АЗОТСОДЕРЖАЩИЙ СПЛАВ ДЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
NITROGEN CONTAINING ALLOY FOR STEEL ALLOYING AND PROCEDURE FOR ITS PRODUCTION

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сплавам для легирования стали, а именно касается азотсодержащего материала на основе кальция, кремния и железа.
Кальций широко используется в сталеплавильном производстве как высокоэффективный раскислитель. Кроме того, кальций является хорошим модифицирующим средством. Улучшение эксплуатационных свойств металла достигается благоприятным изменением формы и вида окисных и сульфидных включений.
2
2
Как в отечественном, так и в зарубежном сталеплавильном производстве основным материалом, используемым для обработки расплава кальцием, служит силикокальций - сплав кальция с кремнием и железом. Реже применяются карбид кальция (СаС) и цианамид кальция (CaCN+C). Цианамид кальция получают нагревом порошка карбида кальция в атмосфере азота. Получаемый таким образом продукт промышленного производства представляет собой смесь порошка углерода и собственно цианамида кальция, а также значительного количества оксида кальция. Известна смесь для легирования стали, содержащая 20-80% цианамида кальция, 10-60% плавикового шпата, по 1-9% алюминия и титана, остальное - криолит (Авт. свидетельство СССР №1067073, С22С 35/00, опубл. БИ №2, 1984 г.). Недостатком такой смеси является то, что наряду с введением в сталь азота, расплав насыщается таким же количеством углерода.
Известен способ получения цианамида кальция с традиционными ферросплавами, такими как ферротитан, ферромарганец и др. (патент Германии №1533257, С22С 35/00, опубл. 22.06.72), по которому смесь порошков 50-90% карбида кальция с 50-10% ферросплавов нагревают в электропечи в течение времени, достаточном для получения цианамида кальция. Наряду с тем, что способ позволяет получать легирующий материал с высоким содержанием азота, он имеет существенный недостаток, обусловленный большим расходом электроэнергии и необходимостью длительной выдержки при высокой температуре. Кроме того, продукт, получаемый указанным способом, отличается высоким содержанием углерода.
Согласно изобретению по авторскому свидетельству СССР №1765234, С22С 35/00, опубл. в БИ №36, 1992, «Модифицирующая смесь». Предлагается смесь, содержащая магний, графит, двуокись титана, пятиокись ванадия, нитрид кальция и ферросилиций. Предлагаемая смесь обеспечивает улучшенное качество чугунных отливок, однако, она не может применяться для введения азота в сталь с низким содержанием углерода. Несмотря на то что в смеси азот представлен безуглеродистым нитридом кальция, в ней дополнительно содержится большое количество углерода (графит). Кроме того, наличие в смеси ядовитой пятиокиси ванадия делает ее исключительно опасной в использовании. Получают смесь путем перемешивания порошков магния, ферросилиция, пятиокиси ванадия, двуокиси титана, нитрида кальция и графита с последующей упаковкой смеси. Наиболее близким по достигаемому результату к заявляемому объекту является «Металлическая композиция и способ ее получения» (патент Германии № DE 3011962, Кл. С22С 29/16, опубл. 15.01.87 г., авторы Зиатдинов М.Х., Максимов Ю.М. и др.). В патенте-прототипе предлагаются высокоазотистые легирующие сплавы, содержащие Al, Ti, Si, Zr, V, Nb, Cr, Mn и Fe. Азот в количестве 5-17% представлен в виде нитридов металлов 3-7 групп периодической системы. Способ получения таких легирующих композиций состоит в азотировании порошков исходных ферросплавов в режиме горения при повышенном давлении азота и отличается низким расходом электроэнергии. Недостатком изобретения-прототипа является то, что металлическая композиция не позволяет одновременно вводить с азотом Са и Si без введения металлов 3-7 групп, а способ не обеспечивает получения кальцийсодержащего сплава с азотом.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание нового легирующего материала, основными компонентами которого являются кальций, кремний, азот и железо, а также дешевого и эффективного способа получения такого сплава.
