ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ВИПЛАВКИ ТА РОЗЛИВАННЯ НАДМІЦНИХ ВИСОКОМАРГАНЦЕВИХ СТАЛЕЙ НОВОГО ПОКОЛІННЯ
Procesi littâ, 2025, Vol 3 (161), 12-22
DOI:
https://doi.org/10.15407/plit2025.03.012Ключові слова:
виплавка високомарганцевих сталей, легування марганцем, легувальні матеріали, технологія розливання сталі, розливальні флюсиАнотація
У статті проаналізовано комплекс технологічних проблем, пов’язаних із виробництвом надміцних високомарганцевих сталей нового покоління типу TWIP/TRIP, які характеризуються високим вмістом марганцю (до 35 +%). Зазначено, що висока вартість легування, певні технологічні складнощі та недостатнє наскрізне засвоєння марганцю під час виплавки є
серйозними викликами в процесі комерційного виробництва високого марганцевих сталей нового покоління. Розглянуто основні проблеми легування таких сталей, зокрема пов’язані із втратами марганцю, необхідністю корекції вмісту кремнію, складністю забезпечення необхідної концентрації вуглецю та підтримання оптимального складу шлаку в процесі плавки. Особливу увагу приділено проблемі вибору та ефективності різних легувальних матеріалів залежно від їх хімічного складу та впливу на технологічний процес. Обґрунтовано доцільність застосування спеціалізованих феросплавів зі скоригованим співвідношенням Mn/Si ≥ 8 та зниженим вмістом фосфору (≤0,05%). Розглянуто альтернативні технологічні підходи до організації легування: проплавлення феросплавів безпосередньо у плавильному агрегаті, введення в ківш, зокрема на агрегатах типу ківш-піч, застосування продуктів прямого відновлення та методів із попереднім розплавленням легувальних матеріалів. Проаналізовано досвід світових виробників у розробленні технологій розливання високомарганцевих сталей нового покоління — від класичних схем із розливанням у злитки та їх електрошлаковим переплавом до сучасних процесів безперервного лиття (Twin-Roll Casting, Belt Casting Technology). Розглянуто фізико-хімічні особливості кристалізації сталей даного типу і проблеми під час їх розливання. Зроблено висновок, що подальше вдосконалення технологій виплавки високомарганцевих сталей повинно базуватися на оптимізації вибору сировини, ефективному шлакоутворенні та адаптації схем розливання до складного хімічного складу сталі.
Посилання
Cooman, B. C., De Kwon, O., Chin, K.-G., (2012) State-of-the-knowledge on TWIP steel. Materials Science and Technology, 28(5), 513–527.
Jacob, R., Raman Sankaranarayanan, S., Kumaresh Babu, S.P. (2020) Recent advancements in manganese steels – A review. Materials Today: Proceedings, 27(3), 2853-2858. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.01.296
Khaple, S., Raju Golla, B., Satya Prasad, V.V. (2023) Review on the current status of Fe–Al based ferritic lightweight steel. Defence Technology, 26, 1-22. https://doi.org/10.1016/j.dt.2022.11.019
Li, K. Zhuang, C. Liu, J. et al. (2015) Smelting and casting technologies of Fe-25Mn-3Al-3Si twinning induced plasticity steel for automobiles. Journal of Iron and Steel Research International, 22(S1), 75–79.
Lan, F., Zhuang, C., Li, C. et al. (2021) Study on manganese volatilization behavior of Fe–Mn–C–Al twinning-induced plasticity steel. High Temperature Materials and Processes, 40(1), 461–470. https://doi.org/10.1515/htmp-2021-0049
Hils, G., Newirkowez, A., Kroker, M. et al. (2015) Conventional and tailored Mn-bearing alloying agents for the production of high manganese steels. Steel research international, 86(4), 411–421.
Vdovin, K.N., Feoktistov, N.A., Sinitskii, E.V. et al. (2015) Production of high-manganese steel in arc furnaces. Рart 1. Steel in Translation, 45(10), 729–732.
Vdovin, K. N., Vdovin, N. A., Feoktistov, E.V. et al. (2016) Production of high-manganese steel in arc furnaces. Рart 2. Steel in Translation, 46(1), 16–20.
