исследования по определению термодинамических равновесных параметров на содержание вредных примесей в металле, по экспериментальной оценке раскислительной и модифицирующей способности комплексных кремнеалюминиевых, кальций и барий содержащих сплавов. Активно ведутся исследования термодинамических условий процессов легирования ниобием, ванадием и титаном при выплавке качественных марок стали.

Прикладными работами проводимыми непосредственно с предприятиями являются:

• Исследования процессов рафинирования стали, шлакообразования, раскисления, внепечной обработки и разливки стали.
• Решение экологических проблем сталеплавильных предприятий Казахстана с эффективным вовлечением железосодержащих отходов производства в процесс выплавки стали.
• Проведение макро-микроструктурного анализа металлических материалов, шлаков, руд и углей с применением современных методов анализа.
• Совершенствование технологий повышения качества стали, снижения ее себестоимости и утилизации техногенных отходов производства.

Научно-производственные связи

АО «АрселорМиттал Темиртау», Магнитогорский металлургический комбинат, Узбекский металлургический комбинат, НТМК, «ЧМК», Нижнетагильский танковый завод (УВЗ), ОМК «Выксунский металлургический завод», ООО «НЛМК-Калуга», Карагандинский литейно-машиностроительный завод,ПФ ТОО «Кастинг», ТОО «Казахмыс», ТОО «KSP-Steel» ТОО «Завод Казогнеупор», ТОО «АВ METALLSCO», ТОО «Горное бюро», ТОО «Таразский металлургический завод».

С молодыми учеными на ЦОФ Угольного департамента АО «АрселорМиттал Темиртау»	Первый рулон стали категории прочности Х80
Совместные испытания опытных сталей в ЦЗЛ АО «АрселорМиттал Темиртау»	Испытания стали высокой прочности на стане-5000 Магнитогрского металлургического комбината

Внедрение в производство

В настоящее время лаборатория активно сотрудничает с АО «АрселорМиттал Темиртау», ПФ ТОО «Кастинг», ТОО «Казахмыс», ТОО «KSP-Steel» решая проблемы выплавки качественной стали, снижения ее себестоимости и утилизации техногенных отходов производства. Освоение разработанных технологий только за последние три года на перечисленных предприятиях позволило получить экономический эффект в сотни миллионов долларов.

Техническая оснащенность и испытания материалов

Лаборатория оснащена высокотемпературными печами для плавки стали и других металлов, металловедческим оборудованием ведущих фирм Carl Zeiss, Emco-Test Pruf maschinen GmbH, Buehler, Olympus;: твердомерами DuraScan 10/20, универсальный стационарный твердомер (HBRVU -187.5) по Бриннелю Роквеллу и Виккерсу; микроскопами Olympus BX51 (TRF), PrimoStar; шлифовально-полировальный станок EcoMet 300.

Используя современное оборудование, большой практический опыт в области металловедения и петрографии материалов лаборатория проводит сертифицированные испытания для Испытательного Центра при ХМИ Ж.Абишева по определению качества, состава и свойств металлов, руд, шлаков, медных сплавов и углей.

Определение структуры стали на микроскопе Olympus–BX51	Определение твердости стали на твердомере HBRVU-187.5

Основные научные публикации

1. Толымбеков М.Ж., Такенов Т.Д., Ахметов А.Б. Прямое легирование стали марганцем. Монография: – Алматы: НИЦ «Ғылым», 2003. – 304 с.
2. Жарменов А.А, Муканов Д.М. Ахметов А.Б.и др. Подготовка и металлургическая переработка железных и марганцевых руд. Монография: -Астана: Фолиант, 2003. т.3. –345 с.
3. Инновационный патент РК 28218 от 17.03.2014 Способ выплавки чугуна в руднотермической печи / Ахметов А.Б., Огурцов Е.А., Үйсін Ә.Х.
4. Инновационный патент РК 28458 от 15.05.2014 Способ выплавки и легирования низколегированной трубной стали Х80 / Ахметов А.Б., Швецов А.Н., Огурцов Е.А., Кусаинова Г.Д., Саденова А.М., Омаров М.Х.
5. Akhmetov А.B., Kusainova G.D., Issagulov A.Z., Sultamurat G.l., Kuszhanova A.A. Тhe  research  of modification process of steel hadfield integrated alloy  ferroalumisilicocalcium (Al-Si-Ca)// Хорватия ,г.Загреб Jornal “ Mettalurgija” № 2282 от 24.12.2015 (IF 0,959).
6. А. Б. Ахметов, Г. Д. Кусаинова, А.А. Добромилов, К.В. Вертунцов, А И. Саврасов Опыт получения мелкозернистой структуры двухфазной стали при легировании ванадием и ниобием // Сталь, 2016, №1, С.22-24.
7. Инновационный патент РК 32704 от 12.02.2018 Способ внепечной обработки высокопрочной стали / Ахметов А.Б., Рау А.П., Басин В.Б., Витущенко М.Ф., Яблонский В.И., Кусаинова Г.Д., Сыздыкова Р.А.
8. А.Э. Ильясов, С.Н. Шаркаев, А.Б. Ахметов, Г.Д. Кусаинова, В.И. Яблон-ский Раскисляющие и модифицирующие свойства щелочноземельных метал-лов в составе сплавов ферроалюмосиликокальция и ферросиликобария // Бюл-летень «Черная металлургия». – 2018. – №9. – С.58-64.