Поставленная задача решается тем, что предлагается азотсодержащий сплав для легирования стали, включающий кальций, кремний, азот и железо, компоненты в котором взяты в следующем весовом соотношении:
кальций
5-34
кремний
17-55
азот
11-29
железо
остальное
Предлагается также способ получения указанного азотсодержащего сплава для легирования стали, включающий измельчение исходного материала в виде сплава в порошок и азотирование его в режиме горения, в котором в качестве сплава исходного материала используют сплав или смесь нескольких сплавов, содержащих кальций, кремний и железо, при следующем их весовом соотношении, вес.%:
кальций
10-40
кремний
40-65
железо
остальное,
при этом сплав измельчают в порошок с размером частиц менее 2,5 мм, порошок помещают в установку высокого давления в атмосферу азота, содержащую не менее 95,0 об.% азота при давлении 0,1-15,0 МПа, инициируют экзотермическую реакцию образования нитридов кальция и кремния путем локального нагрева порошка до температуры начала реакции в послойном режиме горения и поддерживают эту температуру и давление до окончания реакции в режиме послойного горения с последующим доазотированием в режиме объемного горения при давлении в течение 0,10-2,0 часа. Исходный сплав Ca-Si-Fe может содержать до 5% примесей (С, S, Р, Al и др.), обусловленных технологией производства.
3
2
3
4
2
4
При взаимодействии кальция с азотом образуется единственный нитрид CaN, при этом выделяется большое количество тепла - 709 кал/г. В системе кремний - азот также происходит сильно экзотермическая реакция с образованием тугоплавкого нитрида кремния SiN (тепловой эффект реакции 1280 кал/г). В тоже время нитриды железа (FeN, FeN) образуются без заметного тепловыделения: 20,6 и 3,8 кал/г соответственно. Таким образом, есть необходимые условия для организации процесса насыщения азотом системы Ca-Si-Fe в режиме самоподдерживающегося процесса горения за счет тепла экзотермической реакции образования нитридов кальция и кремния без использования энергии внешних источников (электропечей различного типа, плазмотронов и т.д.). При этом количество железа в исходной шихте должно быть ограниченным, не более 40%.
3
2
3
4
Очевидным преимуществом использования системы Ca-Si-Fe в качестве основы для азотирования, с целью получения легирующих сплавов для стали, является то, что нитриды CaN и SiN содержат максимальное количество азота - 18,9 и 39,9% соответственно. Азотирование порошков кремния в режиме горения является хорошо изученным процессом (см., например, А.С.Мукасьян, В.М.Мартыненко, А.Г.Мержанов и др. «О механизме и закономерностях горения кремния в азоте». Физика горения и взрыва, №5, 1986, с.43-49). Оказалось, что без использования предварительного нагрева исходного кремния внешним источником тепла (т.е. электропечи) процесс горения удается осуществить лишь при давлении азота свыше 12,0 МПа с использованием порошка дисперсностью 0,01 мм.
Температура процесса составляла при этом около 2000°С, а степень превращения кремния в нитрид не превышала 40%.
Попытки получить нитрид кальция путем сжигания кальция в азоте к успеху не привели. Дело в том, что металлический кальций - химически очень активный металл. Процесс получения порошка или даже гранул кальция, а также все последующие операции с ним должны проводиться с максимальной осторожностью, исключая контакт с кислородом. Поэтому синтез нитрида кальция исключительно дорогой и трудоемкий процесс, что делает экономически невыгодным его применение в сталеплавильном производстве.
2
Осуществление азотирования сплавов Ca-Si-Fe в режиме горения является весьма привлекательным. "Излишняя" активность кальция в сплавах нейтрализована кремнием путем образования силицидов CaSi и CaSi.
Кроме того, эти силициды весьма хрупки, поэтому получение порошка необходимой дисперсности является сравнительно простой и недорогой технологической операцией.
