автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка СВС-технологии получения силикотитановых сплавов для легирования стали

На правах рукописи

Шаймарданов Камиль Рамилевич

РАЗРАБОТКА СВС-ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СИЛИКОТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ

05.16.02 — Металлургия черных, цветных и редких металлов

С\

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005558870

Магнитогорск — 2014

005558870

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Бигеев Вахит Абдрашитович доктор технических наук, профессор,"заведующий кафедрой металлургии черных металлов ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Михайлов Геннадий Георгиевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физической химии ФГБОУ ВПО «ЮжноУральский государственный университет» (НИУ).

Степанова Ангелина Александровна кандидат технических наук, ведущий инженер конвертерной лаборатории ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».

ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской Академии Наук», г. Екатеринбург.

Защита состоится 25 декабря 2014 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.01, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и на сайте http://magtu.n^dokumenty/finisЫ470-shajmardanov-kamil-ramilev^ch/2783-dissertatsiya-shajmardanova-k-r.html. Автореферат разослан «Сб »_/■/ 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Селиванов Валентин Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время существует много марок стали, в которых титан используется как легирующий элемент, повышающий эксплуатационные свойства металла. Основные из них - это нержавеющие стали, Ш-стали, применяемые для изготовления кузовов автомобилей и корпусов бытовой техники и ШЬА-стали, используемые, главным образом, для производства труб и элементов металлоконструкций. Содержание титана в этих сталях варьируется в пределах 0,01-1,0 %, причем в отдельно взятой марке оптимальный диапазон концентрации титана чаще всего находится в очень узких пределах. Именно поэтому одной из актуальнейших задач в технологии производства титансодержащих сталей является гарантированное обеспечение таких концентраций при минимальном расходе легирующих.

Основной трудностью при легировании стали титаном является его высокая активность по отношению к кислороду, приводящая к образованию оксидов титана, переходящих в шлак. Это значительно увеличивает расход легирующих материалов, отрицательно сказываясь на себестоимости продукции. Многолетний опыт применения ферротитана для легирования стали титаном показал, что он не способен обеспечить высокое и стабильное усвоение даже при использовании порошковой проволоки и специальных методов предварительного раскисления. Одним из вариантов решения этой проблемы является применение комплексных сплавов, содержащих помимо титана другие высокоактивные элементы (Б!, А1, Са, М§ и др). Из-за специфики производства такие сплавы характеризуются низким содержанием титана, высоким содержанием примесей и дороговизной, поэтому их применение чаще всего нецелесообразно.

Технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) может стать эффективным решением для производства комплексных сплавов с титаном для легирования стали. Лигатуры, полученные по этой технологии, будут характеризоваться высоким содержанием титана, низким содержанием примесей и наличием высокоактивных по отношению к кислороду элементов, защищающих титан от окисления. Применение таких лигатур поможет решить проблему стабильного получения в стали необходимых концентраций титана в узких пределах, снизить расход легирующих и повысить качество металла.

Целью работы является разработка эффективной СВС-технологии получения композиционных легирующих сплавов на основе силицида титана с

3

низким содержанием примесей для экономного и стабильного легирования титансодержащих сталей.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

• анализ и оценка существующих технологий выплавки титансодержащих сталей и способов производства титансодержащих лигатур, выявление механизма влияния титана на свойства различных сталей;

• теоретическое обоснование и расчет термодинамических температур горения для оценки принципиальной возможности осуществления СВС-реакции в системе ТьБьРе;

• экспериментальные исследования закономерностей горения на лабораторной СВС-установке для выявления влияния соотношения компонентов в исходной шихте, размера частиц исходных порошков, плотности исходной смеси, давления газа в реакторе на основные параметры процесса - скорость и температуру горения;

• разработка опытно-промышленной технологии получения силикотитановых сплавов;

• проведение промышленных испытаний при выплавке титансодержащих сталей.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием для проведения исследований сертифицированного оборудования и лицензионных компьютерных программ, успешными промышленными испытаниями нового материала, разработанного на основе проведенных в работе исследований, публикацией результатов исследований в печати и их апробацией на научно-технических конференциях и научных форумах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Подтверждение принципиальной возможности реализации СВС-процесса в трехкомпонентной системе титан-кремний-железо.

