Промышленное применение технологий самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для получения новых материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Промышленное применение технологий СВС для получения новых материалов

1. Производство высокоазотистой безникеливой экономнолегированной стали

Повышение требований к качеству и свойствам стали в энергетическом машиностроении, судостроении, нефтяной и газовой промышленности, медицине привело к использованию при выплавке стали в качестве легирующего элемента азота. Азот, присутствующий в стали в виде раствора внедрения, а не в форме нитридов, существенно сильнее, чем углерод, упрочняет сталь при одновременном повышении пластичности, повышает ее износостойкость и стойкость против коррозионного растрескивания. Введение в сталь азота позволяет заменить или уменьшить в ней содержание дорогих, дефицитных и экологически опасных аустенитообразующих легирующих элементов - никеля и марганца. Получение азота из атмосферы не требует разрушения поверхности и недр Земли.

Выплавку стали, легированную азотом, осуществляют в атмосфере газообразного азота с давлением более 1 атм. В качестве шихты используют термитную смесь порошков оксидов железа, хрома и марганца, нитридов или азотированных ферросплавов легирующих элементов и алюминия, взятых в соотношении, необходимом для получения стали заданного состава. При этом термитную смесь локально воспламеняют с обеспечением самопроизвольного горения шихты без внешних источников теплоты.

В качестве исходных материалов используются следующие порошковые материалы:

· - железная окалина с содержанием кислорода 29,05% (FeOx);

· - оксид хрома марки ОХМ-1 (Cr2O3);

· - первичный алюминий марки ПА-1 (Al);

· - нитрид хрома, содержащий 20,2% азота (CrN);

· - двуокись марганца чистая (MnO2).

Описание технологии

Окись железа FeOx преставляет собой прокатную окалину от низкоуглеродистых сталей, обожженную в окислительном пламени при температуре 880-900°С для приближения к составу Fe 2O3, наиболее богатому кислородом.

Нитрид хрома CrN получили обработкой технического хрома азотом высокого давления в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Исходные материалы сушат при температуре 200°С в течение 1-1,5 ч, взвешивают в соотношении, необходимом для получения стали заданного состава, и смешивают в смесителе. Готовую смесь загружают в плавильный тигель с небольшим уплотнением. После герметизации реактор наполняют газообразным азотом до давления 80 атм, перекрывают вентиль, соединяющий реактор с газовой системой, и поджигают шихту. Во время горения давление в реакторе монотонно увеличивается, достигая 95-100 атм. Стабилизация давления газа свидетельствует об окончании горения. Жидкий металл, образовавшийся в результате горения, после кратковременной выдержки выливается в изложницу. Время плавки составляляет 15-25 с. Вслед за металлом из плавильного тигля вытекает шлак, оставляя плавильный тигель свободным для следующей плавки. Выплавленные слитки имеют массу около 1,5 кг, удовлетворительное качество поверхности, полуоткрытую компактную усадочную раковину, расположенную в верхней части слитка

Состав шихты и выплавленной стали
Состав шихты, %	Состав стали, %
FeOx	Cr2O3	MnO2	Al	Fe	Cr	Mn	N	Al	С
64	10	2	22	87	12	1,5	0,69	0,05	0,06

Временные затраты на выплавку слитка
Операции	Время на операцию одной плавки
Просеивание порошков	1 час
Сушка порошков	2 часа
Перемешивание исходной шихты	0,5 часа
Загрузка реактора	0,3 час
Продувка азотом, гермитизация	0,3 час
Установка рабочего давления	0,3 час
Зажигание и плавка	0,002 час
Остывание реактора	1 час
Выгрузка и очистка реактора	0,3 час
Итого:	5,3 час

2. Производство ВАС внепечным СВС - методом

Если к нержавеющей стали марки 08Х18Н10, содержащей соответственно хрома -18% и никеля - 10% и, являющейся типичным образцом материала категории аустенитной стали, добавить, например, 0,9 масс.% азота (N), предел текучести такой насыщенной азотом нержавеющий стали превысит предел текучести нержавеющей стали марки 08Х18Н10 приблизительно в три раза.

Причем это не сопровождается снижением вязкости разрушения, антикоррозионная стойкость металла повышается, чувствительность к коррозионному разрушению заметно снижается.

Кроме того, поскольку азот является элементом стабилизации сверхтвердой аустенитной стали, им можно не только заменить дорогой никель, не ухудшив при этом показатели прочности и антикоррозионной стойкости, но и регулировать с его помощью процесс мартенситного преобразования, то есть допускать глубокую пластическую деформацию при холодной обработке металла давлением.

Такое влияние азота наблюдается и в хромомарганцевой аустенитной стали. Поэтому хромоникелевые и хромомарганцевые аустенитные стали с высоким содержанием азота привлекают большое внимание как перспективные материалы нового поколения.

Традиционные печные способы получения высокоазотистых сталей не позволяют получить концентрацию азота до 0,9%, так как плавка должна вестись при давлении азотной атмосферы порядка 100 Атм (кгс/кв. см.), что в сочетании с высокой температурой делает процесс опасным.

Таким образом требуются новые методы получения высокоазотистых сталей. Одним из перспективных способов является метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Метод заключается в следующем: исходную шихту в виде смеси порошков необходимого химического состава и процентного содержания, определяющих марку стали, закладывают в прочный реактор, рассчитанный на высокие давления и температуры.

