CC BY
35
14. Кирин Ю.П., ЗатонскийА.В., Беккер В.Ф. идр. Идентификация математических моделей нестационарных объектов управления // Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-14: Сб. тр. 14-ой Междунар. науч. конф. Смоленск: СФ МЭИ, 2001. Т.2. С. 92-94.
15. Применение методов оптимизации для идентификации объектов в позиционных системах регулирования / Затон-скийА.В., Кирин Ю.П., Беккер В.Ф. и др. // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-18: сб. тр. 18-й Меж-дунар. науч. конф. Казань: КГТУ, 2005. Т.10. С. 67-70.
List of literature
1. Sergin M.J. Current situation and possible solution of problems of technological process control systems construction // Devices and systems. Operation, control, diagnostics. 2004. № 1. P. 2-8.
2. Recognition of technological processes in spongy titanium production / Kirin J.P., Zatonsky A.V., Bekker V.F., Kraev S.L // The problems of management 2008. № 4. P. 71-77.
3. Tarasov A.V. Titanium metallurgy М.: Publishing House «Akademkniga», 2003. 328 p.
4. Synthesis of optimal process control systems of thermal magnesium method of spongy titanium production / Kirin J.P., Zatonsky AV., Bekker V.F. etc. // Mathematical methods in technics and technology -ММТТ-14: сб. тр. Collection of articles of the 14th International scientific conference. Smolensk: SF MEI, 2001. V. 2. P. 89-91.
5. Timchenko B.S. Experimental statistic optimization, control and automation of metalbthermiy. M.:Tsvetmetinformatsiya 1968. 103 p.
6. The impact of different factors on the durability of retorts in thermal magnesium titanium production machinery / Putina O.A, Putin AA.,
Gujyakin Al.etc. // Nonferrous metals 1979. № 9. P. 71-73.
7. Lokshin R.G., Revutskiy E.Y. Automation of thermal magnesium renewal process of tetrachloride titanium // Works of VAMI. L: VAMI, 1964. № 52. P. 128-137.
8. Minimization of titanium separation process duration in automatic control system / Kirin Y.P., Cherepanov A.I., Protasov Y.A etc. // Nonferrous metals. 1983. № 1. P. 51-54.
9. Kurzhansky AB. Control and monitoring in cases of uncertainty. M.: Science, 1977. 392 p.
10. Analysis of thermal fields thermal fields of different separating machinery / Petrunko A.N., Andreev A.E., Arutyunov E.A. etc. // Ferrous metalls. 1969. № 4. P. 74-76.
11. Analysis of thermal fields of sponge titanium production machinery / Titarenko A.I., Cherepanova E.A., Malshin V.M. etc. // Ferrous metals. 1976. № 4. P. 50-51.
12. Thermal fields of renewal machinery / Cherepanova E.A., Malshin V.M., Yatsenko A.P. etc. // Ferrous metals. 1982. № 3. P. 51-52.
13. Stabilization experience of temperature conditions of separation reaction matter in titanium production / Cherepanova EA., Mushkov S.V., Guyakin AI.etc. // Ferrous metals. 1983. № 4. P. 57-58.
14. Kirin Y.P., Zatonsky A.V., Bekker V.F. etc. Identification of mathematical model of non-stationary control objects // Mathematical methods in technics and technology - MMTT-14: Collection of articles of the 14th scientific conference. Smolensk: SF MEI, 2001. V.2. P. 92-94.
15. Application of optimizing methods for objects identification in point-to-point control systems / Zatonsky A.V., Krin Y.P., Bekker V.F. etc. // Mathematical methods in technics and technology -MMTT-18: Collection of articles of the 18th scientific conference. Kazan: KSTU, 2005. V.10. P. 67-70.
УДК 668.018
Чуманов ИВ., Трофимов Е.А., Чуманов В.И
ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ПОВЕДЕНИЯ ИСКУССТВЕННО ВВЕДЁННЫХ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ КАРБИДА ТИТАНА В ОБЪЁМЕ ЖИДКОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЫ ПРИ БОЛЬШИХ СКОРОСТЯХ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ*
Одним из путей увеличения механических свойств металлических материалов, повышения их срока службы и снижения металлоемкости продукции является увеличение конструктивной прочности стали и сплавов за счет выделения или введения в металлическую матрицу дисперсных упрочняющих фаз.
