Разработка технологии получения железоалюминиевых сплавов : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.16.02

Жаростойкие стали в промышленности имеют очень широкую сферу применения. Все конструкции, трубопроводы, узлы и дета- ли машин, работающие в условиях агрессивных сред, а также высоких темпера- тур, изготовляются именно из такого типа сталей. За последние годы в производ- стве специальных жаростойких сталей и чугунов достигнуты значительные успе- хи, но сплавы, обладающие высокой жаростойкостью, содержащие в своем соста- ве дорогостоящие легирующие элементы, по-прежнему дефицитны. По этой при- чине не всегда экономически рационально использование дорогостоящих жаро- стойких материалов в промышленности для изготовления ненагруженных или малонагруженных изделий. Металлургическим предприятиям нужна эффективная технология выплавки таких сплавов.
Но, к сожалению, в России в период с 2010 по 2016 годы производство не- ржавеющей стали снизилось в 1,2 раза (с 94, 1 до 78 тыс. тонн). Это падение ниже уровня ее производства в 1990 году почти в 10 раз (810 тыс. тонн).
Анализ причин такого резкого спада выпуска жаростойких сталей показыва- ет, что дело не только в падении спроса. Дело в том, что производство данного сортамента сталей столкнулось с проблемой дефицита таких дорогостоящих ле- гирующих элементов, как хром и никель, которые вводятся в их состав в количе- стве 20-40 % и потребность в хроме и никеле при производстве таких сталей до- статочно велика.
Так сложилось, что единственным производителем хромовой руды в СССР был Донской ГОК в Казахстане (и еще небольшое Сарановское месторождение в Пермском крае). После распада СССР из-за недопоставок хромовой руды резко снизили производство феррохрома ОАО Челябинский электрометаллургический комбинат «ЧЭМК» и ОАО «Серовский завод ферросплавов». Далее по технологи- ческой цепочке снизилось производство нержавеющей и жаростойкой стали все- ми металлургическими заводами, а ПАО «Мечел» и АО «Златоустовский элек- трометаллургический завод» вообще перешли на выпуск рядового сортамента.
5
Проблема усугубляется тем, что рудные ресурсы, пригодные для промыш- ленной разработки в России ограничены. Так, разведанные месторождения хро- мовых руд в стране бедны и ферросплавным заводам приходится закупать сырье за рубежом. Это ставит производителей ферросплавов в зависимость от импорте- ров и уровня мировых цен на данный вид сырья. В результате ценовая составля- ющая без- и малоуглеродистого феррохрома в стоимости нержавеющей стали весьма значительна. Импорт хромовой руды из Албании, Судана и Турции про- блему ее дефицита не решает. Таким образом, проблема дефицита хрома перешла в разряд вопросов экономической безопасности страны, утверждает в своей рабо- те В.П. Чернобровин [1]. Производство никеля и содержащих его ферросплавов, хотя менее импортозависимо, но также довольно затратное.
Нужно отметить, что за последние годы в производстве жаростойких сталей и алюминиевых чугунов достигнуты значительные успехи, но сплавы, обладаю- щие высокой жаростойкостью, содержащие в своем составе, как правило, дорого- стоящие и дефицитные легирующие элементы, по-прежнему дефицитны. По этой причине не всегда экономически рационально широкое использование этих мате- риалов в промышленности. В настоящее время большое внимание уделяется чу- гунам и сталям, легированным недефицитным и недорогим алюминием, т.к. они обладают наряду с хорошими технологическими свойствами высокой жаростой- костью в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью в различных агрессив- ных средах, меньшим удельным весом, а также целым рядом других высоких фи- зических свойств.
В соответствии с ГОСТ 5632-2014 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные» к группе жаростойких (ока- линостойких) отнесены стали и сплавы, которые обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в агрессивных газовых средах при темпе- ратурах выше 550 °С и работают в ненагруженном или слабонагруженном состо- янии. К сталям и сплавам этой группы предъявляют достаточно сложный ком- плекс требований, включающий наряду с высоким сопротивлением газовой кор- розии, хорошую технологичность в металлургическом переделе (изготовление

