Научная статья на тему 'СВ-синтез силикотитановых сплавов для легирования титансодержащих сталей'

СВ-синтез силикотитановых сплавов для легирования титансодержащих сталей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
242
96
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ФЕРРОТИТАН / ФЕРРОСИЛИЦИД ТИТАНА / СВС / ТИТАНСОДЕРЖАЩИЕ СТАЛИ

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Шатохин Игорь Михайлович, Бигеев Вахит Абдрашитович, Шаймарданов Камиль Рамилевич, Манашев Ильдар Рауэфович

В условиях НТПФ «Эталон» при поддержке МГТУ им. Носова проведены исследования по получению легирующих сплавов на основе силицидов титана. Результаты исследований использованы для создания промышленной технологии получения комплексной силикотитановой лигатуры ферросилицида титана, предназначенной для эффективного легирования сталей. Проведены промышленные испытания на ОАО «ММК», которые показали более высокое и стабильное усвоение титана из нового материала, чем из ферротитана.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Шатохин Игорь Михайлович, Бигеев Вахит Абдрашитович, Шаймарданов Камиль Рамилевич, Манашев Ильдар Рауэфович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «СВ-синтез силикотитановых сплавов для легирования титансодержащих сталей»

ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ И ПРОИЗВОДСТВО ФЕРРОСПЛАВОВ

УДК 669.162.221.2

Шатохин И.М., Бигеев В.А., Шаймарданов К.Р., Манашев И.Р.

СВ-СИНТЕЗ СИЛИКОТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ ТИТАНСОДЕРЖАЩИХ СТАЛЕЙ

Аннотация. В условиях НТПФ «Эталон» при поддержке МГТУ им. Носова проведены исследования по получению легирующих сплавов на основе силицидов титана. Результаты исследований использованы для создания промышленной технологии получения комплексной силикотитановой лигатуры - ферросилицида титана, предназначенной для эффективного легирования сталей. Проведены промышленные испытания на ОАО «ММК», которые показали более высокое и стабильное усвоение титана из нового материала, чем из ферроти-тана.

Ключевые слова: ферротитан, ферросилицид титана, СВС, титансодержащие стали.

С точки зрения металлургии титан является очень важным элементом. Свободные атомы внедрения, такие как азот и углерод, находясь в междоузлиях кристаллической решетки раствора Fe-C, оказывают вредное влияние на свойства сталей: уменьшается их пластичность, прочность, коррозионная стойкость. Для связывания свободных атомов в соединения и исключения их нежелательного воздействия металлурги активно используют сильные нитридо- и карбидообра-зующие свойства титана. Кроме того, соединения титана в стали выполняют еще две важные функции: препятствуют росту зерна при нагревании под прокатку и образуют своеобразный прочный каркас, что в целом значительно повышает прочность металла.

Титан имеет высокое сродство не только к азоту и углероду, но и к кислороду, в связи с чем существует немало проблем, связанных с его введением в сталь. Главные из них - высокий угар и нестабильное усвоение. На сегодняшний день основным материалом, используемым для легирования титаном, является ферротитан. В соответствии с ГОСТ 4761-91 различают две разновидности ферротитана, отличающиеся по способу производства и содержанию титана: ферротитан с низким содержанием (< 40% К) производят внепечной или электропечной алюминотермией, а с высоким (> 65% Т^ - сплавлением титановых отходов со стальной стружкой. Использование ферро-титана предполагает большой расход лигатуры вследствие низкого усвоения титана даже при соблюдении особых мер, таких как хорошее раскисление металла, ввод ферротитана на заключительном этапе плавки, использование порошковой проволоки. По данным [1] и [2], на заводах ОАО «ММК» и Днепроспецсталь усвоение титана из ферротитана составляет в среднем 50%, а по данным [3] в ОАО «ЧМК» усвоение титана - одна из основных проблем при выплавке нержавеющих сталей.