Промышленная применимость

Аустенитные стали с высоким содержанием азота

Как отмечается ниже, сплавы разного химического состава со структурой аустенитной стали с высоким содержанием азота имеют общие свойства.

Они обладают высокой твердостью и прочностью, антикоррозионной стойкостью и антимагнитными свойствами. Кроме того, они не становятся существенно мягче при повышении температуры до 200 - 300°С, что наблюдается у стальных материалов мартенситного или ферритного типа, и они менее хрупки при низких температурах.

Важной особенностью является то, что стали с концентрацией азота приблизительно 0,9 масс.%, имеют твердость, приблизительно в четыре раза превышающую твердость мартенситной стали с высоким содержанием углерода, и в шесть раз большую прочность. А это значит, что линейные размеры изделия и его вес могут быть уменьшены в 4-6 раз (!).

Кроме того, в материале не наблюдается зависимости замедленного разрушения от прочности в отличие от стальных материалов, таких как мартенситы или ферриты.

Таким образом, нанокристаллические аустенитные стали с высоким содержанием азота, благодаря наличию вышеупомянутых особенностей могут найти широкий круг применения, например, при изготовление болтов с высокой степенью прочности при растягивании, пуленепробиваемых материалов, механических частей, деталей и инструментов и сверхтвердых деталей для высокотемпературных процессов, медицинских инструментов и инплантов, высокопрочных канатов.

Болты и гайки с высокой прочностью при растягивании и инструменты для механической фиксации

Как правило, мартенситные или ферритные стальные материалы часто используются для изготовления болтов высокой прочности и инструментов для механической фиксации, но если на такие материалы воздействует нагрузка свыше 70-80 кг/мм , они становятся восприимчивыми к замедленному разрушению даже при статической силе растягивания ниже предела текучести. По этой причине такие материалы не используются для производства болтов высокой прочности и материалов для механической фиксации, которые должны иметь предел текучести при растягивании выше 70-80 кг/мм^. Однако в предлагаемой даннымизобретением аустенитной стали с высоким содержанием азота благодаря высокой твердости и тому факту, что его структура состоит из аустенита, эффекта замедленного разрушения не наблюдается. Таким образом, благодаря наличию вышеописанных свойств предлагаемый нанокристаллический материал со структурой аустенитной стали может быть использован как для производства болтов высокой прочности и материалов для механической фиксации, так и деталей самолетов и автомобилей, что может значительно уменьшить их вес.

Пуленепробиваемые стальные листы и пуленепробиваемые жилеты

Как известно, вес пуленепробиваемого жилета для военнослужащих достигает 40-50 кг. Кроме того, этот жилет должен иметь чрезвычайно высокие эксплуатационные характеристики: предел прочности должен быть 250 кг/мм2 и удлинение 5-10%. Однако ни один из применяемых сегодня материалов такими свойствами не обладает.

Подшипники

Большинство стальных материалов, использующихся для изготовления подшипников, имеет относительно узкий температурный диапазон из-за нестабильности структуры мартенсита, из которого изготавливают фрикционные и несущие части. Однако аустенитная сталь, изготовленная в соответствии с данным изобретением, может использоваться в более широком температурном диапазоне (например, до температуры приблизительно 600°С), чем материалы, использовавшиеся раньше, благодаря отсутствию резкого падения прочности и твердости при высокотемпературном режиме.

Необходимо отметить что, когда аустенитную сталь с высоким содержанием азота используют для подвижных частей подшипников, количество-используемого материала может быть значительно уменьшено благодаря его прочности, при этом можно сэкономить не только используемый материал, но и энергию вследствие значительного снижения центробежной силы подвижных частей подшипников.

Зубчатые передачи

Стальные материалы, использующиеся для изготовления большинства зубчатых передач, должны удовлетворять противоречивым требованиям: обеспечивать износостойкость поверхности (поверхности головки зубца) и иметь внутреннюю прочность.

Поэтому для обеспечения дополнительной твердости необходима обработка поверхности, и приходится использовать сложные технологии, например цементацию поверхности головки зубца, упрочнение и отпуск. Поэтому такие материалы подвергают специальной обработке путем цементации поверхности инструмента, которая повышает прочность и твердость.

В тоже время предлагаемый прочный, сверхтвердый нанокристаллический материал со стуктурой аустенитной стали, изготовленный СВС-методом, может быть использован для этих целей без дополнительной специальной обработки.

Зубчатые передачи, изготовленные из нанокристаллической аустенитной стали, можно использовать в более широком температурном диапазоне по сравнению с обычными зубчатыми передачами, поверхности которых изготовлены из мартенсита.

Инструменты для горячей обработки и экструзии

Упрочненные и закаленные материалы часто используются для изготовления высокотемпературных режущих инструментов. Например, высокоскоростные режущие стальные инструменты на молибденовой основе имеют тенденцию становиться более мягкими при температуре выше 400°С вследствие того, что структура такого материала состоит из закаленной фазы мартенсита, которая становится нестабильной при повышенных температурах. Однако сталь с высоким содержанием азота можно с успехом использовать для производства инструментов горячей обработкой, так как ее структура имеет стабильную фазу.

Нанокристаллическую аустенитную сталь с высоким содержанием азота, полученную в соответствии с данным изобретением, можно также более эффективно использовать для инструментов экструзии, которые в процессе использования испытывают значительныет епловые нагрузки.