2. Закономерности горения в системе титан-кремний-железо при использовании в качестве исходных компонентов различных порошков, выпускаемых промышленностью, в том числе порошков ферросплавов.

3. Результаты исследований фазового состава и микроструктуры комплексных титансодержащих сплавов, полученных СВС-методом.

4. Опытно-промышленная СВС-технология производства легирующих силикотитановых сплавов.

5. Результаты промышленных испытаний новых силикотитановых СВС-лигатур.

Научная новизна работы

1. Экспериментально доказана возможность реализации СВС-процесса в системе И-БЬРе с использованием в качестве исходных компонентов порошков ферросплавов, при этом показано, что СВ-синтез в этой системе происходит по безгазовому механизму.

2. Установлено, что СВ-синтез в указанной системе происходит за счет экзотермических реакций образования силицидов титана.

3. Обнаружена сильная экстремальная зависимость скорости горения исследуемых смесей от исходной плотности образцов.

4. Доказана возможность промышленного использования технологии СВС для производства силикотитановых сплавов для легирования сталей титаном.

Практическая значимость работы

1. Разработан сплав на основе системы И-БьРе для использования взамен высокопроцентного ферротитана и предложен способ его получения путем синтеза горением титан- и кремнийсодержащих порошков в инертной атмосфере.

2. Разработанный сплав позволил уменьшить расход легирующих материалов при выплавке трубных сталей и повысить стабильность получения в стали заданных концентраций титана.

Апробация работы и публикации

Результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на 70, 71 и 72-й научно-технических конференциях ФГОУ ВПО «МГТУ» (Магнитогорск, 2012, 2013, 2014 г.), международной конференции "Масоп ХШ", Казахстан, Алматы, 9-12 июня 2013 г., международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития горно-металлургической отрасли: теория и практика», Казахстан, Караганда, 17-18 сентября 2013 г., II промышленном форуме «Приоритетные направления промышленной политики: наукоемкие технологии и материалы», Челябинск, 18-20 марта 2014 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента на изобретения.

Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка источников. Основной текст занимает 101 страницу, включает 46 рисунков, 25 таблиц и 98 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы «Разработка СВС-технологии получения силикотитановых сплавов для легирования стали», обозначены проблемы, связанные с легированием стали титаном, сформулированы цель и задачи, представлена научная новизна работы.

В главе 1 проанализированы известные в настоящее время титансодержащие лигатуры и методы их получения, изложены основные принципы СВС и возможности его применения в металлургии, описан механизм влияния титана на свойства различных сталей.

Основываясь на различном механизме влияния титана на свойства металла, титансодержащие стали можно разделить на две обширные группы. К первой группе относятся стали (нержавеющие, Ш-стали), в которых титан используются для рафинирования твердого раствора от примесных атомов внедрения, главным образом азота, путем связывания их в нитриды титана. Во вторую входят стали, в которые титан вводится для образования нитридов, карбидов и карбонитридов с целью упрочнения металла (сюда относятся трубные, Н8ЬА-стали). В отдельную группу можно выделить борсодержащие стали высокой прокаливаемости, в которых титан используется для защиты бора от взаимодействия с азотом.

Традиционным легирующим материалом, используемым для легирования стали титаном, остается ферротитан - сплав титана с железом, содержащий, как правило, 20-75 % титана. Он характеризуется относительной дешевизной при достаточно высокой концентрации титана. В тоже время, низкое и нестабильное усвоение из такого сплава не позволяет гарантированно получать в стали заданные узкие концентрации титана. Кроме того, ферротитан, как правило, сильно загрязнен неметаллическими примесями (О, N. Н, С, Б, Р) и цветными металлами, которые попадают в сплав с исходными материалами и в процессе производства, что отрицательно сказывается на качестве конечного металла.

Для решения этих проблем могут быть интересны комплексные сплавы, имеющие в своем составе помимо титана высокоактивные элементы, такие как кремний, алюминий, кальций, магний и другие.

