CC BY
128
УДК 669.295:669.71 Д-р техн. наук Б. П. Середа, канд. техн. наук В. М. Проценко, Д. Б. Середа
Государственная инженерная академия, г Запорожье
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ АЛЮМИНОТЕРМИЧЕСКИМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ОКСИДНОГО СЫРЬЯ
Исследована технология получения сплавов Ъ-А1 алюминотермическим восстановлением в электродуговой печи Приведены области примененияполучаемых сплавов Тг-А1 Установлено, что при использовании в качестве сырья титанового шлака и двуокиси титана получаемый металл содержит соответственно 60 и 78% Тг.
Ключевые слова: сплавы Ъ-А1, алюминотермическое восстановление, электрометаллургия, шлак.
Введение
Высокая стоимость серийных титановых сплавов, используемых в изделиях авиакосмического и военного назначения, подталкивает производителей к поиску путей получения сплавов гражданского применения, не столь высокой чистоты по содержанию примесей, но более дешёвых по цене.
Такой металл может использоваться в качестве лигатуры при производстве чёрных металлов [1]. Ещё более существенное улучшение механических свойств достигается при обработке чугуна и стали титаном совместно с другими элементами (А1, Мп, Зі, Сг, V и др.) [1, 2]. Использование порошковой проволоки и вдувание порошков в расплав гораздо более эффективно, чем использование титана в виде губки, которая окисляется на поверхности расплава стали. При этом угар титана составляет примерно 35 %.
ТІ-А1 сплавы широко применяются при легировании и модифицировании алюминия и его сплавов [3,
4] для производства клапанов в автомобильных двигателях [5, б], в качестве жаростойких, корозионнос-тойких и износостойких покрытий [7, 8], в качестве присадочного материала при дуговой сварке [9], для изготовления катализаторов [10], колец Рашига для ректификационных колон [11], электролитических конденсаторов [12], восстановителя в металлотермических процессах при получении лигатур для титановых сплавов [1], фильтров и т. д., поскольку алюминиды титана легко измельчается до порошкообразного состояния.
В традиционной металлургии титана его сплавы с алюминием получают сплавлением компонентов или методами порошковой металлургии. Распространённым методом получения ТІ-А1 сплавов является также алюминотермическое восстановление вне печным методом [13]. Простота и гибкость эксплуатации оборудования, относительно небольшие затраты на аппаратурное оформление, возможность достижения высоких температур (до 2573 К) без подведения тепла извне
© Б. П. Середа, В. М. Проценко, Д. Б. Середа, 2012
1607-6885 Нові матеріали і технології в
обусловили использование данного процесса для получения ТьА1 сплавов.
Порошковую шихту, которая представляла собой смесь алюминия, оксида титана, оксида кальция и термитных добавок (КС103, Са02, Ва02, и т.п.), загружали в графитошамотный тигель и поджигали. В результате протекания экзотермических реакций температура повышалась до 2273 К, продукты плавки расплавлялись с образованием слитка металла и шлака, которые находились соответственно снизу и сверх}' Металл содержал в разных плавках от 34 до 73 % титана, остальное алюминий и другие примеси. Шлак содержал в основном оксиды алюминия, кальция и титана. Продукты плавки охлаждались в тигле, после чего извлекались из нею и слиток металла механически отделялся от шлака.
Основной реакцией алюминотермическош процесса является реакция:
ЗТЮ2 + 4А1 = ЗТ1 + 2А1203. (1)
Оксид кальция (или СаР2) выполнял роль флюса, который образовывал с А1203 легкоплавкие эвтектики и снижал таким образом температуру плавление и вязкость шлака.
Недостатками в непечной металлургии является невозможность регулирования протекания процесса при плавлении, высокая стоимость большою количества термитных добавок, на которые расходуется алюминий, малая производительность процесса. Было установлено, что количество шихты на одну плавку не должно превышать 5-10 кг При процессах восстановления ТЮ2 в больших количествах, когда относительно большие массы металла и шлака не могут быстро охладиться, реакция (1) протекает в обратном направлении, т. е. влево. Это приводит к снижению содержания титана в сплаве (менее 45 %) и к снижению извлечения титана из сырья в сплав (менее 60 %) [13]. Целью настоящей статьи является решение проблем
металургії та машинобудуванні №2, 2012 71
внепечной металлургии алюминотермического восстановления двуокиси титана и получения сплавов ТІ-А1.
Материал и методика исследований
Относительно дешёвым способом получения сплавов ТІ-А1 является восстановление ТЮ2 алюминием в электродуговой печи [3]. Нами был испытан усовершенствованный способ [14], который заключается в следующем.
