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

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: v.bigeev11@yandex.ru

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: mirney@yandex.ru.

♦ ♦ ♦