6
листов). Требуется также определенный уровень жаропрочности, поскольку в от- личие от сплавов сопротивления, используемых для электронагревателей и также обладающих высоким сопротивлением окислению, жаростойкие конструкцион- ные стали и сплавы в процессе эксплуатации обычно испытывают воздействие механических напряжений, хотя бы от собственной массы детали (например, де- тали печных конструкций).
Жаростойкость материалов измеряется изменением массы образца за опре- деленный отрезок времени при определенных условиях испытаний и выражается величиной изменения массы за данный отрезок времени. Чем меньше эти величи- ны, тем выше жаростойкость. Известно, что основным элементом, определяющим уровень жаростойкости сталей и сплавов, является хром, образующий защитную пленку, состоящую из Cr2O3 или шпинели NiO·Cr2O3 или более сложного состава типа (Fe,Ni)O·(Cr,Fe)2O3. Т.к. хром определяет также и коррозионную стойкость сталей, в процессе развития качественной металлургии высоколегированных ста- лей показано, что целый ряд материалов обладает как коррозионной стойкостью, так и жаростойкостью. К таким материалам относятся жаростойкие стали типа 20Х23Н18, 20Х20Н14С2, 20Х25Н20С2, сплав ХН78Т и т.д. Поэтому четкую гра- ницу между коррозионностойкими и жаростойкими материалами провести нель- зя.
Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы, применяются в машинострое- нии, в энергетике, нефтехимической и химической, в т.ч. авиационной промыш- ленности. Эти материалы способны длительное время работать при высоких тем- пературах в сложнонапряженном состоянии при одновременном воздействии агрессивной внешней среды и сохранять свои физико-механические свойства. Области использования жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов в промыш- ленности очень разнообразны: сварные конструкции, муфели, деталей печного оборудования, экраны, газоходы, опоры, подвески и т.д. Сплавы на никелевой ос- нове из-за своей дороговизны могут быть рекомендованы к применению только для весьма ответственных назначений в авиационной и ракетно-космической тех- нике.

7
Как уже было сказано, сталь, обладающая высокой жаростойкостью и по- вышенными эксплуатационными свойствами, содержит в своем составе, как пра- вило, дорогостоящие и дефицитные легирующие элементы, такие как хром и ни- кель. Никель вводится для повышения стойкости металла с хромом к окислению при высокой температуре. Однако, повысить жаростойкость можно и с помощью недорого и недефицитного алюминия, который, образуя на поверхности сплава стойкую окисную пленку, также способствует повышению его жаростойкости.
Поскольку хром и никель являются дефицитными элементами, а никель еще и дорогостоящим, не всегда экономически рационально широкое использование этих материалов в промышленности для изготовления ненагруженных и слабо нагруженных изделий. По нашему мнению необходимо привлечь внимание к сплавам, легированным недефицитным и недорогим алюминием, которые по свойствам способны конкурировать, например, с широко распространенной хро- моникелевой сталью типа 20Х23Н18. Поэтому необходимо уделить внимание разработке технологии выплавки Fe-Al сплавов экономически более выгодным способом в открытой индукционной печи под слоем легкоплавкого жидкопо- движного шлака.
Для раскисления стали нашел применение ферроалюминий как сплав, спо- собствующий увеличению степени и стабильности полезного использования алюминия, что связано в основном с повышенной по сравнению с чушковым алюминием плотностью, обеспечивающей погружение сплава в объем металла. Но данный сплав может быть интересен и как конструкционный материал.
Степень разработанности темы работы. В настоящее время большое внимание уделяется чугунам и сталям, легированным недефицитным и недорогим алюминием, т.к. они обладают высокой жаростойкостью. Но простой и экономич- ной технологии их получения на сегодняшний день пока нет. Процесс совместно- го сплавления железа и алюминия для получения стабильного конечного сплава с высокими служебными свойствами технологически дорог, сложен и не стабилен из-за высокой активности алюминия. Большое значение имеет содержание в же- лезоалюминиевых сплавах углерода. Промышленности нужен экономичный, по-