В данной работе исследовался процесс синтеза

комплексных легирующих сплавов на основе силицида титана как перспективного материала для более эффективного легирования сталей титаном. Предполагается, что входящие в состав сплава высокоактивные элементы, такие как кремний, алюминий, кальций и другие, будут защищать титан от окисления при вводе в жидкий стальной расплав. Для получения таких сплавов был применен метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, так как традиционные печные методы не позволяют получать комплексные сплавы с содержанием титана 40-70 % вследствие высокой температуры плавления силицида Ti5Siз. В связи с тем, что для СВ-синтеза необходимым условием является высокая экзотермичность реакции, в работе [4] был проведен термодинамический расчет адиабатической температуры горения титана с кремнием при разбавлении железом от 0 до 90%. Расчет показал, что при концентрации железа до 50% температура остается достаточно высокой (> 1700°С), чтобы говорить о возможности использования в качестве исходного сырья порошков ферросплавов для снижения себестоимости продукта. Для подтверждения этих данных в настоящей работе была замерена максимальная температура горения в смеси порошков титана с кремнием при разбавлении порошком железа от 0 до 20%. На рис. 1 представлены зависимости температур горения смеси ^^ от количества разбавителя.

Методика эксперимента подробно описана в [6]. Исследовались зависимости скорости и температуры горения от соотношения компонентов, размера частиц титансодержащего материала и плотности упаковки смеси в системах Ti-FeSi и FeTi-Si. На рис. 2 представлена зависимость максимальной температуры горения от размера частиц и соотношения компонентов для системы Ti-FeSi.

Раздел 4

2500

О 15 00 - 4 4 »

н"1000 -500 -0

0 20 □□□□□□□□□□□□ 00000 □40°0 0 0 0, % 60

Рис. 1. Зависимость температуры горения от количества разбавителя: 1 — расчет; 2 — эксперимент; 3 — данные работы [5]

1850 1750 ^ о1650 -Ь1550 -1450

0 0,5 1 1,5

Ti/Si ат. % и средний размер частиц Ti

0,7 0,8 0,9

Ti/Si, ат. %

системах зависимость носит экстремальный характер. Аналогичная зависимость ранее была получена в работе [5] для системы Т^^ Однако если для систем и FeTi-Si максимум скорости горения приходится на состав Ti-0,6Si (соответствующий образованию Т^3 с максимальным тепловым эффектом), то для системы Ti-FeSi этот максимум смещен на состав Ti-0,48Si. Также следует отметить, что для двух систем диапазон горения смещен относительно друг друга: для первой системы - в область больших концентраций титана, для второй - в область больших концентраций кремния.

Рис. 4 иллюстрирует изменение скорости горения при варьировании размера частиц титансодержа-щего компонента в системах Ti-FeSi и FeTi-Si.

Рис. 2. Зависимость максимальной температуры горения от соотношения компонентов (1) и размера частиц титана (2)

Из рис. 2 видно, что максимальная температура горения слабо зависит от соотношения компонентов и размера частиц титана и находится приблизительно на одном уровне (1640±30°С). Это, по-видимому, обуславливается жидкофазным механизмом протекания реакции (температура горения, как видно, близка к температуре плавления титана 1660°С): при изменении состава исходной шихты и размера частиц титана в исследованных пределах меняется лишь доля жидкой фазы в волне горения, а температура самого расплава остается на одном уровне. На рис.3 представлена сравнительная зависимость скорости горения смесей титан-ферросилиций и ферротитан-кремний от соотношения компонентов.

4 о3

¡31

0

3

2,5 2 1,5 1

0,5 0

0

Рис. 4. Зависимость скорости горения смесей Ti-FeSi и FeTi-Si от размера частиц титансодержащего компонента

По графику можно судить о незначительном изменении скорости горения при варьировании размера частиц титана в системе титан-ферросилиций (2 ±0,5 мм/с) и экстремальном характере кривой при изменении размера частиц ферротитана в системе ферротитан-кремний (максимум 2,41 мм/с при размере частиц 0,05-0,1 мм). Причем для системы Ti-FeSi, в отличие от системы FeTi-Si, горение возможно при значительно большем размере частиц титансодержа-щего компонента.

Интересные данные были получены при определении скорости горении в зависимости от плотности исходной смеси титан-ферросилиций. Данные представлены на рис. 5.

Рис. 3. Зависимость скорости горения от соотношения компонентов для смесей Ti-FeSi, FeTi-Si

Максимальная скорость для первой системы (Ti-FeSi) замерена на составе с 72% Т^ для второй (ГеТ^1) - на составе с 58% Т1 Как видно, в обеих

2 2,5

Плотность, г/см3

Рис. 5. Зависимость скорости горения от плотности исходной смеси в системе титан-ферросилиций

Ti-F e S

2

FeTi-S

2

о 30

0,3

D, 4

0,5

D, 6

1,1

,2

, 15

,5

42

Теория и технология металлургического производства

ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ И ПРОИЗВОДСТВО ФЕРРОСПЛАВОВ

В связи с улучшением контакта между частицами при увеличении плотности исходной смеси с насыпной (1,5-1,9 г/см3) скорость горения резко повышается и достигает максимума в 30 мм/с при плотности 2,64 г/см3. При дальнейшем увеличении плотности начинает сказываться значительный теплоотвод из зоны реакции вследствие увеличения теплопроводности, из-за чего скорость горения падает.