Медицинские и другие инструменты

В Европе и Америке использование аустенитной стали, такой как, например, хромоникелевая сталь SUS 304, в сфере, связанной с человеком, запрещено “вследствие возможных проблем из-за образования небольшого количества ионов никеля в процессе использования, которое может вызвать воспаление кожи. Поэтому из аустенитных сталей, не содержащих никель, привлекает внимание нержавеющая хромомарганцевая аустенитная сталь с высоким содержанием азота.

Предлагаемая данным изобретением нанокристаллическая хромомарганцевая аустенитная сталь обладает антимагнитными свойствами, имеет высокую твердость, прочность и улучшенные антикоррозионные качества, к тому же она нехрупкая даже при низких температурах благодаря тому, что ее основой является аустенитная фаза.

Такая хромомарганцевая аустенитная сталь благодаря вышеперечисленным свойствам может стать перспективным материалом для изготовления хирургических ножей, медицинских низкотемпературных инструментов, инструментов с острыми краями, например универсальных ножей и ножниц, инструментов типа сверл и т.п..

3. Производство ферритовых порошков

Ферриты представляют собой сложные оксиды - химические соединения оксида железа с оксидами других металлов, например, стронциевый феррит - гексаферрит стронция SrO6Fe2O3=SrFe12O19. Благодаря уникальному сочетанию магнитных, электрических, диэлектрических и других свойств ферриты находят широчайшее применение, прежде всего в электронике, радиотехнике и вычислительной технике.

Показатель	Технология СВС	Печная технология
Температура синтеза, 0С	до 1800	1000-1400
Производительность, усл. ед.	20-800	1
Затраты электроэнергии, кВтчас/кг	0,01	20-50
Время основной технологической операции, час	0,05-1,0	6-20
Стоимость сырья, усл. ед.	0,8-1,2	1
Затраты на производство (без стоимости сырья), усл. ед.	1	50-300
Производственные площади, усл. ед.	1	10-30
Себестоимость продукции, усл. ед.	1	1,5-3,0
Разброс электрофизических параметров, %	до 10	до 20

Основным промышленным методом производства ферритов является длительный и энергоемкий печной синтез.

СВС-технология позволяет получать ферриты, свойства которых соответствуют мировому уровню. Эта технология обладает целым рядом несомненных преимуществ и позволяет снизить себестоимость ферритовых изделий на основе СВС-порошков в 1,1-1,5 раза при одновременном снижении разброса электрофизических параметров изделий в 2-5 раз.

В настоящее время методом СВС получены практически все известные ферриты: никель-цинковые, марганцевые, иттриевые, кобальтовые, бариевые, стронциевые, магниевые, свинцовые и т.п.

Сравнение показателей СВС-технологии и технологии
печного синтеза ферритовых порошков

Свойства магнитомягких СВС-ферритов

Характеристика	100ММ	600НН	1000НТI	600НМ	2500НМ
Начальная магнитная проницаемость, мГн/м	100	600	1000	600	2500
Максимальная магнитная проницаемость, мГн/м	280	1600	-	2000	4800
Коэрцитивная сила, А/м	28,0	32,0	16,0	1,0	16,0
Температура Кюри, К	673	383	413	473	473
Удельное сопротивление, Омсм	107	106	105	103	102
Остаточная индукция, Тл	0,15	0,14	0,14	0,10	0,10

Свойства магнитотвердых СВС-ферритов

Характеристика	BaO-nFe2O3	6БИ260	7БИ215	7БИ300	24СА190
Магнитная индукция, Тл	0,19-0,39	0,19	0,2	0,2	0,37
Коэрцитивная сила по индукции, кА/м	120-200	125	130	135	185
Коэрцитивная сила по намагниченности, кА/м	160-300	240	215	300	190
Магнитная энергия, кДж/м3	6-28	6	7	7	24
Удельное сопротивление, Омсм	103-107	105	107	107	103
Кажущаяся плотность, г/см3	4,5-5	4,5-5	4,5-5	4,5-5	4,5-5
Температура Кюри, К	723	723	723	723	733

4. Производство сверхтвердых материалов (СТМ)

Один из возможных способов получения сверхтвердого материала на основе карбида бора включает: приготовление исходной слабо экзотермической смеси из бора и сажи в присутствии одного из металлов IV группы, преимущественно титана или циркония в количестве от 0,1 до 10 мас.%; прессование приготовленной смеси до относительной плотности, равной преимущественно 40-50%; размещение спрессованного образца в объеме сборной емкости, выполненной из спрессованной до относительной плотности 40-50%, из сильно экзотермической смеси титана с бором или сажей, взятых в эквимолярном соотношении; помещение сборки в герметичный реактор, воспламенение исходной смеси путем подачи импульса тока через вольфрамовую спираль на одну из поверхностей емкости и извлечение готового материала. При этом перед инициированием возможно вакуумирование реактора с содержимым, преимущественно в том случае, когда процесс проводят в атмосфере аргона, а сильно экзотермическую смесь для емкости прессуют в виде втулки или стакана.

