RU2395611C2 - Nitrogen containing alloy for steel alloying and procedure for its production - Google Patents
Nitrogen containing alloy for steel alloying and procedure for its production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2395611C2 RU2395611C2 RU2008116867/02A RU2008116867A RU2395611C2 RU 2395611 C2 RU2395611 C2 RU 2395611C2 RU 2008116867/02 A RU2008116867/02 A RU 2008116867/02A RU 2008116867 A RU2008116867 A RU 2008116867A RU 2395611 C2 RU2395611 C2 RU 2395611C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nitrogen
- calcium
- alloy
- powder
- silicon
- Prior art date
Links
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
- Hard Magnetic Materials (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сплавам для легирования стали, а именно касается азотсодержащего материала на основе кальция, кремния и железа.The invention relates to ferrous metallurgy, in particular to alloys for alloying steel, and in particular relates to a nitrogen-containing material based on calcium, silicon and iron.
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.Calcium is widely used in steelmaking as a highly effective deoxidizer. In addition, calcium is a good modifier. Improving the operational properties of the metal is achieved by a favorable change in the shape and type of oxide and sulfide inclusions.
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 (СаС2) и цианамид кальция (CaCN2+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.In both domestic and foreign steelmaking, the main material used to process the melt with calcium is silicocalcium, an alloy of calcium with silicon and iron. Less commonly used are calcium carbide (CaC 2 ) and calcium cyanamide (CaCN 2 + C). Calcium cyanamide is obtained by heating calcium carbide powder in a nitrogen atmosphere. The industrial product thus obtained is a mixture of carbon powder and calcium cyanamide itself, as well as a significant amount of calcium oxide. A known mixture for alloying steel, containing 20-80% calcium cyanamide, 10-60% fluorspar, 1-9% aluminum and titanium, the rest is cryolite (USSR Author's Certificate No. 1067073, C22C 35/00, publ. BI No. 2, 1984). The disadvantage of this mixture is that along with the introduction of nitrogen into the steel, the melt is saturated with the same amount of carbon.
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.A known method of producing calcium cyanamide with traditional ferroalloys, such as ferrotitanium, ferromanganese and others (German patent No. 1533257, C22C 35/00, publ. 22.06.72), in which a mixture of powders of 50-90% calcium carbide with 50-10% ferroalloys are heated in an electric furnace for a time sufficient to obtain calcium cyanamide. Along with the fact that the method allows to obtain alloying material with a high nitrogen content, it has a significant drawback due to the high energy consumption and the need for long exposure at high temperature. In addition, the product obtained in this way has a high carbon content.
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.According to the invention according to the copyright certificate of the USSR No. 1765234, C22C 35/00, publ. in BI No. 36, 1992, “Modifying mixture”. A mixture is proposed containing magnesium, graphite, titanium dioxide, vanadium pentoxide, calcium nitride and ferrosilicon. The proposed mixture provides improved quality cast iron castings, however, it cannot be used to introduce nitrogen into steel with a low carbon content. Despite the fact that nitrogen is represented in the mixture by carbon-free calcium nitride, it additionally contains a large amount of carbon (graphite). In addition, the presence of a mixture of poisonous vanadium pentoxide makes it extremely dangerous to use. The mixture is obtained by mixing powders of magnesium, ferrosilicon, vanadium pentoxide, titanium dioxide, calcium nitride and graphite, followed by packing the mixture. Closest to the achieved result to the claimed object is “Metal composition and method for its preparation” (German patent No. DE 3011962, CL. C22C 29/16, publ. 15.01.87, authors Ziatdinov M.Kh., Maksimov Yu.M. . and etc.). The prototype patent proposes highly nitrogen alloying alloys containing Al, Ti, Si, Zr, V, Nb, Cr, Mn and Fe. Nitrogen in the amount of 5-17% is presented in the form of metal nitrides of 3-7 groups of the periodic system. A method for producing such alloying compositions consists in nitriding the powders of the initial ferroalloys in the combustion mode under increased nitrogen pressure and is characterized by a low power consumption. The disadvantage of the prototype invention is that the metal composition does not simultaneously allow Ca and Si to be introduced with nitrogen without the introduction of metals of 3-7 groups, and the method does not provide a calcium-containing alloy with nitrogen.
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.The technical result of the invention is the creation of a new alloying material, the main components of which are calcium, silicon, nitrogen and iron, as well as a cheap and effective method for producing such an alloy.