Из проведенных исследований можно сделать вывод о том, что горение в исследованных системах реализуемо в широком диапазоне изменения состава исходной смеси, размера частиц порошков и плотности их упаковки. Значения скорости и температуры позволяют говорить о скоротечности процесса и абсолютной его безопасности.

Для промышленных испытаний был выбран наиболее подходящий по свойствам и составу сплав, названный «Ферросилицид титана» (марка ФСТ70 по ТУ 0868-032-21600649-2011). Химический состав сплава в сравнении с химическим составом ферроти-тана ФТи70С05 представлен в таблице.

Химический состав ферросилицида титана и ферротитана, %

Элемент Ферросилицид титана ФСТ70 Ферротитан ФТи70С05

Ti 70,1 69,8

Si 0,4 14,3

Al 2,5 9,8

C 0,17 0,12

S 0,019 0,005

P 0,022 0,008

N 0,41 0,10

O 1,36 0,05

H 0,03 0,005

В условиях ОАО «ММК» были проведены опытно-промышленные плавки с ферросилицидом титана в виде наполнителя порошковой проволоки на стали 17Г1С-У, предназначенной для электросварных труб

530-1220 мм. Сталь выплавлялась в 370-тонных кислородных конвертерах с последующей обработкой на установке ковш-печь №2 и дегазацией на установке вакуумирования ВЦ-385. Сталь разливалась на МНЛЗ №6 в слябы 250x2320. Параллельно проводились плавки с традиционно применяемым ферротита-ном. По результатам 7 опытных плавок среднее усвоение титана из порошковой проволоки с наполнителем ферросилицид титана составило 73,5% (66,376,9%), с наполнителем ферротитан - 45,8% (25,763,1%).

Список литературы

1. Макаров Д.Н. Совершенствование технологии производства коррозионно-стойких марок стали в ОАО «ЧМК» // Труды XI конгресса сталеплавильщиков, 3-8 октября 2010 г., Нижний Тагил. М.: АО Чертметинфор-мация, 2011. С. 215-218.

2. Камардин В.А., Малиновский Е.И., Мошкевич Е.И. Совершенствование технологии легирования титаном нержавеющей стали // Черметинформация. 1965. № 18, сер. № 5. С. 45-50.

3. Тахаутдинов Р.С., Сарычев А.Ф., Николаев О.А., Выплавка и внепечная обработка IF-стали в ККЦ ОАО «ММК» // Совершенствование технологии в ОАО «ММК». 2004. № 8. С. 52-59.

4. Shatokhin I.M., Bigeev V.A., Shaymardanov K.R., Mana-shev I.R. Investigation of combustion in titanium-ferrosilicon system. Vestnik Magnitogorskogo gosu-darstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2013, №5, pp. 55-58.

5. Некоторые закономерности горения смесей титана с кремнием / Азатян Т.С., Мальцев В.М., Мержанов А.Г., Селезнев В.А. // Физика горения и взрыва. 1978. № 1.

6. Shaymardanov K.R, Manashev I.R. Self-propagating high-temperature synthesis of ferro silico titanium // Proceedings of the Thirteenth International Ferroalloys Congress INFACON XIII, two volumes. Almaty: P. Dipner, 2013, vol. II, рp. 781-786.

Сведения об авторах

Шатохин Игорь Михайлович - директор ООО «НТПФ «Эталон», г. Магнитогорск.

Бигеев Вахит Абдрашитович - д-р техн. наук, проф., директор института металлургии, машиностроения и материало-обработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-85-59. E-mail: [email protected]

Шаймарданов Камиль Рамилевич - инженер-исследователь ООО «НТПФ «Эталон».

Манашев Ильдар Рауэфович - канд. техн. наук, инженер-исследователь ООО «НТПФ «Эталон», г. Магнитогорск. Тел.: 8(3519)580157. E-mail: [email protected].

♦ ♦ ♦

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.