Известно, что [книга "Высокотемпературные карбиды", под редакцией Г.В. Самсонова, Наукова Думка, 1975, с.165] высокая твердость и меньшая хрупкость сплавов В4С + MB2(М = Ti, Zr) по сравнению с карбидом бора обусловлена, во-первых, тем, что диборидная фаза (TiB2 или ZrB2) располагается по границам зерен основной фазы и изменяет энергетическое состояние межфазовой границы, что приводит к частичной релаксации механических напряжений. Во-вторых, частичная растворимость диборидной фазы в карбиде бора приводит к повышению в материале доли нелокализованных электронов, что обуславливает повышение прочности ковалентных связей, ответственных за высокую твердость В4С. Вместе с тем при переходе от титана к цирконию растворимость диборидной фазы в карбиде бора уменьшается, что несколько понижает твердость В4С с добавкой ZrB2. Поэтому в качестве СТМ был выбран материал В4С + МВ2(М = Ti, Zr). Поскольку получение карбида бора из элементов (в том числе в присутствии легирующих добавок) является слабо экзотермической реакцией, для синтеза СТМ использовали метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с использованием варианта СВС - "химическая печь", роль которой выполняет емкость, изготовленная из сильно экзотермической эквимолярной смеси Ti + 2 В или титана с сажей и которые инициируют слабо экзотермическую реакцию В + 4С в присутствии легирующей добавки.

Данный способ позволяет проводить синтез СТМ, обеспечивает компактность образца за счет спекания в процессе синтеза исходных порошков в плотную заготовку, например, в виде таблетки и повысить выход целевого продукта практически до 100%.

Марки использованных исходных порошков следующие:

· Титан марки ПТС или ПТМ по ТУ М-1-985-74;

· Бор аморфный коричневый по ТУ 6-08-374-77;

· Сажа ПМ-15ТС по ОСТ 38-1531-73;

· Цирконий марки ПЦрК -1.

Технология производства сводится к следующему ((варианты):

1. Готовят исходную слабо экзотермическую смесь из 200 г порошков В и С, взятых в мольном соотношении 1 : 4, добавляют в нее 0,1% порошка Ti (смесь 1), затем готовят 500 г сильно экзотермической смеси порошков Ti с крупностью частиц 100 мкм и В с исходной концентрацией, отвечающей образованию TiB2 (смесь 2). Обе смеси готовят смешением в спирте. Из смеси 1 на лабораторном прессе прессуют цилиндрические таблетки диаметром 7 мм, высотой 10 мм и относительной плотностью 0,5, т.е. 50% от относительной плотности. Из смеси 2 прессуют емкость в форме втулки с внешним диаметром 30 мм и внутренним диаметром < 7,2 мм, высотой 20 мм, а также две пробки диаметром 7 мм и высотой 5 мм, с относительной плотностью 0,5. Таблетку помещают во втулку и с обеих сторон закрывают пробками. Указанную сборку назовем СВС-заряд. СВС-заряд зажимают с торцов, используя для этого керамику на основе АI2О3 или MgO, стальные пластины и шпильки, помещают сборку в герметичный реактор. С торца втулки осуществляют воспламенение с помощью вольфрамовой спирали, подведенной к ее поверхности. Время горения ~ 0,5 с. После 30 мин выдержки содержимое извлекают, пробку втулки открывают и извлекают полученный целевой СТМ. Загрязнения СТМ материалом втулки не наблюдается. По данным рентгенофазового анализа СТМ представляет собой В4С + ТiB2, содержащий TiB2 в количестве 0,1%. СТМ имеет микротвердость 6090 кгс/мм2 и выход 99% относительно исходных компонентов. Микротвердостъ полученного продукта при 1000oС имеет значение около 3000 кгс/мм2, что является значительно более высоким результатом по сравнению со значением этого показателя для прототипа (менее 1000 кгс/мм2). безникеливый сталь болт механический

2. Приготовленный, как описано в примере 1, заряд СВС, но добавку титана в исходной смеси берут в количестве 5%. Таблетки исходной смеси и втулки прессуют до относительной плотности 45%. СВС заряд помещают в герметичный стальной реактор емкостью 2,5 л, вакуумируют до 10-2 мм рт.ст. Затем реактор заполняют аргоном до 1 атм. С торца втулки осуществляют воспламенение с помощью вольфрамовой спирали, подведенной к ее поверхности. Время горения ~ 0,5 с. После 30 мин выдержки содержимое извлекают, пробку втулки открывают и извлекают полученный целевой СТМ. Загрязнения СТМ материалом втулки не наблюдается. По данным рентгенофазового анализа СТМ представляет собой В4С + TiB2, содержащий ТiB2 в количестве 5,0%. СТМ имеет микротвердость 7150 кгс/мм2 и выход 99% относительно исходных компонентов. Микротвердость полученного продукта при 1000oС имеет значение 3000 кгс/мм2 (для прототипа менее 1000 кгс/мм2).

3. Готовят исходную смесь в количестве 170 г из В и С, добавляя в нее 10% порошка Ti (смесь 1), затем 300 г смеси порошков Ti с крупностью частиц 100 мкм и В с исходной концентрацией, отвечающей образованию TiB2 (смесь 2). Смеси готовят смешением в спирте. Из смеси 1 на лабораторном прессе прессуют цилиндрические таблетки диаметром 7 мм, высотой 10 мм и относительной плотностью 40%. Из смеси 2 прессуют стакан внешним диаметром 30 мм и внутренним диаметром около 7,2 мм, высотой 20 мм и пробку диаметром 7 мм и высотой 5 мм, с относительной плотностью 0,4 (40%). Таблетку, стакан и пробку подвергают термовакуумной обработке с целью удаления адсорбированных примесей. После чего таблетку помещают в стакан, закрывают пробкой. Приготовленный, как описано выше, СВС заряд вакуумируют до 10-2 мм рт.ст. в стальном реакторе емкостью 2,5 л. Затем реактор заполняют аргоном до 1 атм. Воспламенение осуществляют с помощью вольфрамовой спирали, подведенной к поверхности стакана. Контроль за протеканием процесса осуществляют с помощью световода. Время горения ~ 1 с. После 60 мин выдержки в реакторе СТМ легко извлекается из втулки. Загрязнения СТМ материалом втулки не наблюдается.

