![](https://expert-mik.ru/wp-content/themes/24author/assets/img/work/work-img.png)
Разработка технологии получения железоалюминиевых сплавов : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.16.02
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………………………. 4
1 АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ И ПАТЕНТНЫХ ДАННЫХ О
СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЯХ ВЫПЛАВКИ
ЖЕЛЕЗОАЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ………………………………………………….. 13
2 РАЗРАБОТКА ОСНОВ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО
ЧУГУНА………………………………………………………………………………………………….. 31
2.1. Термодинамический анализ фазового состава системы Fe-Al-C при
различных температурах и выбор оптимального состава
алюминиевого чугуна ……………………………………………………………………….. 31
2.2. Связь структуры железоалюминиевой лигатуры для алюминиевого
чугуна со скоростью её охлаждения ………………………………………………….. 34
2.3. Влияние быстроохлажденной железоалюминиевой лигатуры на
структуру алюминиевого чугуна ……………………………………………………….. 38
2.4. Описание предлагаемой технологии получения алюминиевого
чугуна ………………………………………………………………………………………………. 49
2.5. Пример выплавки алюминиевого чугуна по разработанной
технологии ……………………………………………………………………………………….. 52
2.6. Выводыковторойглаве…………………………………………………………………….54
3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОГО КОНСТРУКЦИОННОГО ЖАРОСТОЙКОГО ЖЕЛЕЗОАЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА …………………………………………………………………………………………………. 56
3.1. Выбор оптимального содержания алюминия в железоалюминиевом
сплаве для получения твердого металла с мелкодисперсной
структурой и оптимальными служебными свойствами ………………………. 57
3.2. Обоснование выбора основного плавильного агрегата ………………………. 61
3.3. Разработка и выбор рационального состава шлака при выплавке
железоалюминиевых сплавов ……………………………………………………………. 64
3.4. Оценка влияния введения различных модифицирующих добавок на
2
структуру и служебные свойства низкоуглеродистого жаростойкого железоалюминиевого сплава …………………………………………………………….. 73
3.5. Определение жаростойкости низкоуглеродистых конструкционных железоалюминиевых сплавов ……………………………………………………………. 80
3.6. Описание предлагаемой технологии………………………………………………….. 86
3.7. Выводыктретьейглаве……………………………………………………………………..87
4 ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ………………………………………………………………………………………… 89
4.1. Опытно-промышленные испытания технологии получения
жаростойкого алюминиевого чугуна …………………………………………………. 89
4.2. Опытно-промышленные испытания технологии получения
жаростойкого низкоуглеродистого конструкционного
железоалюминиевого сплава …………………………………………………………….. 92
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………… 97 ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ………………………………………… 100 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………………………………….. 102 ПРИЛОЖЕНИЕ А – Методики исследований, приборы, оборудование и материалы……………………………………………………………………………………………………. 114 ПРИЛОЖЕНИЕ Б – Примеры термодинамического расчета программой «HSC-6.1» в системе Fe-Al-C ……………………………………………………………………….. 127 ПРИЛОЖЕНИЕ В – Патент РФ No 2590772 С1 «Способ получения
алюминиевого чугуна» ………………………………………………………………………………… 133 ПРИЛОЖЕНИЕ Г – Акт опытно-промышленных испытаний технологии
выплавки алюминиевого чугуна………………………………………………………………….. 135 ПРИЛОЖЕНИЕ Д – Акт опытно-промышленных испытаний технологии выплавки низкоуглеродистого железоалюминиевого жаростойкого сплава ….. 137
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.
![](https://expert-mik.ru/wp-content/themes/24author/assets/img/signup-document.png)
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!