Georgeou, Z. Redeker, C. F., Schoettler, J. et al. (2010) Cost-efficient metallurgy for the production of novel ultra high-strength deep-drawable steel grades with high Mn contents from 10 to 25 wt. % by using the EAF steelmaking route. European Commission − Research Fund for Coal and Steel, Luxembourg, 121.
Redeker, C. F., Schoettler, J., Spitzer, D. et al. (2008) Cost-efficient metallurgy for the production of novel ultra-high strength deep drawable steel grades with high Mn contents from 10 to 25 wt.-%, European Commission — Research Fund for Coal and Steel, Luxembourg, 125.
Georgeou, Z., Schöttler, J., Rohrberg, D. et al. (2012) Metallurgical methods for the production of steels with high manganese contents. Stahl und Eisen, 132(8), 29–36.
Gasik, M. (2013) Manganese Ferroalloys Technology. Handbook of Ferroalloys: Theory and Technology, Elsevier, 221–266.
Voron, M., Kostetsky, Y., Fon Pruss, M. (2020) Getting a complex master alloy for alloying high-manganese steels and cast aluminum alloys. Conference Proceedings 29th International Conference on Metallurgy and Materials, Brno, Czech Republic, EU, 20–24.
Ge, S., Hernandez, V., Mostaghel, S. et. al. (2016) Innovative and economical approach for the production of mid- and high-manganese steel. 2016 AISTech Conference Proceedings, Pittsburg, PA, USA
Ge, S., Hernandez, V., Mostaghel, S. et. al. (2016) Innovative and economical approach for the production of mid- and high-manganese steel. 2016 AISTech Conference Proceedings, Pittsburg, PA, USA
Qiu, GX., Li, JN., Chen, K. et al. (2024) Research status of high-manganese high-Aluminum steel and key points of continuous casting. JOM: The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, 76, 7011–7022.
Zhuang, C., Liu, J., Li, C., Tang, D. (2019) Study on high temperature solidification behavior and crack sensitivity of Fe−Mn−Al−C TWIP-steel. Scientific Reports, 9(1), 15962–15977.
Lan, P., Zhang, J. (2016) Thermophysical properties and solidification defects of Fe-22Mn-0.7C TWIP-steel. Steel Research International, 87(2), 250–261
Gigacher, G., Pierer, R., Wiener, J., Bernhard, C. (2006) Metallurgical Aspects of Casting High-Manganese Steel Grades. Advanced Engineering Materials, 8(11), 1120– 1124.
Lee, C.-Y., Lee, Y.-K. (2014) The solidification mode of Fe-Mn-Al-C lightweight steel. JOM: The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, 66(9), 1794–1799.
Lan, P., Tang, H., Zhang, J. (2016) Solidification microstructure, segregation, and shrinkage of Fe−Mn−C twinning-induced plasticity steel by simulation and experiment. Metallurgical and Materials Transactions A, 47(6), 2964–2984.
Shen, Y., Liu, J., Yang, S. et al. (2019) Dendrite growth behavior in directionally solidified Fe–C–Mn–Al alloys. Journal of Crystal Growth, 511, 118–126.
Shen, Y. Yang, S. Liu, J. et al. (2019) Study on micro segregation of high alloy Fe–Mn–C–Al steel. Steel Research International, 90(5), 1800546. https://doi.org/10.1002/srin.201800546
Lekakh, S. N., Ge, J., Richards, V. et al. (2017) Optimization of melt treatment for austenitic steel grain refinement. Metallurgical and Materials Transactions B, 48(1), 406–419.
Penna, V. R., Bartlett, L. N., O’Malley, R. (2020) Influence of TiN additions on the microstructure of a lightweight Fe–Mn–Al steel. International Journal of Metalcasting, 14(2), 342–355
Lekakh, S.N., Richards, V.L., Schulte, A.M., Van Aken, D.C. (2010) Fe−Mn−Al−C austenitic steels treated by Ca and Ce. EPD Congress 2010: Proceedings of Sessions and Symposia Sponsored by the Extraction and Processing Division (EPD) of The Minerals, Metals & MaterialsSociety (TMS), 489–496.