Проведенный анализ литературных данных показывает, что, несмотря на большое количество исследовательских работ, посвященных вопросам упрочнения стали и сплавов дисперсными фазамц в этом вопросе остается много неясности и нерешенных проблем. При дисперсионном упрочнении не удается добиться сохранения высоких прочностных характеристик стали при высоких температурах. При дисперсном упрочнении возникают трудности с введением в жидкий металл частиц упрочняющей фазы и получением структур с равномерным ее распределением и минимальным рас -
* Работа выполнена при финансовой поддержке программы Федерального агентства по образованию «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)», № 2.1.2./687.
стоянием между этими частицами, что не позволяет гарантированно получать высокие прочностные характеристики металла. Вместе с тем отмечается, что наиболее перспективным способом упрочнения стали и сплавов является ввод твердых тугоплавких карбидов в жидкую металлическую матрицу [1]. Следовательно, умение вводить дисперсные карбиды в металлическую матрицу, прогнозировать их распределение в слитке и влияние на механические характеристики стали представляются весьма актуальными.
Исследования, посвящённые процессу введения частиц карбида титана в слиток, проводятся на кафедре «Общая металлургия» в течение нескольких лет. Разработан и запатентован способ введения этих частиц в процессе вытяжки слитка из кристаллизатора вверх [2].
Эксперименты, поставленные сотрудниками кафедры по вводу дисперсных частиц карбида титана при кристаллизации в процессе вытяжки слитка из кристаллизатора вверх, проводили следующим образом: для переплава были использованы отходы стали 40Х; расплавление исходной шихты проводили в 50 кг индукционной тигельной печи; рас плав ленный
металл при температуре 1520-1540°С заливали сифоном в водоохлаждаемый кристаллизатор диаметром 60 мм с непрерывной подачей дисперсных частиц карбида титана в струю жидкого металла.
Образующийся в кристаллизаторе слиток вытягивали вверх (в направлении, обратном гравитационным силам) при помощи установки вытяжки слитка со скоростью 0,05 м/с. Масса слитка, полученного в ходе проведения экспериментов с вытяжкой вверх, составила 15 кг.
Анализ неметаллических включений с определением металлографических признаков состава включений проводили в светлом, темном полях и поляризованном свете при увеличениях х 100, х 500, х 1000 на микроскопе МИМ -10.
В ходе металлографического исследования установлено, что неметаллические включения, наблюдаемые в образцах, можно разделить на три группы:
1. Оксидные включения экзогенного происхождения - от мельчайших (< 2 мкм) включений 8Ю2 до крупных глобулярной формы, видимых невооруженным глазом при визуальном осмотре шлифов.
2. Окисленные пленки - от тончайших до довольно грубых.
3. Комплексные соединения титана (карбиды, нитриды, карбонитриды, океикарбонитриды) в виде сыпи размером менее 1,3 мкм, располагающиеся вокруг крупных оксидных включений, по телу зерна и по его границам, а также достаточно крупные включения раз -мером от 2 до 10 мкм.
Образование нитридных, карбонитридных и окси-карбонитридных соединений титана в структуре металлической матрицы, по-видимому, связано с наличием в металлическом расплаве растворенных кислорода и азота. Эю хорошо согласуется с имеющимися в литературе исследовательскими данными [1]. В ходе ранее проведенных работ не было уделено должного внимания процессам химического взаимодействия между карбидом титана и компонентами железного расплава. В частности, не изучался равновесный состав образующихся в ходе этого взаимодействия оксикарбонитридов титана. Не определялась скорость реакций взаимодействия. Не изучалось влияние различных примесей металла на ход этих процессов.
Кроме того, в ходе построения модели распределения частиц карбида титана в металлической матрице непропорционально большое внимание было уделено вертикальному перемещению (всплыванию) час -тиц карбида. Между тем, по данным экспериментов (табл. 1, 2) разность в плотности включений между верхней частью слитка и нижней составляет в среднем всего 4%, а концентрация включений на одном уровне высоты, на краю слитка меньше, чем в центре на 41%. Поэтому модель, позволяющая проследить влияние различных технологических факторов на горизонтальное распределение частиц ТІС в слитке, будет иметь большое практическое значение.
Для определения того, как может влиять процесс всплывания частиц карбида титана на плотность включений этого вещества в слитке, рассмотрим пре-
дельный случай всплывания включений с конечной скоростью V по закону Стокса:
V 2Ар/18^ ,
где g - ускорение свободного падения; ё - диаметр частицы; Др - разность плотностей жидкой стали и включения; ^ - вязкость жидкой стали.
Проведённый в нашей работе расчёт, в частности, показал, что скорость всплывания частиц карбида титана (р=4,92 г/см3, размер частиц - 1,5 мкм) в стали (р=7,7 г/см3, вязкость - 4-106 Па-с) составит 6,93-10-5 см/с, или 4,16-10-3 см/мин.