Существующие технологии производства представленных лигатур похожи и основаны на сплавлении различных руд, ферросплавов и отходов либо в электрических печах, либо вне печи с использованием термитных добавок. Такие методы позволяют получать сплавы с содержанием титана не выше 30 %. Получить комплексные сплавы с высоким содержанием титана (~70 %) этими

6

методами не представляется возможным вследствие высокой температуры плавления силицида Т15813 (-2390 К) и сильной ликвации.

Решить проблему получения композиционных легирующих материалов для легирования стали титаном можно, если в основу получения комплексных титансодержащих лигатур будут положены принципы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Этот процесс был открыт как один из методов получения тугоплавких неорганических соединений и благодаря возможности проведения синтеза без полного плавления продукта позволяет исключить ликвацию и фазовое расслоение в конечном сплаве.

С момента открытия СВС найдено множество систем, реагирующих в режиме горения. Вместе с тем, исследований, посвященных СВ-синтезу сплавов, предназначенных для эффективного легирования сталей титаном, не проводилось.

Во второй главе представлены теоретические обоснования, анализ литературных данных и термодинамические расчёты возможности получения СВС-методом титансодержащих легирующих сплавов в системе титан-кремний-железо. Также представлены результаты расчёта адиабатических температур горения в системе ТьБьРе при различном содержании железа.

Для оценки возможности реализации СВС в системе титан-кремний-железо требуется провести расчет адиабатической температуры горения. Основным условием для определения адиабатической температуры горения является равенство энтальпий исходных веществ при начальной температуре Т0 и конечных продуктов при температуре Тм. Оно означает, что все выделившееся при реакции тепло идет на нагрев компонентов от начальной температуры до температуры горения и может быть представлено в виде:

¿[Я(г0,)-Я(т;)],=е, (1)

1=1

где Тад — адиабатическая температура горения; Т0 - начальная температура; О -тепловой эффект реакции. Суммирование здесь ведется по всем продуктам реакции. Реакцию синтеза в общем виде можно представить в следующем виде:

5 Г/ + З5'г' + цРе 7755/3 + цРе + 2,

(2)

где О = 583,5 кДж/моль - тепловой эффект образования Т15813; ц - массовая доля железа в шихте и продукте.

Здесь Т]581з выбрано как наиболее экзотермичное соединение в системе Ть Б^Ре, тепловой эффект его образования составляет 583,5 кДж/моль. Расчет проводили для оценки максимально возможной температуры горения. Предварительно рассчитали адиабатическую температуру горения чистого силицида титана (ц=0), затем при содержании железа в продукте от 10 до 90 %.

Результаты расчета адиабатических температур горения сплавов системы Т^БьРе в зависимости от содержания железа представлены на рисунке 1.

Интервал концентраций железа от 61 до 65 % соответствует зоне, при которой наблюдается его частичное плавление при горении, т.е. в этом случае температура горения постоянна и равна температуре плавления железа. При концентрации выше 65 % железо присутствует в твердом виде.

Ке, %

Рисунок 1 - Адиабатическая температура горения системы Ть81 в зависимости от

содержания железа

В третьей главе представлены результаты экспериментов по исследованию СВС-процесса в системах титан-ферросилиций, ферротитан-кремний и титан-кремний-железо. Описана экспериментальная установка и методика экспериментов. Получены данные о влиянии основных параметров процесса на скорость и максимальную температуру горения. Дано объяснение полученным результатам.

Для проведения экспериментов была сконструирована специальная установка «Лабораторный СВС-реактор», представляющая собой толстостенный сосуд из нержавеющей стали с герметично закрывающейся крышкой. Схематично реактор изображен на рисунке 2.

В качестве исходных материалов использовались порошки титана пористого ТПП-4 ТУ 1791-449-05785388-99, титана губчатого ТГ-ТВ ТУ 1791-449-0578538899, титана ПТМ, ферротитана ФТи70С08, ГОСТ 4761-91, ферросилиция ФС75

ГОСТ 1415-93, кремния КР-2 ГОСТ 2169-69, силикокальция СК-30, алюминия АПЖТУ 1791-99-024-99.