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:The problem is solved in that a nitrogen-containing alloy is proposed for alloying steel, including calcium, silicon, nitrogen and iron, the components of which are taken in the following weight ratio:
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.%:A method is also proposed for producing said nitrogen-containing alloy for alloying steel, comprising grinding the starting material in the form of an alloy into powder and nitriding it in a combustion mode, in which an alloy or a mixture of several alloys containing calcium, silicon and iron is used as an alloy of the starting material, in the following their weight ratio, wt.%:
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.the alloy is crushed into a powder with a particle size of less than 2.5 mm, the powder is placed in a high-pressure unit in a nitrogen atmosphere containing at least 95.0 vol.% nitrogen at a pressure of 0.1-15.0 MPa, an exothermic reaction is formed calcium and silicon nitrides by local heating of the powder to the temperature of the start of the reaction in a layered combustion mode and maintain this temperature and pressure until the end of the reaction in a layered combustion mode, followed by nitriding in volumetric combustion mode at a pressure of 0.10-2.0 hours. The initial Ca-Si-Fe alloy may contain up to 5% of impurities (C, S, P, Al, etc.) due to the production technology.
При взаимодействии кальция с азотом образуется единственный нитрид Ca3N2, при этом выделяется большое количество тепла - 709 кал/г. В системе кремний - азот также происходит сильно экзотермическая реакция с образованием тугоплавкого нитрида кремния Si3N4 (тепловой эффект реакции 1280 кал/г). В тоже время нитриды железа (Fe2N, Fe4N) 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%.When calcium interacts with nitrogen, the only Ca 3 N 2 nitride is formed, and a large amount of heat is released - 709 cal / g. In the silicon - nitrogen system, a strongly exothermic reaction also occurs with the formation of a refractory silicon nitride Si 3 N 4 (the thermal effect of the reaction is 1280 cal / g). At the same time, iron nitrides (Fe 2 N, Fe 4 N) are formed without noticeable heat release: 20.6 and 3.8 cal / g, respectively. Thus, there are necessary conditions for organizing the process of nitrogen saturation of the Ca-Si-Fe system in a self-sustaining combustion process due to the heat of the exothermic reaction of the formation of calcium and silicon nitrides without the use of energy from external sources (electric furnaces of various types, plasmatrons, etc.). In this case, the amount of iron in the initial charge should be limited, not more than 40%.
Очевидным преимуществом использования системы Ca-Si-Fe в качестве основы для азотирования, с целью получения легирующих сплавов для стали, является то, что нитриды Ca3N2 и Si3N4 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.The obvious advantage of using the Ca-Si-Fe system as a base for nitriding, in order to obtain alloying alloys for steel, is that the nitrides Ca 3 N 2 and Si 3 N 4 contain the maximum amount of nitrogen - 18.9 and 39.9% respectively. Nitriding of silicon powders in the combustion mode is a well-studied process (see, for example, A.S. Mukasyan, V.M. Martynenko, A.G. Merzhanov et al. "On the mechanism and laws of combustion of silicon in nitrogen." Combustion physics and explosion, No. 5, 1986, p. 43-49). It turned out that without using preliminary heating of the initial silicon with an external heat source (i.e., an electric furnace), the combustion process can be carried out only at a nitrogen pressure of more than 12.0 MPa using a powder with a fineness of 0.01 mm.
Температура процесса составляла при этом около 2000°С, а степень превращения кремния в нитрид не превышала 40%.The process temperature was about 2000 ° C, and the degree of conversion of silicon to nitride did not exceed 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.Attempts to obtain calcium nitride by burning calcium in nitrogen have failed. The fact is that calcium metal is a chemically very active metal. The process of obtaining a powder or even granules of calcium, as well as all subsequent operations with it should be carried out with utmost care, excluding contact with oxygen. Therefore, the synthesis of calcium nitride is an extremely expensive and time-consuming process, which makes it economically disadvantageous to use it in steelmaking.
Осуществление азотирования сплавов Ca-Si-Fe в режиме горения является весьма привлекательным. "Излишняя" активность кальция в сплавах нейтрализована кремнием путем образования силицидов CaSi2 и CaSi.The nitriding of Ca-Si-Fe alloys in the combustion mode is very attractive. The "excess" activity of calcium in the alloys is neutralized by silicon by the formation of silicides CaSi 2 and CaSi.