Нарис. 1 приведена схемаэлектропечнойустановки для получения сплавов на основе титана, содержащих алюминий.
Плавильный горн (1) был изготовлен из графита и имел внутренний диаметр 350 мм, высоту 800 мм. В нижней части горна находилась лётка для выпуска шлака. Горн разборной, что облегчало извлечение из него металла. Горн устанавливался в плавильной камере (2). Электрод (3) графитовый, диаметром 130 мм. Электрод и горн имели токоподводы (4). Шихта находилась в бункере (5). Шлак выливался в изложницу (6). Регулирование мощности печи осуществлялось путём переключения напряжения трансформатора с I до V ступени, а также путём подъема - опускания электрода, который осуществлялся автоматически.
В качестве сырья использовался ильменитовый концентрат, хотя более предпочтительным является перовскитовый концентрат (Са0-Ті02), крупные месторождения которого имеются в Российской Федерации [15]. С целью получения титанового шлака ильменитовый концентрат смешивали с антрацитом и обожжённой известью и плавили в электродуговой печи.
Рис. 1. Схема электропечной установки для получения сплавов Ті-АІ:
1 - плавильный горн, 2 - плавильная камера, 3 - графитовый электрод, 4 - токоподводы, 5 - бункер для шихты, 6 -изложница для шлака
Полученный титановый шлак имел следующий усреднённый состав, % масс.: 70 ТЮ2,14 СаО, 3 FeO, 4 Si02, 2 А1203, 3 MgO, 2 MnO, 1 V205, 1 другие. Шлак измельчался до размеров частиц 0,1 - 0,2 мм. В некоторых плавках в качестве сырья использовалась пигментная двуокись титана.
В качестве восстановителя использовался алюминиевый порошок с размерами частиц, близкими к размерам частиц титанового шлака. Для получения более легкоплавкого шлака в процессе алюминотерми-ческош восстановления в состав шихты добавлялась обожжённая известь, которая содержала 94 % СаО. Компоненты шихты (шлак, Al-порошок и известь) перемешивались. В некоторых плавках известь вместе с флюоритом (CaF2) предварительно расплавлялись в плавильном шрне, образуя ванну флюса, после чего начиналась загрузка шихты.
Шихта загружалась из бункера непрерывно или небольшими порциями при включенной электрической нагрузке печи. При этом в плавильном шрне протекала алю минотермическая реакция (1). Масса шихты на плавку составляла 100-200 кг, продолжительность плавки 15-20 минут. После проплавления всей шихты электрод поднимали в верхнее положение, вскрывали лётку, и расплав шлака сливался в изложницу. Металл оставался в шрне и после охлаждения в защитной атмосфере извлекался из него. Для организации полунепрерывного процесса использовали несколько горнов, которые один за другим подавались для проведения плавок (Figure 1). Исходные вещества и продукты плавки анализировались при помощи рентгеновского анализатора MTONXLtXRF Analyzer 800 Series.
Анализ полученных результатов
Потери шихты при плавке колебались в пределах 2-10 % масс, и были вызваны пылеуносом, а также реакциями типа [16]:
2А1203 + 2А1 = ЗА120, (2)
А1203+ А1 = ЗА10. (3)
Низшие окислы алюминия (А120, А10) возгоняются при плавке, и в более холодной зоне, в верхней части горна, реакции (2 и 3) протекают в обратном направлении, образуя настыль преимущественно из А12о3.
В таблице 1 приведены условия и результаты некоторых характерных плавок.
Шлак после выпивки из горна имел чёрный цвет, что подтверждает наличие в нём низших окислов титана. Содержание титана в шлаке в пересчёте на ТЮ2 колебалось в пределах 2-10 % масс.
Результаты анализов полученного металла показали его неоднородность. В центре слитка металл имел игольчатую структуру. Не вызывало затруднений дробление и измельчение металла в щёковой дробилке и
Таблица 1 - Условия и результаты некоторых плавок титановых сплавов
№ плавки Состав шихти, кг Всего загружено, кг Получено металла, кг Получено шлака, кг Содержание Ті в сплаве, % масс. Извлечение Ті в сплав, %
Титановый шлак А1 порошок Известь Флюорит Ті02
1 57 27 16 - - 100 27,6 69 61,6 71
2 57 27 12 4 - 100 28,6 70 66,0 79
3 - 24 26 - 50 100 25,6 71 78,0 70
4 85,5 40,5 24 - - 150 41,4 104 63,3 73
5 85,5 40,5 24 - - 150 41,7 102 60,2 70
6 85,5 40,5 16 8 - 150 42,0 100 59,0 69
7 114 54 32 - - 200 56,9 129 56,3 67
шаровой мельнице. Примерный усреднённый состав металла, полученный из титанового шлака, следующий, % масс.: Ті 60, Бе 5, Бі 3, Мп 2, Сг 1, V 0,5, С 0,4, 8 0,04, остальное А1. Сплав, полученный из пигментной ТЮ2, содержал 78 % титана.