По данным рентгенофазового анализа получен материал В4С + TiB2, содержащий TiB2 в количестве 9,6%. СТМ имеет микротвердостъ 6100 кгс/мм2, микротвердость полученного продукта при 1000oС имеет значение, близкое к 3000 кгс/мм2, при выходе СТМ 100%.

Все примеры сведены в таблицу.

Как видно из таблицы, наиболее высокими значениями микротвердости обладают составы, содержащие 5% добавки металла. Однако в связи со сравнительно высокой стоимостью порошка Zr ПЦрК-1 по сравнению с порошками Ti ПТМ и ПТС в качестве исходных компонентов преимущественно используют 4В + С + 5% Ti.

Данный СВСВ метод не требует сложного и дорогостоящего аппаратурного оформления, позволяет обеспечить условия, при которых достигается спекание продукта, обеспечивает экономию электроэнергии, времени, дополнительных ресурсов, обеспечивает достижение близкого к 100% выхода целевого продукта, допускает возможность утилизации материала разъемной емкости, т.е. диборида титана, карбида титана, а также позволяет варьировать геометрические размеры заготовки СТМ. При этом сверхтвердый материал имеет микротвердость 5040 - 7150 кгс/мм2, которая остается также высокой при температуре 1000єС, что позволяет использовать его как конструкционный высокотемпературный материал для изготовления керамической брони и в авиакосмической технике.

5. Производство огнеупоров

Целесообразность создания огнеупоров нового поколения обусловлена возрастающими требованиями потребителей, а также необходимостью улучшения условий службы огнеупоров. Эти огнеупоры должны обеспечивать также снижение энергетических затрат. Ресурсосбережение при производстве и применении огнеупоров достигается путем снижения энергетических, материальных и трудовых затрат.

Существенное повышение износоустойчивости огнеупорных футеровок тепловых агрегатов и качества конечной продукции имеет важное ресурсосберегающее значение и связано с переходом на бескислородные огнеупоры.

Это обусловлено тем, что оксидные огнеупоры, имеющие максимальную температуру плавления у оксида магния, равную 2825 єС, не полностью соответствуют возросшим требованиям к конечной продукции: стали, цветным металлам, цементам, покрытиям, нагревателям, химическим соединениям и др.

По сравнению с оксидными бескислородные соединения (карбиды, нитриды, бориды) имеют температуру плавления 3000 - 4000 єС, высокую шлако- и металлоустойчивость, высокотемпературную механическую прочность и термостойкость. Заслуживает внимания новый тип огнеупоров - титановые огнеупоры, сырьевыми материалами для которых являются лейкоксен, тусин и карбид кремния.

Такие огнеупоры имеют высокую механическую прочность. В основе производства бескислородных, а также оксидно-бескислородных огнеупоров лежат антиоксидантные процессы - предотвращение взаимодействия кислорода с бескислородными соединениями. При нагревании огнеупоров в процессе их обжига и службы происходит взаимодействие кислорода шлаков, металла и возгонов с бескислородными соединениями огнеупоров, что приводит к разрыхлению огнеупоров и резкому уменьшению их износоустойчивости.

Интенсивность окисления бескислородных соединений является основным показателем, определяющим качество огнеупоров, а ее оценка - важным фактором для повышения износоустойчивости огнеупоров.

Предотвращение окисления бескислородных огнеупоров достигается следующими методами: - химическим - применением в наименьшей степени окисляющихся бескислородных соединений, ингибирующих химических связок, комплексных антиоксидантов, препятствующих окислению соединений, металлов; - структурным - формированием плотной структуры бескислородных огнеупоров, препятствующей проникновению кислорода; - физическим (пассивацией) - нанесением на огнеупоры защитных покрытий; - термическим - максимально быстрым нагревом огнеупоров до высоких температур службы, при котором кислород не успевает полностью окислить бескислородные соединения.

При этом на поверхности огнеупоров образуется тонкая защитная пленка оксидов; - атмосферным - обжигом бескислородных соединений в восстановительной, азотсодержащей среде или в среде нейтральных газов, т. е. в атмосфере, не содержащей кислород. Выбор рационального метода предотвращения окисления или их сочетание определяются конкретными требованиями к качеству бескислородных соединений.

Технология производства бескислородных огнеупоров предусматривает спекание порошков, формирование из них безобжиговых (бетонных) или обожженных изделий. Для получения бескислородных соединений и обжига изделий используются тоннельные, камерные и колпаковые печи с температурами 1300 - 1800 оС. Например, на подинах вагонеток тоннельных печей выкладывают из огнеупоров тигли, засыпают их синтезируемым материалом, сверху - коксиком, закрывают их огнеупорами и обжигают. В этих же тиглях обжигают бескислородные изделия.