Кроме того, эти силициды весьма хрупки, поэтому получение порошка необходимой дисперсности является сравнительно простой и недорогой технологической операцией.In addition, these silicides are very fragile, therefore, obtaining the required dispersion powder is a relatively simple and inexpensive technological operation.
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.However, the implementation of nitriding in the combustion mode in the system Ca-Si-Fe-nitrogen is not so obvious. First, calcium and silicon interact with nitrogen at various temperatures: the maximum rate of silicon nitride formation at 0.1 MPa of nitrogen occurs at 1350-1450 ° C, and the optimum temperature for the synthesis of calcium nitride is 450 ° C. Secondly, calcium and silicon in the alloy form relatively chemically inert silicides, the rate of interaction of which with nitrogen is much lower than the rate of interaction of metallic calcium and silicon with nitrogen. Thirdly, alloys based on calcium and silicon with a calcium content of up to 50% begin to melt already at 970–980 ° С; therefore, nitriding of the powder in the traditional way, when the entire volume is simultaneously heated, did not lead to success. Before the active saturation of the alloy with nitrogen begins, the processes of sintering and fusion of the powder mixture into a monolithic mass rapidly develop with a sharp slowdown in the absorption of nitrogen and its subsequent cessation.
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.The technical result of the invention is the creation of such a method for the production of a nitrogen-containing alloy for alloying steel, including calcium, silicon and iron, which would be distinguished by the absence of energy costs, minimum duration and would allow to obtain a material with a maximum nitrogen content, with complete absence of losses of raw materials during nitriding and exclusion harmful emissions into the environment. Another important result of the invention is the creation on the basis of a new method of such a cheap nitrogen-containing alloy, which, due to the high nitrogen content, would ensure the introduction of the right amount of nitrogen into the steel at its minimum consumption.
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.Usually, when nitriding metals and alloys by traditional methods, heat release during the formation of nitrides is considered an extremely undesirable phenomenon, leading to accelerated sintering of the powder mixture, melting of the pore space and, ultimately, premature termination of nitrogen absorption. Attempts to slow down the rate of heat release by reducing pressure, diluting the mixture with inert or refractory components, etc. ultimately led to an increase in the duration of the process, a decrease in the quality of the product and its cost.
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.The essence of the proposed technical solution can be summarized as follows: a nitrogen-containing alloy based on Ca-Si-Fe alloys with a maximum nitrogen content is proposed, which is obtained by burning the initial powder in nitrogen, and the combustion itself is realized due to the heat released during the formation of calcium and silicon nitrides. Thus, utilizing the seemingly harmful heat during nitriding, it is possible to obtain a new highly efficient alloying alloy that cannot be obtained by conventional methods.
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).It turned out to be a rather unexpected positive fact that by varying the parameters of the nitriding process (composition of the initial alloy, particle size of the powder, pressure and composition of the nitrogen-containing gas, ignition temperature and duration of the process), which proceeds in the layer-by-layer combustion mode, the associated adverse factors can be overcome (low the melting temperature of the initial alloy, a large difference in the temperatures of formation of calcium and silicon nitrides, the presence of chemically strong silicides in the initial alloy).
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.In the present invention, the starting material should contain a sufficient amount of calcium and silicon, responsible for heat during nitriding. Studies have shown that the minimum amount of calcium and silicon, at which a stable combustion process due to the exothermic reaction of nitride formation is possible, is 10% and 40%, respectively, while their total amount should be at least 60%. The use of powders containing more than 40% Ca and more than 65% Si, as well as powders containing the total amount of Ca and Si more than 99%, is impractical for economic reasons, as well as from the point of view of safety. Such powders are expensive, and during operation are easily flammable, despite the fact that they are easily nitrided in the combustion mode to obtain a product with a high nitrogen content. We also note that for the same reasons, a mixture of calcium, silicon, and iron powders is not used as the starting material.