Однако осуществление азотирования в режиме горения в системе Са-Si-Fe-азот не является столь очевидной. Во-первых, кальций и кремний взаимодействуют с азотом при различных температурах: максимальная скорость образования нитрида кремния при 0,1 МПа азота происходит при 1350-1450°С, а оптимальная температура синтеза нитрида кальция составляет 450°С. Во-вторых, кальций и кремний в сплаве образуют относительно инертные в химическом отношении силициды, скорость взаимодействия которых с азотом значительно ниже, чем скорость взаимодействия металлического кальция и кремния с азотом. В-третьих, сплавы на основе кальция и кремния с содержанием кальция до 50% начинают плавиться уже при 970-980°С, поэтому азотирование порошка традиционным способом, когда одновременно разогревается весь объем, к успеху не привели. Прежде чем начинается активное насыщение сплава азотом, бурно развиваются процессы спекания и слияния порошковой шихты в монолитную массу с резким замедлением поглощения азота и с последующим его прекращением.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание такого способа производства азотсодержащего сплава для легирования стали, включающего кальций, кремний и железо, который отличался бы отсутствием затрат электроэнергии, минимальной продолжительностью и позволял бы получать материал с максимальным содержанием азота, при полном отсутствии потерь сырья при азотировании и исключении вредных выбросов в окружающую среду. Другим важным результатом предлагаемого изобретения является создание на базе нового способа такого дешевого азотсодержащего сплава, который благодаря высокому содержанию азота, обеспечивал бы введение в сталь нужного количества азота при минимальном его расходе.
Обычно при азотировании металлов и сплавов традиционными способами тепловыделение при образовании нитридов считается крайне нежелательным явлением, приводящем к ускоренному спеканию порошкообразной шихты, заплавлению порового пространства и, в конечном счете, преждевременному прекращению поглощения азота. Попытки замедлить скорость тепловыделения путем снижения давления, разбавления шихты инертными или тугоплавкими компонентами и т.д. в конечном счете приводили к увеличению продолжительности процесса, снижению качества продукта и его удорожанию.
Сущность предлагаемого технического решения кратко можно сформулировать так: предлагается азотсодержащий сплав на основе сплавов Ca-Si-Fe с максимальным содержанием азота, который получен горением исходного порошка в азоте, а само горение реализуется за счет тепла, выделяющегося при образовании нитридов кальция и кремния. Таким образом, утилизируя, казалось бы, вредное тепловыделение при азотировании, удается получить новый высокоэффективный легирующий сплав, который нельзя получить обычными способами.
Весьма неожиданным положительным моментом оказалось и то, что путем варьирования параметров процесса азотирования (состав исходного сплава, размер частиц порошка, давление и состав азотсодержащего газа, температура зажигания и продолжительность процесса), который протекает в режиме послойного горения, можно преодолеть сопутствующие неблагоприятные факторы (низкая температура плавления исходного сплава, большая разница в температурах образования нитридов кальция и кремния, наличие в исходном сплаве химически прочных силицидов).
В предлагаемом изобретении исходный материал должен содержать достаточное количество кальция и кремния, ответственных за тепловыделение при азотировании. Исследования показали, что минимальное количество кальция и кремния, при котором возможен стабильный процесс горения за счет экзотермической реакции нитридообразования, составляет 10% и 40% соответственно, при этом их суммарное количество должно быть не менее 60%. Использование порошков, содержащих более 40% Са и более 65% Si, а также порошков, содержащих суммарное количество Са и Si более 99%, нецелесообразно из экономических соображений, а также с точки зрения техники безопасности. Такие порошки дороги, а при эксплуатации легко воспламеняются, несмотря на то, что они легко азотируются в режиме горения с получением продукта с высоким содержанием азота. Отметим также, что по тем же самым причинам в качестве исходного материала не используется смесь порошков кальция, кремния и железа.