8

9

7 У | I

4

10

1

1 - Видеокамера; 2 - вакуум; 3 - газ; 4 - окно; 5 - термопара; 6 - образец; 7 -спираль накаливания; 8 — трансформатор; 9 — термопреобразователь; 10 — ПК Рисунок 2 - Схема лабораторной СВС-установки

Классификация порошков с выделением нужных фракций проводили с помощью сит и виброрассеивателя. Для изготовления экзотермичной смеси порошки смешивали в различных пропорциях. Для минимизации влияния остаточной влажности и примесных газов смесь просушивали в вакуумном шкафу при температуре 390-400 К. Готовая шихта засыпалась в стакан из газопроницаемой сетки диаметром 30 мм и высотой 45 мм с установленными на расстоянии 30 мм друг от друга реперными точками для вычисления скорости горения. Для получения образцов большей плотности исходная смесь формовалась в цилиндр диаметром 40 мм на прессе Herzog НТР-40 усилием 2-30 тонн. Для инициирования реакции на образцах в свободной засыпке использовалась поджигающая смесь из порошков титана ТПП-8 фракции 0-0,16 мм, кремния КР-2 фракции 0-0,04 мм и алюминия АПЖ фракции 0-0,04 мм в соотношении 70/20/10 масс. %. Для формованных образцов эта смесь прессовалась в таблетку высотой ~2 мм. Нагрев воспламенительной смеси осуществляли спиралью из молибденовой проволоки диаметром 0,5 мм.

Образец устанавливался на специальную подставку, соединенную с крышкой. Снизу через отверстие в образец вставлялась вольфрам-рениевая термопара ТВР из проволок ВР-5 и ВР-20 в керамическом корпусе. Показания термопары передавались на микропроцессорный измеритель-регулятор марки

ТРМ-2, ГОСТ Р 52931-2008, а с него на персональный компьютер. Процесс фиксировался на фото- видеокамеру Canon 60D для замера скорости и определения режима горения.

Фазовый анализ продуктов СВ-синтеза проводили на рентгеновских дифрактометрах ДРОН-2 и FUDJIZU. Запись дифракционной картины осуществляли на персональный компьютер с помощью аналого-цифрового преобразователя. При подготовке пробы для анализа сгоревшие образцы предварительно измельчали на мельнице Herzog до фракции 0-0,04 мкм, высушивали в течение двух часов при температуре 380 К и запрессовывали в кювету из оргстекла. Применяли характеристическое излучение СоКа (1.7903 Ä) рентгеновских трубок типа БСВ с фильтром из железа. При расшифровке дифрактограмм использовали данные рентгенометрической картотеки ASTM, таблицы Гиллера. Микроструктуру продуктов горения исследовали на электронном микроскопе Philips СМЗО при ускоряющем напряжении 30 кВ и диаметре зонда (50-100) 10 "9 м, что позволяет получить изображение объекта с увеличением от 30 до 20000 крат.

В результате проведенных исследований для систем титан-ферросилиций, ферротитан-кремний и титан-кремний-железо был определен ряд закономерностей.

При разбавлении смеси, рассчитанной на получения Ti5Si3 инертной добавкой - порошком железа — скорость и максимальная температура горения снижаются, что согласуется с проведенным термодинамическим расчетом и литературными данными по исследованию горения смеси Ti-Si. При увеличении концентрации железа до 10 % температура горения падает на 80 К с 2210 до 2129 К, а скорость - на 3,88 мм/с с 7,28 до 3,4 мм/с. При увеличении концентрации железа до 20 % температура горения падает еще на 35 К, а скорость - еще на 2 мм/с. При содержании железа 30 % горение становится невозможным.

Давление аргона в реакторе во всех исследованных системах не влияет на скорость и максимальную температуру горения в диапазоне давления 0,2-12 МПа. Выявленная независимость параметров горения от давления является подтверждением предположения о безгазовом характере СВС-процесса в трехкомпонентной системе титан-кремний-железо.