Выводы
После проведения более ста плавок можно сделать следующие выводы:
1. Качество получаемого титанового сплава во многом зависит от качества применяемого титанового шлака. Чем выше содержание ТЮ2 и меньше содержание примесей БеО, ЭЮ2, МпО, У203, Сг203, а также металлического железа, тем выше содержание титана в получаемом сплаве.
2. Установлено, что основное количество углерода попадает в титановый сплав из извести. Был отработан технологический приём, заключающийся в предварительном расплавлении флюса (СаО:СаБ2 = 70:30) с последующей загрузкой шихты. При расплавлении флюса происходит разложение СаС03 и удаление, таким образом, углерода.
3. Определён состав шихты для производства ТІ-А1 сплавов. Показано, что увеличение количества алюминия в шихте от этого состава приводит к увеличению извлечения титана, но также приводит к снижению содержания титана в сплаве за счёт увеличения содержания алюминия. Уменьшение количества алюминия увеличивает содержание титана в сплаве, однако извлечение титана снижается. Кроме того, металл при этом содержит повышенное количество оксидов.
4. Испытаны различные материалы для тиглей (сталь, графит, карбид кремния, магнезит) и их конструкции. Испытан также водоохлаждаемый стальной тигель. Удовлетворительные результаты получены при плавках в графитовом тигле и сливе шлака через лётку.
5. Полученные результаты дают возможность организовать опытно-промышленное производство сплавов титана из оксидного сырья алюминотермическим восстановлением электропечным способом. Намечены мероприятия по улучшению качества металла и показателей производства, повышению производительности труда.
Список литературы
1. Лякшпев Н. П. Легирующие стали и сплавы с титаном / Н. П. Лякшпев, Ю. Л. Плинер, С. И. Лаппо. - М. : Металлургия, 1985. - 232 с.
2. Исследование возможности замены дорогостоящего ферротитана более дешёвой титансодержащей добавкой при производстве качественных сталей / О. М. Шаповалова, Н. Н. Федоркова, Е. П. Бабенко II Днепропетровский университет. - Днепропетровск, 1987. — 16 с. — Деп. в Черметинформации 30.03.87, № 3899-чм87.
3. Ullmann1 s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Titanium and Titanium Alloys. - Vol. A 27, P. 95-119.
4. Напалков В. И. Легирование и модифицирование алюминия и магния / В. И. Напалков, С. В. Махов. - М. : МИСИС, 2002. - 376 с.
5. Medovar В. Electroslag Tecnology for Ті-Al Ingots / Medovar B., Medovar L., Fedorovskii В etc. II Proc. XITC‘98, Xi'an, China, Sept. 15-18, 1998. - P. 741-750.
6. Каблов E. H. Интерметаллиды на основе титана и никеля для изделий новой техники / Е. Н. Каблов, В. И. Лукин II Автоматическая сварка. - 2008. - № 11. - С. 76-82.
7. Порошковая металлургия и напылённые покрытия / [В. Н. Анциферов, Г. В. Бобров, Л. К. Дружинин и др.] ; под общ. ред. Б. С. Митина. - М. : Металлургия, 1987. -792 с.
8. Линник В. А. Современная техника газотермического нанесения покрытий / В. А. Линник, П. Ю. Пекшев -М. : Машиностроение, 1985. - 128 с.
9. Перспективы создания жаропрочных и жаростойких сплавов интерметаллических соединений / О. А. Банных, К. Б. Поварова II Новые металлические материалы : сб. научн. тр. - Киев : ИЭС им. Е. О. Патона. 1989. -С. 29-33.
10. Катализаторы XXI века I Э. А. Григорян, А. Г. Мержанов II Наука производству. - 1998. - № 3. - С. 30-41.
11. Устинов В. С. Порошковая металлургия титана / В. С. Устинов, Ю. Г. Олесов, В. А. Дрозденко. - М.: Металлургия, 1981. - 210 с.
12. Петрунько А.Н. Титан в новой технике / А. Н. Петрунь-ко, Ю. Г. Олесов, В. А. Дрозденкою. - М. : Металлургия, 1979. - 160 с.