Исходный сплав выбранного оптимального состава, в соответствии с предлагаемым техническим решением, должен быть измельчен в порошок, размеры частиц которого не должны превышать 2,5 мм, причем это должен быть полидисперсный порошок, в котором наряду с крупными частицами должно быть достаточное количество мелкой фракции для обеспечения высокой скорости тепловыделения. Причем в процессе исследований закономерностей горения порошка исходного сплава в азоте было обнаружено, что крупный порошок азотируется лишь при высоком давлении азота и с использованием порошка с максимальным количеством кальция. Для того чтобы реализовать азотное горение в более широком диапазоне соотношений компонентов в исходной шихте, а также для того, чтобы стал возможным процесс при низком давлении азота, необходимо использовать более мелкий порошок: менее 0,63 мм или даже менее 0,20 мм. В тех случаях, когда в исходном сплаве содержится минимальное количество кальция, или же когда процесс осуществляется при низком давлении азота, необходимо использовать особо мелкий исходный порошок - менее 0,05 мм. Кроме того, использование более мелкого порошка исходного сплава становится целесообразным и тогда, когда он смешивается с определенным количеством менее экзотермичного ферросплава. Порошок сплава Ca-Si-Fe горит в азоте в очень широком диапазоне изменения давлений. С технической точки зрения для безопасного осуществления процесса, горение необходимо реализовать при давлении азота от 0,1 до 15,0 МПа. В этом диапазоне можно осуществить стабильное горение порошков исходного сплава всех выбранных составов и при любой, предложенной в заявке, дисперсности. При меньшем давлении азота горение большинства составов не реализуется, либо становится нестабильным. При использовании давления свыше 15,0 МПа возникают трудности, связанные с эксплуатацией оборудования высокого давления, в то же время качественного изменения свойств получаемого продукта не происходит. Кроме того, исследования показали, что оптимальным (для различных составов и для большого диапазона дисперсности исходного сплава) давлением азота является 0,5-10,0 МПа.
При изучении процесса азотирования при различных условиях, выяснилось, что продукт с лучшим сочетанием эксплуатационных свойств получается при горении смеси порошков исходного сплава различного состава. Так, при сжигании смеси порошков с низким и высоким содержанием кальция, продукт имел более высокую плотность, чем продукт, образовавшийся из порошка одного сорта соответствующего состава.
3
3
3
3
2
3
4
Исходный сплав на основе Ca-Si-Fe при выбранном соотношении компонентов имеет низкую плотность (примерно 2,5-3,5 г/см), образующиеся нитриды CaN (2,6 г/см) и SiN (3,2 г/см) также много легче жидкой стали, поэтому они наиболее эффективны при вдувании их в сталь в виде порошков, либо при использовании в виде порошковой проволоки. Однако часто возникает необходимость использования азотированного сплава в традиционном виде - в виде кусков различного размера. В предлагаемом изобретении проблему увеличения плотности азотсодержащего сплава удалось решить введением в исходную шихту порошков традиционных легирующих материалов, обычно используемых в сталеплавильном производстве и совместимых с конкретной маркой выплавляемой стали. Наилучшие результаты показали сплавы Al, Ti, V, Nb, Cr и Mn, введенные в смесь в количестве 10-50%. Образующийся при этом продукт может содержать от 0,1 до 40% указанных металлов. Оптимальное количество составляет - 0,5-10%.
2
Для более ясного представления сущности предлагаемого технического решения детально рассмотрим конкретную реализацию изобретения на примере азотирования сплава Ca-Si-Fe, содержащего 14,4% Са, 52,5% Si. Исходный сплав дополнительно содержит 8,8% Ti и примеси 0,06% С, 0,005% S, 0,02% Р, остальное Fe. Кусковой сплав в состоянии поставки (20-200 мм) измельчили в порошок с размером частиц менее 0,315 мм. Порошок засыпали в цилиндрический контейнер и поместили в установку высокого давления в атмосферу азота, создав давление газа 5,0 МПа. Чистота используемого азота - 99,0%. Кратковременной подачей (10-15 с) электроимпульса на зажигающее устройство нагреваем небольшую поверхность порошка (5-10 см) до 1200°С, инициируя начало реакции образования нитридов Са и Si, выделившееся при этом тепло экзотермической реакции разогревает прилегающий слой исходного сплава, инициируя реакцию нитридообразования и т.д. Таким образом, слой за слоем происходит насыщение сплава азотом до полного превращения всего порошка в азотсодержащий спек. Исследования с закалкой (досрочным прекращением процесса, путем резкого охлаждения при помощи быстрой замены азота на инертный аргон) показали, что в режиме послойного азотирования (т.е. послойного горения) поглощается 60-70% азота, остальные 40-30% - в режиме объемного догорания. В данном конкретном случае продукт содержал 19,4% азота. Если же процесс остановить сразу после окончания стадии послойного горения, то количество азота в продукте будет только 13,0%, т.е. 67% от содержания азота в конечном продукте. Продолжительность выдержки для объемного дореагирования составило 1,2 часа, давление азота - в пределах 3,0-2,0 МПа.