Вид зависимости скорости горения от соотношения компонентов для систем титан-ферросилиций и ферротитан-кремний оказался экстремальным, что характерно для безгазовых СВС систем. Для системы титан-кремний-железо, как

10

и для двухкомпонентной "П-8'1, максимум скорости горения (2,41 мм/с) приходится на состав с самой высокой экзотермичностью и соответствует образованию силицида Т158)3, в то время как для системы титан-ферросилиций максимум (3,1 мм/с) смещен в область больших концентраций титана. Это может быть связано со значительным влиянием экзотермических реакций между избыточным титаном и железом с образованием интерметаллида ИРе.

На максимальную температуру горения соотношение компонентов не оказывает влияния для системы титан-ферросилиций (Т = 1950 ±20 К) и оказывает слабое влияние для системы ферротитан-кремний (максимум приходится на самый экзотермичный состав и составляет 1750 К), что по всей видимости связано с плавлением части продукта синтеза.

Таким образом, в системе титан-ферросилиций возможно получение продукта с 62-75 % "Л и 18-27 % Б!, а в системе ферротитан-кремний - продукта с 46-57 % Т1 и 18-34 % 81.

Для системы титан-ферросилиций дисперсность титана не оказывает какого-либо заметного влияния на скорость и максимальную температуру горения. Это может быть связано с тем, что горение в этой системе происходит по жидкофазному режиму (температура горения соответствует температуре плавления титана) и в исследованных пределах режим не меняется, а меняется только доля жидкой фазы, температура которой и была замерена в опытах. В системе ферротитан-кремний дисперсность ферротитана сильнее влияет на горение: при размере частиц выше 0,315 мм СВС-процесс в этой системе становится невозможным. Зависимость скорости от размера частиц носит экстремальный характер с максимальным значением 2,41 мм/с при дисперсности 0,050-0,100 мм, что на 0,4 мм/с выше средней скорости горения для системы титан-ферросилиций. Температура горения в системе ферротитан-кремний так же носит экстремальный характер, однако величина ее при этом изменяется незначительно: разница между минимальным и максимальным значением лишь 54 К. Различия в значениях максимальных температур горения (около 250 К) позволяют говорить о заметно большей экзотермичности системы титан-ферросилиций по сравнению с системой ферротитан-кремний, что может быть связано с большим количеством железа в системе ферротитан-кремний (~24 %), чем в системе титан-ферросилиций (~8 %).

При изменении размера частиц исходного титана макроструктура продуктов горения смеси титан-феррослииций сильно меняется (рис. 3). Как видно из

11

рисунка, при использовании мелкого порошка титана (рис. 3, левая часть) формируются спеченные продукты синтеза. При переходе на более крупное сырье (рис. 3, правая часть) образцы уменьшаются в объеме, становятся оплавленными и сильно деформированными. При этом в разных частях спека формируются чередующиеся оплавленные области с типичной литой структурой. Граница изменения макроструктуры лежит в диапазоне размера частиц титана -0,315 мм.

Рисунок 3 - Зависимость макроструктуры от крупности титана в системе титан-

ферросилиций

Зависимость скорости горения от плотности имеет экстремальный вид, что характерно для большинства СВС-систем. Уже при увеличении исходной плотности смеси с насыпной (-1,7 г/см3) до 2,24 г/см3 скорость горения увеличивается в 5,7 раз с 2,18 до 12,38 мм/с и достигает максимального значения в 30 мм/с при плотности 2,65 г/см\ Первоначальное увеличение плотности, приводящее к росту эффективной теплопроводности смеси, способствует увеличению теплопередачи из зоны горения в зону прогрева. Это, в конечном счете, проявляется в увеличении скорости горения. Однако при еще большем росте плотности образцов усиливаются теплопотери из зоны горения во внешнюю среду. Результатом этого является снижение скорости горения, а при максимальных плотностях исходной шихты горение становится невозможным.

На рисунке 4 представлены фотографии различных стадий процесса горения в хронологическом порядке для прессованного цилиндрического образца системы титан-ферросилиций при стехиометрическом соотношении титана и кремния.