В промышленных печах Таммана карботермическим способом в азотсодержащей среде получают бескислородные соединения при температуре 1700 - 1800 оС. В этих же печах обжигают бескислородные изделия с обязательным дожиганием отходящих газов. В печах графитации, в засыпках, обжигают бескислородные соединения и изделия при температуре 2500 єС с обязательным дожиганием отходящих газов. Например, в этих печах обжигают электроды, углеродистые блоки и другие бескислородные огнеупоры.

Из полученных бескислородных порошков с добавкой 20 % пека формуют изделия и обжигают или вырезают из полученных заготовок изделия необходимого размера.

Карботермический способ производства бескислородных огнеупоров более экономичен по сравнению с плавлеными порошками, а их обжиг при температуре 2500 оС в печах графитации позволяет получать качественно новую структуру экологически чистых изделий. Производство магнезиальных огнеупоров.

Из всех видов огнеупоров на производство магнезиальных изделий требуется наибольшее количество топлива - 0,5 - 0,6 т/т изделий. Поэтому сокращение расхода топлива при производстве магнезиальных огнеупоров имеет важное народно-хозяйственное значение.

Разработка технологии изготовления магнезиальных огнеупоров на основе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-технология) решает эту задачу.

Сущность этой технологии заключается в использовании внутренней теплоты, выделяемой при происхождении алюмотермических процессов. Материалы, изготовленные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, превосходят по качеству материалы печного синтеза вследствие воздействия высокой температуры, полноты реакций и интенсивной самоочистки в процессе горения.

Этим методом получают различные порошки, пасты, мертели, нагреватели с высокой термостойкостью, прокатные валки, торкрет-массы и огнеупоры. При этом процесс наиболее целесообразен при использовании экзотермических связок.

Для магнезиальных огнеупоров, изготовленных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, наиболее целесообразно использовать алюмотермические процессы. Для инициирования таких процессов используют различные источники тепла: раскаленную нихромовую спираль с запальной засыпкой из смеси пероксида бария и алюминия, термитные добавки, предварительный нагрев шихты до 600 оС, железотермитные осадители, экзотермические ферросплавы (высокоуглеродистые феррохром, ферромарганец, феррониобий и др.).

Технология изготовления огнеупоров по такой технологии подразделяется на получение порошков и изделий. Изготовление порошков заключается в смешении исходных сухих порошкообразных материалов различного состава: - огнеупорных порошков - сырых (магнезита, доломита, известняка, дунита и др.) или обожженных (периклазового, периклазоизвесткового, известковопериклазового, известкового, форстеритового порошков и др.); - металлических порошков: алюминиевого вторичного порошка, алюминиевых сплавов, ферросплавов, кремния и др.; - окислителей - тонкомолотой окалины, железной руды, различных химических соединений и др.; - горючих порошков - углерода, графита, коксика и др.

В тоннельных печах смеси порошков нагревают до температуры начала самораспространяющихся реакций - 600 єС, выше которой в смеси начинает происходить синтез с достижением температуры более 2000 єС, распространяющийся со скоростью 5 - 150 мм . сек-1. Затем порошки медленно охлаждают для снятия термических напряжений. Полученные порошки используют в виде самостоятельной продукции или для производства мертелей, порошков, масс и изделий. Технология изготовления изделий методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза заключается в прессовании смесей огнеупорных порошков, обжиге изделий в тоннельных печах при температуре 500 - 600 єС с получением теплоизоляционных огнеупоров. Уменьшение пористости изделий достигается повышением дисперсности исходных порошков, пропиткой полученных изделий или их горячим прессованием.

Кроме прессованных изделий, этот метод позволяет получать крупные фасонные блоки. Практическое значение имеет получение литых огнеупоров методами металлотермии. Полученные литые огнеупоры обладают высокими свойствами. Так, полученный термитокорунд имеет температуру начала деформации под нагрузкой более 1800 єС. Применение для изготовления огнеупоров метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза позволило повысить стойкость чайниковых чугуноразливочных ковшей в 2 - 3 раза и порога вращающейся печи в 6 раз.

Наиболее доступными металлами для экзотермических магнезиальных смесей являются алюминий, магний, кремний, титан, обладающие высокой теплотворной способностью. Так, для высокотемпературного торкретирования целесообразно плакирование слоем расплавленного металла зерен периклазовых порошков и боя магнезиальных изделий фракции менее 1 мм.

Описываемая технология производства магнезиальных огнеупоров по сравнению с существующей имеет следующие преимущества: - полное исключение сушки и существенное сокращение температуры обжига изделий; - резкое сокращение продолжительности производства изделий; - высококачественное формирование структуры и состава магнезиальных изделий вследствие высокой температуры алюмотермических процессов - 2400 єС.

При этой температуре резко ускоряется синтез соединений, например, алюмомагниевой шпинели (температура ее плавления - 2135 єС), которая в этих изделиях представлена как бы в плавленом виде; - существенное повышение качества магнезиальных изделий вследствие формирования связующей части изделий при высокой температуре; - технология позволяет решить задачу использования периклазовых порошков с повышенным содержанием оксида кальция, периклазоизвестковых и известковопериклазовых порошков для производства изделий, что имеет особо важное значение; - технология является экологически чистой; - организация производства магнезиальных огнеупоров по этой технологии не требует значительных капитальных затрат, может быть организована на существующем оборудовании любого огнеупорного завода; - технология позволяет производить периклазошпинельные, периклазоизвестковые, известковопериклазовые, периклазофорстеритовые и форстеритовые изделия для футеровки конвертеров, электросталеплавильных печей, сталеразливочного комплекса, вращающихся печей и печей цветной металлургии.