Таким образом, с учётом небольшого времени кристаллизации слитка (менее 1 мин) всплывание частиц не должно оказать существенное влияние на разность в плотности включений. Некоторая наблюдающаяся разность в плотности распределения включений (см. табл. 2) может быть объяснена всплыванием более крупных оксидных включений, которые отчасти увлекают за собой и небольшие частицы ТЮ.
В ходе проведённых работ показано [3], что изменение плотности включений в полученных слитках, при кристаллизации металла от периферии к центру, по горизонтальному сечению может быть описано уравнением
с/Со = 1 -(1 - к). еч> (-к • _ х),
в котором С - концентрация примеси в твердой фазе, С0 - средняя концентрация примеси, х - доля площади горизонтального сечения, которая закристаллизовалась к данному моменту времени (для У радиуса эта доля равна 0,7501).
Проведённые нами расчёты продемонстрировали принципиальную пригодность этой модели для описания распределения включений полученного в ходе эксперимента (см. табл. 2). Рассчитанное нами значение к = 0,588, С0 = 341. Таким образом, разработана модель, позволяющая с удовлетворительной точностью рассчитывать распределение плотности включений в слитке в горизонтальном направлении.
Для определения направления протекающих меж -ду расплавом на основе железа и частицами ТЮ процессов проведён расчёт составов металла, находящегося в равновесии с различными неметаллическими фазами системы Бе-Т-С-М-О.
Составы металла, находящегося в равновесии с одной или несколькими неметаллическими фазами,
Таблица 1 Таблица 2
Распределение включений Распределение включений по высоте слитка по ширине слитка
Слиток Среднее число включений % Слиток Среднее числс включений %
Верх 905,03 100 Край 209,37 58,8
Центр 877,50 97 У радиусг 317,07 89
Низ 865,80 95,7 Центр 356,34 100
рассчитываются следующим образом:
Записываются выражения для констант равновесия реакций между компонентами жидкого металла, которые приводят к образованию в качестве продуктов реакции неметаллических фаз, и по известным температурным зависимостям вычисляются значения констант равновесия этих реакций при определённой температуре.
Затем полученная система уравнений решается относительно составов металлического и неметаллического расплавов. В расчёте учитывается, что сумма концентраций компонентов металла неметаллических фаз и газа равна 100%. Решение полученных систем уравнений осуществляется посредством программы для ЭВМ. Необходимые для этого термодинамические данные (заимствованные из работы [4]) приведены в табл. 3 и 4.
Проведенный термодинамический расчет показал, что океикарбонитрид титана не может находиться в равновесии с металлом заданного нами состава (0,63% С, 0,001% О, 0,01% N 0,05% Ті). Сосуществование возможно лишь в случае повышения концентрации титана в металле до 0,36%. Впрочем, и в этом случае большую часть оке икарбо нитридной фазы (~ 75,7%) будет составлять ТіО, ~ 22,9% ТМ, а ТіС - лишь 1,5%.
В работе [5] приведены кинетические характеристики растворения карбида титана в распгавах Бе-С, Бе-Ті и в стали X18Н10Т при 1873-1973 К. Из них еле -дует, что с ростом температуры скорость растворения существенно увеличивается, в то время как добавки углерода и титана уменьшают скорости взаимодействия.
Используя эти данные, нами рассчитана скорость растворения частицы карбида титана в расплаве железа. Объём частицы карбида с радиусом 1,5 мкм равен 3,38 10-18 м3, площадь поверхности - 1,35 10-11 м2, масса -1,66 10-14 кг. Бсливзягь минимальное из приведённых в работе [3] значений скоростей растворения карбида титана в жидком железе (0,1 кг/(м2с)), то и в этом случае растворение должно осуществляться за тысячные долисекунды, чего, очевидно, не происходит.
Выводы
1. Изучена возможность влияния всплывания частиц карбида титана на различную их плотность в верхней, средней и нижней частях слитка. Рассчитана средняя скорость всплывания частиц ТіС. Показано, что скорость всплывания частиц размером до 5 мкм относительно низка, поэтому разность в плотности включений может быть объяснена всплыванием более крупных оксидных включений, которые отчасти увлекают за собой и
Таблица 3
Значения параметров взаимодействия первого порядка
Элемент Ті 0 С N
Ті 0,056 -1,108 -0,640 -1,540
0 -0,370 -0,200 -0,450 0,057
С -0,160 -0,340 0,140 0,110
N -0,450 0,050 0,130 0,000
небольшие частицы ТЮ.