8
лучаемый из недорогого недефицитного сырья железоалюминиевый конструкци- онный жаростойкий сплав, сопоставимый по своим служебным свойствам с хро- моникелевыми сталями. Такими материалами могут быть специальные конструк- ционные железоалюминиевые жаростойкие сплавы, полученные путем легирова- ния недефицитным алюминием. Разработка технологии получения недорогих жа- ростойких железоалюминиевых сплавов, обладающих высокими служебными свойствами, имеет, по нашему мнению, в настоящее время актуальное значение.
Целью работы является разработка технологии получения недорогих угле- родистых и низкоуглеродистых жаростойких железоалюминиевых сплавов, не со- держащих хром и никель и обладающих высокой жаростойкостью. В качестве шихты вместо хрома и никеля могли бы использоваться относительно недорогие лом алюминия, чугуна и низкоуглеродистой стали. Задачи, поставленные в соот- ветствии с целью:
– анализ литературных и патентных данных о существующих на сегодняш- ний день технологиях выплавки железоалюминиевых сплавов;
– проведение термодинамических расчетов и анализ температурной зави- симости изменения фазового состава в системе Fe-Al-C при содержании алюми- ния от 10,0 до 30,0 мас. % и углерода от 0,1 до 3,0 мас. %;
– исследование структуры железоалюминиевых сплавов (лигатур) и их связь со структурой и составом шихтовых материалов и технологическим режи- мом выплавки;
– определение жаростойкости низкоуглеродистого конструкционного же- лезоалюминиевого сплава в зависимости от вводимых в него модифицирующих элементов, а также его структуры;
– проведение опытно-промышленных испытаний разработанных техноло- гий.
Научная новизна работы состоит в следующем:
– показана зависимость конечной структуры железоалюминиевой лигату- ры, содержащей 30 мас. % Al, от скорости её охлаждения, анализ которой позво- лил подобрать лигатуру для алюминиевых чугунов;

9
– исследована и показана наследственная связь структуры вводимой быст- ро охлажденной легирующей добавки ФА-30 с гомогенностью структуры конеч- ного металла путем исследования кинематической вязкости его расплавов;
– получены новые данные о влиянии введения в низкоуглеродистый желе- зоалюминиевый расплав титана в пределах от 0,8 до 1,1 мас. % и циркония в пре- делах от 0,1до 0,2 мас. % на его жаростойкость, что позволило повысить жаро- стойкость конечного металла в сравнении с рядовой хромоникелевой жаростой- кой сталью 20Х23Н18 при выдержке 200 часов и при температуре 1000 °С в 2,5 раза (с 0,02 мг/см2·ч. до 0,006 мг/см2·ч.).
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что на основе исследования свойств и структур углеродистого и низкоуглеродистого железоалюминиевых жаростойких сплавов:
– разработана новая технология выплавки алюминиевого чугуна с улуч- шенными служебными свойствами, что подтверждено патентом РФ No 2590772 «Способ получения алюминиевого чугуна»;
– разработана новая технология выплавки железоалюминиевого сплава, об- ладающего повышенной жаростойкостью.
Разработанные технологии прошли опытно-промышленные испытания. Технологии опробованы в промышленном масштабе на чугунолитейном заводе ООО «Литейное производство УБМ» (г. В.Серьги) и сталелитейном заводе ООО НПП «Альфа-Мет» (г. Екатеринбург), что подтверждается соответствующими ак- тами.
Методология и методы исследований, оборудование и материалы приве- дены в приложении А.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Термодинамические расчеты температурных зависимостей фазового со- става системы Fe-Al-C от температуры при содержании алюминия от 10 до 30 мас. % и углерода от 0,1 до 3,0 мас. %, позволившие теоретически подобрать и обосновать рациональный состав сплавов системы Fe-Al.