Таким образом применение для производства магнезиальных огнеупоров метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза позволяет резко сократить расход топлива, использовать магнезиальноизвестковые порошки для производства изделий и организовать производство теплоизоляционных изделий широкого спектра применения.

Главным направлением развития магнезиальных огнеупоров за рубежом является увеличение производства и повышение качества безобжиговых (на химических связках) и обожженных периклазоизвестковых и известковопериклазовых огнеупоров. Самое крупное месторождение магнезита в мире находится в Китае, в провинции Ляонинг. Оно имеет протяженность 200 км и запасы в 30 млрд. т. Китай занимает 1-е место в мире по добыче сырого магнезита и производству магнезиальных огнеупоров. Доля магнезиальных огнеупоров в Китае составляет 10 - 15 % от общего объема производства огнеупоров.

Китайские бокситы используют для производства высокоглиноземных и магнезиальношпинельных огнеупоров. Характерной особенностью черной металлургии Японии, наряду с прочими, являются низкие удельные расходы огнеупоров. Например, расход магнезиальных огнеупоров составляет для конвертеров 1,57 - 1,76 кг . т-1 стали, сталеразливочных ковшей - 2,34 - 2,69 кг . т-1.

Для сравнения: в нашей стране удельный расход магнезиальных огнеупоров для конвертеров составляет 11,9 кг . т-1, для ковшей - 12,19 кг . т-1. Для футеровки конвертеров и шлаковых зон сталеразливочных ковшей используют преимущественно периклазоуглеродистые изделия. В цементной промышленности широко применяют периклазошпинельные изделия вместо периклазохромитовых. При этом предпочтение отдают периклазоуглеродистым, периклазошпинельным и периклазоциркониевым огнеупорам.

Крупнейшая в Великобритании фирма Hepworth Refractories Ltd выпускает все виды огнеупоров для производства стали, цемента, извести и стекла в г. Уорксон. Вторая по величине фирма Steetly Refractories Ltd имеет два завода мощностью 120 тыс. т, выпускает высококачественные огнеупоры, в том числе известковопериклазовые. За последнее десятилетие за рубежом наметилась тенденция изменения номенклатуры выпускаемой продукции магнезиального состава. Увеличивается доля периклазоуглеродистых, периклазошпинельных и известковопериклазовых огнеупоров. Вместе с тем сокращается производство периклазохромитовых огнеупоров ввиду отрицательного воздействия их на здоровье человека и окружающую среду. Изменение спроса на рынке огнеупоров определяет динамику развития фирм. Так, для выпуска высококачественной продукции требуется более чистое сырье, в связи с этим фирмы вкладывают средства в развитие сырьевой базы.

Кроме того, крупные фирмы создают совместные предприятия для освоения новых видов продукции. Существующий уровень развития отечественных огнеупоров не соответствует возрастающим требованиям потребителей, что подтверждается увеличивающимся импортом огнеупоров.

6. Производство высокоазотистой лигатуры

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) или синтез горением обычно используется для получения тугоплавких неорганических соединений путем сжигания смеси порошков 2-3 металлов и/или неметаллов в инертной или реагирующей атмосфере с давлением до 150 Атм.

Для того, чтобы применить на практике в производстве легирующих материалов наиболее выгодные стороны СВС-технологии (отсутствие затрат электроэнергии, экстремальные режимы по давлению и температуре, возможность получения продуктов с новым сочетанием свойств и т.д.), сделав её экономически выгодной, предлагается новый вариант реализации СВ-синтеза: использование в качестве шихтовых материалов порошков различных сплавов.

Горение в таких системах происходит не в результате реакций прямого синтеза из отдельных элементов, а путем обменных экзотермических реакций в бескислородных металлических системах.

Результатом использование новой схемы СВС-реакции является создание нового класса легирующих материалов, имеющих композиционную структуру и обладающих уникальным сочетанием технологических свойств. Новые свойства синтезируемых композиций являются следствием качественного изменения термодинамики и кинетики СВС-процесса, закономерностей в механизме фазо- и структурообразования продуктов.

Азотированный феррованадий

Азотированный феррованадий (нитрид феррованадия) представляет собой высокоплотный композиционный легирующий сплав на основе нитрида ванадия и железа.

Азотированный феррованадий используется для совместного легирования сталей азотом и ванадием. Сплав нашел широкое применение для выплавки различных азотсодержащих сталей: низколегированной (HSLA), рельсовой, быстрорежущей и других.

Получают азотированный феррованадий марки в высокотемпературной установке насыщением порошка феррованадия азотом при высоком давлении и температуре.

Выбором исходного сырья и условий азотирования получают либо плотный материал с максимальной плотностью 6,0 - 6,5 г/см3, либо спеченную композицию с наибольшим содержанием азота (15-17 % N).

В первом случае азотируется стандартный силикотермический феррованадий с 40-50 % V. Сплав, образующийся при этом, наиболее эффективен при использовании в кусковом виде. Его азотированный феррованадий можно задавать как печь, так и в ковш при выпуске плавки. Высокая плотность сплава в сочетании с композиционной структурой обеспечивает высокое и стабильное усвоение азота расплавом.