2. Разработана модель, позволяющая с удовлетворительной точностью рассчитывать распределение плотности экзогенных включений карбида титана в слитке в горизонтальном направлении.
3. Проведенный термодинамический расчет показал, что оксикарбонитрид титана не может находиться в равновесии с металлом данного состава (0,63% С,
0,001% О, 0,01% N 0,05% Т). Сосуществование возможно лишь в случае повышения концентрации титана в металле до 0,36%. В этом случае большую часть оксикарбонитридной фазы (~ 75,7%) будет составлять ТЮ, ~ 22,9% ТМ, а ТЮ - лишь 1,5%
4. Изучена возможность применения литературных данных о скорости растворения карбида титана в железоуглеродных расплавах. Показано, что применение этих данных приводит к многократно завышенным значениям скоростей растворения. В частности, показан), что если бы литературные данные соответствовали бы действительности, то карбид титана полностью растворялся бы в жидком железе в течение промежутка времени меньше 1 с, чего, очевидно, не происходит.
5. Противоречие между литературными данными о скоростях взаимодействия ТЮ с жидкой сталью и термодинамическими расчетами, показывающими невозможность равновесного сосуществования этого карбида со сталью, можно объяснить окислением поверхности частиц карбида титана. Образующаяся в результате оксидная или, скорее, оксинитридная пленка препятствует как растворению частицы ТЮ в жидком металле, так и дальнейшему ее окислению.
Работа проведена врамках проекта «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Создание и обработка кристаллических материалов» (НК-91П), выполняемому в рамках мероприятия 1.2.1 «Проведение научных исследований научными группами подру-ководством докторов наук» направления 1 «Стимулирова-ние закрепления молодежи в сфере науки, образования и высоких технологий» федеральной целевой программы «На-учные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы.
Таблица 4
Константы равновесия и химические реакции для оксидных фаз
Реакции Выражения для констант равновесия ІЕ к = / (Т)
(ТіО)тр = [Ті] + [О] к _ аТі■ао Х (ТіО) ^ к = -19148/Т + 6,80
(ТіС)тр = [Ті] + [С] к _ аТ< ■ ас Х (ТіС) ІЯ к = -7956/Т + 5,27
(ТМ),Р = [Ті] + [М] к _ аТІ • ак Х (ТіИ) ІЯ к = -15670/Т + 6,38
(Ті3О5)т = 3[Ті] + 5[О] к = аТ ■ аО ІЯ к = -90752/Т + 31,46
(Ті2О3)т = 2[Ті] + 3[О] к = аТ ■ аО ІЯ к = -53298/Т + 18,00
Список литературы
1. Решетников С.А. Введение дисперсных карбидов в жидкий металл при кристаллизации непрерывнолитого слитка и их распределение в металлической матрице: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Челябинск, 1999. 16 с.
2. Пат. 2080206 Российская Федерация. Способ получения слитка / С.А. Решетников, В.И. Чуманов.
3. Повышение износостойкости стали путём ввода карбида титана при кристаллизации слитка/ Чуманов И.В., Чуманов В.И., Пяты-гин Д.А., Тельянова Е.Е. // Электрометаллургия. 2008. № 6. С. 22-24.
4. Термодинамика процессов взаимодействия титана с компонентами жидкой нержавеющей стали типа Х18Н10Т / Г.Г. Михайлов, Н.М. Танклевская, В.Г. Павлов идр. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1987. № 8. С. 4-8.
5. Гуревич Ю.Г., Нарва В.К., Фраге Н.Р. Карбидрсгали. М.: Металлургия, 1988. 144 с.
List of literature
1. Reshetnikov S.A. Insertion of dispersed carbide into liquid metal during solidification of continuous casting and their allocation in metal matrix: abstract of a thesis of the candidate of science 1999. 16 p.
2. Pat 2080206 The Russian Federation How to produce an ingot / Reshetnikov S.A., Chumanov V.I.
3. The increase of steel wear resistance by adding titanium carbide during the solidification of an ingot / Chumanov I.V., Chumanov V.I., Pyatygin D.A., Tejyanova E.E. // Electrometallurgy. 2008. № 6. P. 22-24.
4. Thermodinamics of the interaction processes of titanium and liquid stainless steel H18N10T / Mikhailov G.G., Tankleevskaya N.M., Pavlov V.G. etc. // Iron Industry. 1987. № 8. P. 4-8.
5. Gurevich Y.G., Narva V.K., Frage N.R. Karbide-steels. M.: Metallurgy, 1988. 144 p.