Kim, M.S., Lee, S.W., Cho, J.W., et al. (2013) A reaction between high Mn – high Al steel and CaO-SiO2-type molten mold flux: Part I. Composition evolution in molten mold flux. Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science, 44(2), 299–308.
Kang, Y.B., Kim, M.S., Lee, S.W., et al. (2013) A reaction between high Mn – high Al steel and CaO−SiO2-type molten mold flux: Part II. Reaction mechanism, interface morphology, and Al2O3 accumulation in molten mold flux. Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science, 44(2), 309–316.
Chen, L., Zhao, Y., Qin, X., et al. (2013) Some aspects of high manganese twinning-induced plasticity (TWIP) steel, a review. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 26(1), 1–15.
Gigacher, G., Krieger, W., Scheller, P.R., Thomser, C. (2005) Non-metallic inclusions in high-manganese-alloy steels. Steel Research International, 76(9), 644–649.
Wang, Y. (2019) Solidification structure, non-metallic inclusions and hot ductility of continuously cast high manganese TWIP steel slab. ISIJ International, 59(5) , 872–879.
Ji, C., Cui, Y., Zeng, Z., et al. (2015) Continuous casting of high-al steel in shougang jingtang steel works. Journal of Iron and Steel Research International, 22(S1), 53–56.
Yang, J., Wang, L., Wang, Q., et al. (2022) Challenges in the mold flux design: development of F-free fluxes and fluxes for casting of high-Al steel. Steel research international, 93(3), 2100123.
Wang, W., Lu, B., Xiao, D., Xiao, D. (2016) A review of mold flux development for the casting of high-Al steels. Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science, 47, 384–389. https://doi.org/10.1007/s11663-015-0474-z
He, S., Li, Z., Chen, Z., et al. (2019) Review of mold fluxes for continuous casting of high-alloy (Al, Mn, Ti) Steels. Steel Research International, 90(1), 1800424.
Nigam, A., Biswas, K., Sarkar, R. (2025) Effect of w(CaO)/w(Al2O3) ratio on crystallization kinetics of non-reactive CaO-Al2O3 based mold fluxes for continuous casting of 3rd generation AHSS. Ceramics International, 51(12), 15497–15511.
Mo, R., Zhang, C., Ren, Y., Zhang, L. (2025) Kinetic model for the generation and accumulation of Al2O3 in mold flux during the continuous casting of a Fe–Al–Mn–C steel. Journal of Materials Research and Technology, 35, 5137–5146.
Liao, J., Zhang, Y., Sridhar, S., et al (2012) Effect of Al2O3/SiO2 ratio on the viscosity and structure of slags. ISIJ Inernational, 52, 753–758.
Long, X., Long, S., Luo, W., et al. (2023) Crystallization of Slag Films of CaO−Al2O3−BaO−CaF2−Li2O-Based Mold Fluxes for High-Aluminum Steels’ Continuous Casting. Materials, 16(5), 1903.
Mo, R., Zhang, X., Ren, Y., et al. (2023) Influence of substituting B2O3 with Li2O on the viscosity, structure and crystalline phase of low-reactivity mold flux, International Journal of Minerals. Metallurgy and Materials, 30(7), 1320–1328.
Zhu, C., Zeng, J., Wang, W. (2022) Twin-roll strip casting of advanced metallic materials. Science China Technological Sciences, 65, 493–518. https://doi.org/10.1007/s11431-020-1800-8
Maleki, A., Taherizadeh, A., Hosseini, N. (2017) Twin roll casting of steels: an overview. ISIJ International, 57(1), 1–14.
Liu, L. Li, C., Yang, Y. et al. (2017) A simple method to produce austenite-based low-density Fe–20Mn–9Al–0.75C steel by a near-rapid solidification process. Materials Science and Engineering A, 679, 282–291.
Guthrie, R. I. L., Isac, M. M. (2022). Continuous Casting Practices for Steel: Past, Present and Future. Metals, 12(5), 862. https://doi.org/10.3390/met12050862
Grethe, U., Juchmann, P., Wans, J., et al. (2015) Belt casting technology — experiences based on the worldwide first BCT caster. 46th Steelmaking Seminar — International, Rio de Janeiro, 111−117. https://doi.org/10.5151/1982-9345-26265
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Ю.В. Костецький, В.А. Зайцев
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