13. Мурач Н. Н. Алюминотермия титана / Н. Н. Мурач, В. Т. Мусиенко. - М. : ГОСИНТИ, 1958. - 52 с.
14. Пат. 86177 Украина, Спосіб одержання сплавів на основі титану I Проценко В.М. ; заявл. 04.06.2008 р. ; опубл. 25.03.2009 р., Бюл. № 6.
15. Быховский Л. 3. Нетрадиционные источники титанового сырья / Л. 3. Быховский, Л. П. Тигунов //Ti-2008 в СНГ : сб. научн. тр,- К. : ИМФ НАНУ 2008. - С. 128— 132.
16. Гасик М. И. Электроплавка алюмо силикатов / М. И. Га-сик, Б. И. Емлин, М. С. Климкович. - М. : Металлургия, 1971. - 304 с.
Одержано 07.11.2012
ISSN 1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №2, 2012
73
Середа Б.П., Проценко В.М., Середа Д.Б. Дослідження процесу отримання титанових сплавів алюмінотермічним відновленням оксидної сировини
У роботі досліджено технологію отримання сплавів Ті-Al алюмінотермічним відновленням в електродуговій печі. Наведено галузі застосування отриманих сплавів Ті-Al. Встановлено, що при застосуванні як сировини титанового шлаку і діоксину титану отриманий метал, містить відповідно 60 і 78 % Ті.
Ключові слова: сплави Ті-Al, алюмінотермічне відновлення, електрометалургія, шлак.
Sereda В., Protsenko V., Sereda D. Process of titanium alloys receiving using alumi-nothermic recovery of oxide raw material
Technology investigation of Ті-Al alloys production using aluminothermic renewal at electro-arc furnace is provided. Sphere of received alloys application is given. It was established, that when the titanium slag and titanium dioxide used as raw material, the received metal contains correspondingly 60 and 78 % Ті.
Key words: alloys Ті-Al, aluminothermic reduction, electrometallurgy, slag.
УДК 621.74.669.16:621.74.669.13 Д-р техн. наук М. О. Матвеева, д-р техн. наук С. И. Губенко
Национальная металлургическая академия Украины, г Днепропетровск
ВЛИЯНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ХРОМОМ И ТИТАНОМ НА НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В БЕЛЫХ ЧУГУНАХ
Изучены качественный состав, количество и распределение неметаллических включений в структурных составляющих отливок из белых чугунов, комплексно легированных хромом и титанам. Показана возможность получения минимального количества включений в структуре чугунов, что благоприятно с точки зрения литейных, механических и эксплуатационных свойств отливок.
Ключевые слова: литье, белый чугун, отливка, легирование, неметаллические включения, структура, свойства.
Введение
При получении отливок с высокими эксплуатационными характеристиками большое значение имеет выбор легирующего комплекса, который, обеспечивая необходимые показатели, не должен ухудшать литейные свойства, повышать газонасыщение сплава при плавке и загрязненность расплава неметаллическими включениями [1,2].
Неметаллические включения в затвердевшем сплаве являются частицами, нарушающими сплошность и однородность структуры. Они могут реагировать с газами и снижать физико-механические свойства сплавов. Их присутствие понижает ударную вязкость, износостойкость, усталостную прочность, пластичность, коррозионную стойкость, жаростойкость, жаропрочность и т. д. Наличие в сплаве некоторых включений обычно понижает химическую стойкость сплавов, так как они образуют с основным металлом сплава коррозионные гальванические элементы, что способствует развитию процессов электрохимической коррозии [3]. Поэтому в абсолютном большинстве случаев наличие неметаллических включений в отливках является нежелательным.
Распределение включений в дендритной структуре сплава во многом зависит от момента их образования и поведения при кристаллизации. Легкоплавкие сульфидные включения, которые образуются на последней стадии кристаллизации, располагаются на границах зерен. Тугоплавкие включения, служащие центрами кристаллизации, расположены на осях и по всему объему дендритов [4]. В каждой группе литейных сплавов встречаются различные неметаллические включения [5]. Влияние включений на свойства чугунов исследовано значительно меньше, чем в сталях [6].
Целью данной работы было изучение комплексного легирования хромом и титаном на неметаллические включения в белых чугунах.
Материалы и методики исследований
Для исследований были получены низкохромистые белые чугуны, микролегированные титаном (табл. 1). Количество титана варьировалив интервале 0,01-0,20 %, хрома - 1,17-5,63 %. Анализ неметаллических включений проводили металлографическим методом на микроскопе «№о1Ы-21».
© М. О. Матвеева, С. И. Губенко, 2012