Другие примеры представлены в таблице.
Таблица
№№ п/п
Исходный материал
Состав исходных сплавов, вес.%
Размер частиц, менее мм
Давление и чистота азота, МПа/%
Температура зажиган-ия, °С
Давление и продолжи-тельность доазотирования, МПа/ч
Состав продукта, вес.%
Са
Si
Металлы II-VII групп
Са
Si
N
Металлы II-VII групп
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
1
Ca-Si-Ti-Fe
14,4
52,5
Ti 8,8
0,315
5,0/99,0
1200
3,0-2,0/1,2
11,6
42,4
19,4
Ti 7,1
2
Ca-Si-Al-Fe
18,5
40,0
Al 12,8
0,05
12,0/95,0
1400
10,0-8,0/1,0
14,0
30,2
24,4
Al 9,7
3
Ca-Si-Zr-Al-Fe
20,6
54,8
Zr 6,5
0,315
2,5/99,9
800
2,0-1,5/1,5
16,5
43,8
20,1
Zr 5,1
Al 3,6
Al 2,8
4
Ca-Si-Al-Fe - 80%
40,0
55,1
Al 0,1
0,20
1,0/99,0
1250
8,0-5,0/0,8
26,0
38,5
18,4
V 2,0
Si-V-Fe - 20%
-
15,4
V 12,2
2,50
Al 0,2
5
Ca-Si-Al-Fe - 50%
40,0
55,1
Аl 10,1
0,20
6,0/95,0
1100
4,0-3,0/0,1
18,1
26,7
11,0
Mn 38,9
Mn-Fe - 50%
-
4,1
Mn 86,2
0,40
Al 0,31
6
Ca-Si-Al-Fe - 50%
25,1
65,0
Al 0,51
0,10
15,0/95,0
1300
12,0-10,0/0,5
10,1
26,2
20,0
Cr 39,8
Cr - 50%
-
0,1
Cr 99,5
0,05
Al 0,20
7
Ca-Si-Al-Fe
26,4
57,1
Al 0,35
0,20
8,0/99,0
1300
7,0-5,0/0,5
20,4
44,2
22,6
Al 0,27
8
Ca-Si-Al-Fe - 50%
40,0
55,1
Al 0,1
0,05
10,0/99,5
1400
8,0-6,0/2,0
18,7
36,0
25,1
Al 0,31
Ca-Si-Al-Fe - 50%
10,0
41,1
Al 0,5
0,63
9
Ca-Si-Mg-Fe
20,4
49,4
Mg 6,2
0,20
2,0/99,9
1400
1,5-1,3/0,8
17,0
41,3
16,4
Mg 5,2
10
Ca-Si-Al-Fe - 50%
26,4
57,1
Al 0,35
0,125
0,1/95,0
900
0,1/2,0
11,6
26,2
12,1
Ti 30,1
Ti-Si-Fe - 50%
-
2,4
Ti 70,1
0,05
Al 0,2
11
Ca-Si-Al-Fe
40,0
55,1
Al 0,1
0,20
15,0/99,0
1200
12,0-10,0/1,2
28,4
39,1
29,0
Al 0,1
12
Ca-Si-Al-Fe
25,1
65,0
Al 6,5
0,05
2,5/99,0
1100
2,0-1,6/0,8
21,1
55,0
15,4
Al 5,5
13
Ca-Si-Nb-Al-Fe
17,9
46,3
Nb 10,6
0,16
7,0/99,9
1350
5,0-4,0/1,1
14/5
37,5
18,9
Nb 8,6
Al 9,4
Al 7.6
14
Ca-Si-Al-Fe
40,0
55,1
Al 0,1
0,315
4,0/99,0
1250
3,0-2,0/0,2
34,0
46,8
15,0
Al 0,1
15
Ca-Si-Mg-Fe - 30%
20,4
49,4
Mg 6, Ti 40,1
0,20
9,0/97,5
950
8,0-6,0/1.0
5.0
17,0
18,3
Mg 1,5, Ti 22,9, Al 2,6
Ti-Si-Fe - 70%
-
8,7
Al 4,5
0,05