Для получения азотированного феррованадия с максимальным содержанием азота используется стандартный высокопроцентный феррованадий с 75-85 % V. В результате азотирования в режиме горения получают спеченную композицию, которая, будучи измельченной в порошок, служит наполнителем порошковой проволоки. Такая проволока используется для корректировки состава стали при её внепечной обработке.

Азотированный феррохром / азотированный хром

Азотированный хром и азотированный феррохромпредставляют собой композиционные материалы на основе мононитрида хрома (СrN). Эти материалы применяются в производстве сварочных и наплавочных электродов, плёночных электронагревателей, но наиболее широкое применение получили для выплавки хромсодержащих сталей, легированных азотом.

Легирование стали нитридами хрома или феррохрома (азотированным хромом или азотированным феррохромом) позволяет заменить часть никеля в аустенитных нержавеющих сталях.

Азот стабилизирует аустенит и, растворяясь в нём, упрочняет матрицу. Дополнительное повышение прочности азотсодержащего металла происходит за счет механизма дисперсионного упрочнения, при этом в результате измельчения зерна увеличивается его пластичность.

В настоящее время азотное легирование широко используется в производстве стали самого широкого назначения. Большую номенклатуру во всем мире имеют нержавеющие азотсодержащие стали. Часть этих сталей производится по национальным стандартам (например, стали серии 200 и 304N, 316N по AISI и др.) либо, чаще всего под торговыми марками фирм-изготовителей.

В России азотсодержащие нержавеющие стали производятся по ГОСТ 5632-72 (марки 10Х14АГ5, 12Х17Г9АН4, 07Х21Г7АН5 и др.). В номенклатуре заводов количество освоенных составов азотсодержащих сталей много больше. Содержание азота в них обычно составляет 0,15-0,25 %, в некоторых марках концентрация азота может достигать 0,6 %.

Получают хром азотированный и феррохром азотированный в высокотемпературной установке путём насыщения порошка хрома/феррохрома азотом при высоком давлении и температуре. Плотность продукта зависит от состава шихты и условий синтеза и может изменяться в пределах 4,5-6 г/см3.

Традиционные способы получения азотированного феррохрома (ФХН400, ФХН600 ГОСТ 4757-91) и азотированного хрома сопряжены с большими расходами электроэнергии, длительной многостадийной обработкой и получением продукта с низкой концентрацией азота.

СВС-технология позволяет получать продукт с рекордным содержанием азота (до 21 % в хроме и до 12 % в феррохроме), кроме того, он имеет композиционную структуру, которая обеспечивает быстрое растворение в стальном расплаве и высокое усвоение.

Азотированный ферросилиций

Легирующий материал азотированный ферросилиций представляет собой композиционный материал на основе нитрида кремния со связующим сплавом, состоящим из железа и его силицидов.

Предназначен для легирования азотом сталей широкого сортамента сталей (трансформаторной, низколегированной, рельсовой и других).

СВС азотированный ферросилиций отличается от традиционного "печного" азотированного ферросилиция чистотой по кислородным неметаллическим включениям и особой композиционной структурой, которая обеспечивает быстрое растворение лигатуры в стальном расплаве и стабильное усвоение азота.

В специальной установке насыщением порошка ферросилиция азотом в самоподдерживающемся режиме горения при высоком давлении и температуре 1800-2200 єC.

Полученный продукт дробится с получением материала требуемой фракции. Плотность продукта зависит от состава шихты и условий синтеза и изменяется в пределах 1,2-3,0 г/см3.

Так как температура горения при азотировании ферросилиция значительно выше температуры плавления железа и его силицидов, то образующийся расплав способствует образованию плотных, хорошо сцепленных брикетов, обладающих высокой прочностью.

Азотированный ферросилиций используют либо в кусковом виде, либо в виде наполнителя для порошковой проволоки. Для кускового легирования материал получают с более высокой плотностью и прочностью.

Азотированные марганец ( ферромарганец)

Азотированный марганец и его сплавы широко используются при производстве различных азотсодержащих марок сталей.

В коррозионостойкие стали аустенитного класса азот вводится как заменитель никеля, и его содержание в них достигает 0,5-0,6 %.

Разработаны конструкционные низколегированные марганцовистые стали с карбонитридным упрочнением (например, 16Г2АФ), обладающие высокими прочностью и пластичностью.

Применение таких сталей в строительных конструкциях взамен обычных углеродистых сталей позволяют экономить до 30 % металла.

Азотированный марганец (ферромарганец, силикомарганец) широко применяется при выплавке высокопрочных низколегированных сталей (HSLA).

Добавка к низколегированной марганцовистой стали марганца в сочетании с азотом резко увеличивает хладостойкость стали, что делает ее пригодной для работы конструкций в условиях Крайнего севера и Сибири.

Для обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте в указанных регионах России используют рельсы низкотемпературной надежности, отличающиеся от обычных ударной вязкостью не менее 0,25 МДж/м2при -60 oC. Такие стали наряду с высоким содержанием марганца, имеют повышенное содержание ванадия 0,05-0,15 % и азота 0,008-0,020%.

Главными положительными отличиями СВС-метода от печных технологий являются минимальные затраты электроэнергии, отсутствие отходов производства, а так же получение готового продукта с высоким содержанием азота и чистого по примесям.

Азотированный марганец (ферромарганец, силикомарганец) могут изготавливаться в кусковом виде (фракции 20-100 мм, 50-200 мм и др.), в виде порошка (0-2 мм, 0-0,315 мм) и в составе порошковой проволоки.

Размещено на Allbest.ru