Рентгенофазовый анализ продуктов горения смесей титан-ферросилиций различного состава показал, что основной фазой во всех случаях является силицид титана Тл5813. При этом шихта, рассчитанная на получение двухфазного

материала, состоящего из железа и силицида титана, после горения оказалась наиболее близкой к расчетной. Расчетные и фактические концентрации компонентов для стехиометрического состава с атомным отношением титана к кремнию 1,67 представлены в таблице 1. Присутствие свободного титана и низкотемпературной фазы Т1312 свидетельствует о неполноте реагирования, что может быть связано с недостаточной дисперсностью частиц титана. При этом непрореагировавшего исходного ферросилиция не обнаруживается.

1 - Инициирование горения подачей электроимпульса; 2 - зажигание основной шихты запальной смесью; 3 - стационарное распространение фронта горения; 4 -завершающая стадия горения; 5 - остывание полностью сгоревшего образца Рисунок 4 - Фотографии стадий процесса горения титана с ферросилицием

Таблица 1 - Результаты рентнегофазового анализа

Фаза Содержание, масс. %

Фактическое Расчетное

Т15813 81,79 90,76

4,58 9,24

Ре 8,95 -

'П (гексагональный) 4,68 -

На микрофотографии образца смеси титан-ферросилиций с соотношением титана и кремния, соответствующем образованию Т15813 (рис. 5) видно, что полученный сплав действительно представляет собой композиционный материал с равномерно распределенными по объему компонентами. Здесь роль матричного материала играют зерна силицида Т15813 размером до 10 мкм, а связующим являются обогащенные железом прослойки.

Проведенные исследования были положены в основу разработки опытно-промышленной технологии производства легирующего материала на основе силицида титана Т15813. Подобраны оптимальные условия производства такого материала. Показано, что при использовании титана, ферросилиция и алюминия в качестве исходных компонентов в массовом отношении Т1/Ре81=3,3 процесс будет

происходить в стабильном и безопасном режиме, а продукт будет содержать около 70 % Т] (по аналогии с высокопроцентным ферротитаном). При этом железо будет служить в качестве утяжелителя и для образования в сплаве различных низкотемпературных эвтектик. Роль алюминия будет заключаться в защите титана от окисления. Определена наиболее эффективная с точки зрения производительности дисперсность исходных порошков. Для порошка титана она лежит в пределах 0-2,5 мм, ферросилиция - 0-0,10 мм и алюминия — 0-0,04 мм.

Элемент

Массовое содержание, %

Точка 1

Т\

81

Ре

50,01

39,99

09,10

Точка 2

Т1

Ре

42.92

35.53

21.56

Рисунок 5 - Результаты микроанализа образца титан-ферросилиций

В четвертой главе представлены основные положения опытно-промышленной СВС-технологии производства силикотитановых сплавов для легирования стали, которая была внедрена в ООО «НТПФ «Эталон» (г. Магнитогорск) в цехе по производству композиционных материалов.

Принципиальная схема процесса производства силикотитановых лигатур на примере получения ферросилицида титана состава -70 % Т\. -14 % 81, -10 % А), остальное - Ре представлена на рисунке 6.

Ферросилицид титана, как и другие титан-кремниевые лигатуры, получают либо в кусковом виде, либо в виде порошковой проволоки. Для производства кусковой лигатуры спёки измельчаются в щековой дробилке ДЩ 380 400, с получением продукта фракции 20-80 мм. Дроблёный материал упаковывается в металлические бочки, маркируется и передаётся на склад.

Для получения наполнителя для производства порошковой проволоки исходные спеки последовательно дробят на щековых дробилках ДЩ360х400, ДЩ160х240 и конусно-инерционной дробилке КИД-300, после чего с помощью каскадно-гравитационного классификатора проводят фракционирование продукта с выделением фракции 0,10-2,5 мм.

Аналогичным образом может быть организован процесс производства силикотитановых лигатур иного состава с использованием других исходных материалов.

Для получения сравнительных результатов параллельно проводились плавки с традиционно применяемой порошковой проволокой с наполнителем ферротитан марки ФТи70С05 ГОСТ 4761-91. Диаметр проволоки составлял 14 мм, материалом оболочки служила сталь 08Ю, скорость ввода проволоки - 180 м/мин. Химический состав обоих наполнителей представлен в таблице 2. Как видно, при практически одинаковом содержании титана, ферросилицид титана значительно чище по неметаллическим примесям.