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.The initial alloy of the selected optimal composition, in accordance with the proposed technical solution, should be crushed into a powder, the particle size of which should not exceed 2.5 mm, and this should be a polydisperse powder, in which, along with large particles, there should be a sufficient amount of fine fraction for ensure high heat dissipation rate. Moreover, in the process of studying the laws of combustion of the powder of the initial alloy in nitrogen, it was found that large powder is nitrided only at high nitrogen pressure and using a powder with the maximum amount of calcium. In order to realize nitrogen combustion in a wider range of component ratios in the initial charge, as well as to make the process possible at low nitrogen pressure, it is necessary to use a finer powder: less than 0.63 mm or even less than 0.20 mm. In cases where the initial alloy contains a minimal amount of calcium, or when the process is carried out at a low nitrogen pressure, it is necessary to use a particularly fine initial powder - less than 0.05 mm. In addition, the use of finer powder of the initial alloy becomes appropriate when it is mixed with a certain amount of less exothermic ferroalloy. Powder alloy Ca-Si-Fe burns in nitrogen in a very wide range of pressure changes. From a technical point of view, for the safe implementation of the process, combustion must be realized at a nitrogen pressure of 0.1 to 15.0 MPa. In this range, it is possible to carry out stable combustion of the powders of the initial alloy of all selected compositions and for any dispersion proposed in the application. At a lower nitrogen pressure, the combustion of most compounds does not occur, or becomes unstable. When using pressures above 15.0 MPa, difficulties arise associated with the operation of high-pressure equipment, while at the same time, a qualitative change in the properties of the resulting product does not occur. In addition, studies have shown that the optimal (for various compositions and for a wide range of dispersion of the initial alloy) nitrogen pressure is 0.5-10.0 MPa.
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.When studying the nitriding process under various conditions, it turned out that a product with the best combination of operational properties is obtained by burning a mixture of powders of the initial alloy of various compositions. So, when burning a mixture of powders with low and high calcium, the product had a higher density than the product formed from a powder of one grade of the appropriate composition.
Исходный сплав на основе Ca-Si-Fe при выбранном соотношении компонентов имеет низкую плотность (примерно 2,5-3,5 г/см3), образующиеся нитриды Ca3N2 (2,6 г/см3) и Si3N4 (3,2 г/см3) 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%.The initial alloy based on Ca-Si-Fe with a selected ratio of components has a low density (approximately 2.5-3.5 g / cm 3 ), the resulting nitrides Ca 3 N 2 (2.6 g / cm 3 ) and Si 3 N 4 (3.2 g / cm 3 ) is also much lighter than liquid steel, so they are most effective when they are blown into steel in the form of powders, or when used in the form of flux-cored wire. However, it often becomes necessary to use a nitrided alloy in its traditional form - in the form of pieces of various sizes. In the present invention, the problem of increasing the density of the nitrogen-containing alloy was solved by introducing into the initial charge powders of traditional alloying materials, usually used in steelmaking and compatible with a particular grade of smelted steel. The best results were shown by Al, Ti, V, Nb, Cr, and Mn alloys introduced into the mixture in an amount of 10-50%. The resulting product may contain from 0.1 to 40% of these metals. The optimal amount is - 0.5-10%.
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 см2) 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.For a clearer picture of the essence of the proposed technical solution, we consider in detail the specific implementation of the invention by the example of nitriding of a Ca-Si-Fe alloy containing 14.4% Ca, 52.5% Si. The starting alloy additionally contains 8.8% Ti and impurities 0.06% C, 0.005% S, 0.02% P, the rest Fe. The lump alloy in the delivery state (20-200 mm) was ground into a powder with a particle size of less than 0.315 mm. The powder was poured into a cylindrical container and placed in a high-pressure installation in a nitrogen atmosphere, creating a gas pressure of 5.0 MPa. The purity of the nitrogen used is 99.0%. By briefly supplying an electric pulse to the igniter for 10-15 s, we heat a small surface of the powder (5-10 cm 2 ) to 1200 ° C, initiating the onset of the formation of Ca and Si nitrides, the heat of exothermic reaction generated in this case heats the adjacent layer of the initial alloy, initiating nitride formation reaction, etc. Thus, layer by layer, the alloy is saturated with nitrogen until the entire powder is completely converted to a nitrogen-containing cake. Studies with quenching (early termination of the process, by means of rapid cooling by rapidly replacing nitrogen with inert argon) showed that in the layer-by-layer nitriding (i.e., layer-by-layer combustion) 60-70% of nitrogen is absorbed, the remaining 40-30% in the mode volume afterburning. In this particular case, the product contained 19.4% nitrogen. If the process is stopped immediately after the completion of the stage-by-stage combustion, the amount of nitrogen in the product will be only 13.0%, i.e. 67% of the nitrogen content in the final product. The exposure time for volumetric overreaction was 1.2 hours, the nitrogen pressure was in the range of 3.0-2.0 MPa.