10
2. Результаты металлографических исследований образцов Fe-Al сплавов, показывающие влияние различных факторов на их структурные составляющие.
3. Результаты исследований политерм кинематической вязкости расплавов чугуна, показавшие возможность получения однородного состояния жидкого ме- талла при высоких температурах.
4. Разработанные и испытанные в промышленных условиях технологии вы- плавки жаростойкого алюминиевого чугуна с улучшенными механическими свойствами и низкоуглеродистого жаростойкого конструкционного железоалю- миниевого сплава с повышенной жаростойкостью.
Степень достоверности полученных результатов подтверждается большим массивом экспериментальных данных о структуре и фазовом составе железоалю- миниевых сплавов, что позволяет сделать обоснованные выводы. Применение со- временных методов РСФА и РСМА, вискозиметрии, а также определение жаро- стойкости сплавов, послужили основой для разработки технологии получения жа- ростойких железоалюминиевых сплавов. Такие технологии уже опробованы в промышленном масштабе на металлургическом предприятии ООО «Литейное производство УБМ» (г. В.Серьги) и сталелитейном заводе ООО НПП «Альфа- Мет» (г. Екатеринбург), что подтверждается соответствующими актами.
Апробация результатов. Основные положения работы докладывались и обсуждались на:
– всероссийской московской конференции «Металл Экспо» (Москва, 2013 г.);
– совещании ЦКП «Урал-М» Института металлургии УрО РАН с элемен- тами школы молодых ученых (Екатеринбург, 2013 г.);
– научно-технической конференции, посвященной 110-летию со дня рож- дения К.К. Чуприна ФГУП ВИАМ «Современные литые жаропрочные и специ- альные сплавы, технологии их выплавки и литья монокристаллических рабочих лопаток ГТД» (Москва, 2014 г.);

11
– совещании Центра коллективного пользования «Урал-М» Института ме- таллургии УрО РАН «Рациональное природопользование и передовые технологии материалов» (Екатеринбург, 2014, 2015, 2016 г.г.);
– международном форуме «Крым Hi-Tech 2014. Современные технологии и материалы» (Севастополь, 2014 г.);
– XIV Российской конференции «Строение и свойства металлических шла- ковых расплавов» (Екатеринбург, 2015 г.);
– 74-й межрегиональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (Магнитогорск, 2016 г);
– V международной научной конференции, посвященной памяти Почетного профессора УПИ-УрФУ В.С. Кортова «Физика. Технологии. Инновации. ФТИ- 2018» (Екатеринбург, 2018 г.);
– V Дальневосточной научной конференции с международным участием «Фундаментальные и прикладные задачи механики деформируемого тела и про- грессивные технологии в машиностроении». ФГБОУ ВО «КнАГУ» (Комсо- мольск-на-Амуре, 2018 г.);
– научно-практической конференции с международным участием и элемен- тами школы молодых ученых «Перспективы развития металлургии и машино- строения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР: ФЕРРОСПЛАВЫ» (Екатеринбург, 2018).
Личный вклад автора состоит в том, что соискатель принимал непосред- ственное участие в анализе литературных и патентных данных о состоянии во- проса по заданной теме и постановке задач исследования. Участвовал в экспери- ментах по получению опытных данных по вязкости расплавленного металла и их обработке. Проводил лабораторные опыты по выплавке образцов и разработке основ новой технологии. Принимал участие в подготовке образцов для изучения их структуры и обработке результатов. Организовал и участвовал в проведении опытно-промышленных испытаний новой технологии. Участвовал в подготовке публикаций по работе и написании заявки на изобретение.

12
По результатам выполненной работы опубликовано 20 статей, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 статьи индексировано в базе данных Scopus, получен 1 патент РФ.
Диссертационная работа выполнена при поддержке РФФИ No11-08- 12078-офи-м «Разработка рационального состава и научных основ технологии производства многокомпонентных жаростойких железоалюминиевых сплавов» и в рамках государственного бюджетного задания по прикладным научным иссле- дованиям по теме No4А-А16-116021210142-7 «Структурные, физико-химические и механические свойства алюминиевых и медных сплавов и композитов конструк- ционного и электротехнического назначения». Раздел 5. «Исследование и разра- ботка технологии получения нового жаростойкого сплава с высоким содержанием алюминия для эксплуатации при повышенных температурах».
При выполнении работы также осуществлялась финансовая поддержка про- граммой ОХНМ РАН No2 «Создание новых металлических, керамических, стекло- , полимерных и композиционных материалов» проект No12-Т-3-1017 «Разработка научных основ технологии получения и выбор рациональных составов сплавов на основе железа».
Большая благодарность за помощь в выполнении работы сотрудникам ИМЕТ УрО РАН н.сотр. В.П. Ермаковой, вед.инж. В.Г. Смирновой, ст.н.сотр., к.т.н. И.В. Некрасову, ст.н.сотр., к.т.н. С.Ю. Мельчакову, ст.н.сотр., к.х.н. Л.А. Овчинниковой, техникам Ю.А. Потаповой и А.В. Зонову и ст.н.сотр. УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, к.т.н. В.В. Конашкову.