Таблица 2 - Характеристики наполнителей ФТи70С05 и ФСТ70

Наполнитель Химический состав, % Коэффициент заполнения, %

Ti Si A1 С S Р N О Н

ФТи70С05 70,1 0,4 2,5 0,17 0,019 0,022 0,41 1,36 0,03 69

ФСТ70 69,8 14,3 9,8 0,12 0,005 0,008 0,10 0,05 0,005 72

Плавки проводились в 370-тонных кислородных конвертерах с последующей обработкой на установке ковш-печь №2 и дегазации на установке вакуумирования стали ВЦ-385. Выплавлялась сталь марки 17Г1С-У, которая

предназначена для изготовления электросварных труб диаметром 530-1220 мм. Сталь разливалась на МНЛЗ №6 в слябы сечением 250x2320 мм.

Результаты плавок приведены в таблице 3. Среднее усвоение титана из порошковой проволоки с наполнителем ферросилицид титана составило 73,5 %, с наполнителем ферротитан - 45,8 %.

Таблица 7 - Результаты промышленных плавок

№ плавки Масса разлитой стали, т Масса сляба, т Материал, использованный для легирования Введено материала Содержание титана, % Усвоение Ti, %

Марка Расход, кг/т Наполнитель, кг Ti, кг Ti, % АКП №2 МНЛЗ, разливка

03 263 351,5 351,5 ФТи70С05 0,569 200 140 0,0398 0,004 0,019 37,7

03 302 374,2 367,4 ФТи70С05 0,476 178 124,6 0,0333 0,004 0,025 63,1

03 308 367,4 367.4 ФТи70С05 0.893 328 229,6 0.0623 0.003 0,019 25.7

03 313 374,2 374,2 ФТи70С05 0,529 198 138,6 0,0370 0,004 0,025 56,8

03 257 371,1 364,7 ФСТ70 0,323 120 84 0,0226 0,004 0,019 66,3

03 266 374,7 374,7 ФСТ70 0,315 118 82,6 0,0220 0,004 0,021 77,3

03 318 367,4 367,4 ФСТ70 0,335 123 86,1 0,0234 0,004 0,022 76,9

Таким образом, проведенные промышленные плавки показали, что использование для легирования стали ферросилицида титана повышает усвоение и уменьшает расход легирующего материала в 1,6 раз, при этом так же повышается стабильность усвоения титана.

Для снижения себестоимости продукции и повышения экономической эффективности были проведены эксперименты по замене в исходных компонентах титана пористого ТПП-4 на титан губчатый ТГ-ТВ фракцией 0-12 мм. Полученный продукт по химическому составу соответствует марке ФСТ70 технических условий «Легирующий материал «Ферросилицид титана» ТУ 0868032-21600649-2011. При усвоении, отмеченном на опытных плавках, и рентабельности 30 % затраты на производство 1 тонны стали при замене порошковой проволоки с наполнителем «Ферротитан ФТи70С08» на «Ферросилицид титана ФСТ70» на ОАО «ММК» снизятся на 27,4 рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана новая технология получения силикотитановых сплавов для легирования стали титаном с использованием технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

2. Для синтеза указанных сплавов можно использовать порошки ферросплавов, таких как ферросилиций и ферротитан.

3. Синтез в системах титан-ферросилиций, ферротитан-кремний и железо-титан-кремний происходит в безгазовом режиме.

4. Как для системы титан-ферросилиций, так и для системы ферротитан-кремний соотношение компонентов сильно влияет на скорость горения и слабо -на температуру горения. При этом установлено, что в системе титан-ферросилиций возможно получение продукта с 62-75 % титана и 18-27 % 81, а в системе ферротитан-кремний — продукта с 46-57 %Т\и 18-34 %

5. Размер частиц титана не оказывает сколько-нибудь сильного влияния на скорость и температуру горения в системе титан-ферросилиций. Показана сильная чувствительность системы к дисперсности порошка ферросилиция: при размере частиц более 0,050 мм горение замедляется, а при размере частиц более 0,100 мм горение прекращается. В системе ферротитан-кремний проявляется сильная зависимость скорости горения от дисперсности ферротитана. При размере частиц более 0,315 мм горение становится невозможным. На температуру горения размер частиц ферротитана влияет слабо.

6. Общие закономерности горения, полученные на лабораторной установке, сохраняются при переходе на промышленный реактор. При этом абсолютные значения скорости и температуры в промышленном реакторе в среднем оказались выше: значения скорости - на 0,2 мм/с, а значения температуры - на 15 К.

7. Разработан новый способ производства композиционных силикотитановых сплавов для легирования стали, основанный на синтезе горением смесей, содержащих титан и кремний. Способ позволяет получать чистые по примесям композиционные лигатуры с различной концентрацией титана и его защитой от окисления. Способ защищен патентом РФ.

8. Разработаны составы новых композиционных силикотитановых лигатур, специально предназначенных для легирования стали. Новые лигатуры защищены патентом РФ.

9. Доказана технологическая целесообразность применения силикотитановых сплавов для легирования стали титаном взамен ферротитана. Ожидаемый экономический эффект - 27,4 рубля на тонну стали.

Основное содержание работы опубликовано в следующих публикациях:

1. Шаймарданов, K.P. Опыт производства и применения СВС-ферросиликотитана [Текст] / K.P. Шаймарданов, И.М. Шатохин, М.Х. Зиатдинов // Сталь. - 2014. -№3. С. 33 - 38.

2. Шатохин, И. М. СВС-технология производства новых материалов для доменного и сталеплавильного производств [Текст] / И.М Шатохин, М.Х. Зиатдинов, А.Е Букреев, И.Р. Манашев, K.P. Шаймарданов // Новые огнеупоры. -2012.-№3. С. 46.

3. Shatokhin, I.M. Investigation of combustion in titanium-ferrosilicon system / I.M. Shatokhin, V.A. Bigeev, K.R. Shaymardanov, I.R. Manashev // Vestnik of Nosov Magnitogorsk State University. - 2013. - №5. P. 55 - 58.

4. Shaymardanov, K.R. Self-propagating high-temperature synthesis of ferro silico titanium / K.R. Shaymardanov, I.M Shatokhin, I.R. Manashev // Proceedings of the Thirteenth International Ferroalloys Congress INFACON XIII. - 2013. - V.U. P. 781 -786.

5. Шатохин, И. M. Исследование СВС-процесса в системе титан-кремний-железо [Текст] / И. М. Шатохин, К. Р. Шаймарданов // Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития горнометаллургической отрасли: теория и практика». Караганда: - 2013. С. 7 - 11.

6. Шатохин, И.М. СВ-синтез силикотитановых сплавов для легирования титансодержащих сталей [Текст] / И.М. Шатохин, В.А. Бигеев, K.P. Шаймарданов, И.Р. Манашев // Теория и технология металлургического производства. - 2014. -№ 1. С. 41-43.

7. Пат. №2482210 С22С 35/00 Сплав для легирования стали титаном / Шатохин И.М., Шаймарданов K.P., Бигеев В.А., Манашев И.Р. // Заявлено 27.03.2012; опубл. 20.05.2013. 9 с.

8. Пат. №2497970 С22С 35/00 Способ получения титансодержащего сплава для легирования стали / Шатохин И.М., Шаймарданов K.P., Зиатдинов М.Х., Манашев И.Р. // Заявлено 03.05.2012; опубл. 10.11.2013. 11 с.

9. Букреев, А.Е. Достижения инновационного предприятия ООО «НТПФ «Эталон» за четверть века [Текст] / А.Е. Букреев, И.Р. Манашев, K.P. Шаймарданов, Е.А. Щеголева, Е.П. Хренова // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 71-й межрегиональной научно-технической конференции. - Магнитогорск: Издательство МГТУ: - 2013. -Т.1.С. 112-115.

Подписано в печать 23.10.2014. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 784.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»