Другие примеры представлены в таблице.Other examples are presented in the table.
ия, °СIgnition temperature
° C
тельность доазотирования, МПа/чPressure and continue
the duration of nitriding, MPa / h
Claims (7)
при этом сплав(ы) измельчают в порошок с размером частиц менее 2,5 мм, порошок помещают в установку высокого давления в атмосферу азота, содержащую не менее 95 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 в течение 0,1-2,0 ч.1. A method of producing a nitrogen-containing alloy for alloying steel, comprising grinding the starting material in the form of an alloy into powder and nitriding it in a combustion mode, characterized in that an alloy or a mixture of several alloys containing calcium, silicon and iron is used as the alloy of the starting material in the following ratio of components, wt.%:
wherein the alloy (s) is ground into a powder with a particle size of less than 2.5 mm, the powder is placed in a high-pressure unit in a nitrogen atmosphere containing at least 95 vol.% nitrogen, at a pressure of 0.1-15.0 MPa, exothermic is initiated the reaction of the formation of calcium and silicon nitrides by local heating of the powder to the temperature of the beginning of the reaction in a layered combustion mode and maintain this temperature and pressure until the end of the reaction in a layered combustion mode followed by nitriding in volumetric combustion for 0.1-2.0 hours
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008116867/02A RU2395611C2 (en) | 2008-04-28 | 2008-04-28 | Nitrogen containing alloy for steel alloying and procedure for its production |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008116867/02A RU2395611C2 (en) | 2008-04-28 | 2008-04-28 | Nitrogen containing alloy for steel alloying and procedure for its production |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2008116867A RU2008116867A (en) | 2009-11-10 |
RU2395611C2 true RU2395611C2 (en) | 2010-07-27 |
Family
ID=41354221
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008116867/02A RU2395611C2 (en) | 2008-04-28 | 2008-04-28 | Nitrogen containing alloy for steel alloying and procedure for its production |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2395611C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2469816C2 (en) * | 2010-05-04 | 2012-12-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт металлургической технологии" | Method of producing alloy |
RU2479659C1 (en) * | 2011-08-12 | 2013-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук (ТНЦ СО РАН) | Method for obtaining nitrogen-containing alloy for alloying of steel and cast iron, and nitrogen-containing alloy for steel and cast iron alloying |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112080609B (en) * | 2020-09-29 | 2024-05-17 | 沈阳钢中宝科技有限公司 | Composite nitrogen cored wire for steelmaking and preparation and use methods thereof |
-
2008
- 2008-04-28 RU RU2008116867/02A patent/RU2395611C2/en active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2469816C2 (en) * | 2010-05-04 | 2012-12-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт металлургической технологии" | Method of producing alloy |
RU2479659C1 (en) * | 2011-08-12 | 2013-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук (ТНЦ СО РАН) | Method for obtaining nitrogen-containing alloy for alloying of steel and cast iron, and nitrogen-containing alloy for steel and cast iron alloying |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2008116867A (en) | 2009-11-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2556621C (en) | Hardfacing ferroalloy materials | |
CN107675070B (en) | Vanadium nitride fero-manganesesilicon and preparation method thereof | |
RU2395611C2 (en) | Nitrogen containing alloy for steel alloying and procedure for its production | |
CN103526098B (en) | Nitrided silicon-vanadium-iron alloy and production method thereof | |
CN111206172A (en) | Nitrided ferrocolumbium alloy and preparation method and application thereof | |
RU2341578C2 (en) | Method of receiving of nitrogen-bearing alloy for steel alloying and nitrogen-bearing alloy for steel alloying | |
RU2462526C1 (en) | Method to obtain nitrogen-containing ligature | |
CN111607730B (en) | Vanadium nitride niobium iron alloy and preparation method and application thereof | |
RU2210615C1 (en) | Process of production of alloying material based on silicon nitride | |
RU2365467C2 (en) | Method of obtaining boron alloying alloy for alloying of steel | |
RU2425166C1 (en) | Procedure for production of mechanically alloyed nitrogen containing steel | |
US3615380A (en) | Sintered nitrogen-containing key steel refining alloy | |
CN107904425B (en) | Preparation method of nitrided ferrovanadium | |
RU2218440C2 (en) | Dopand material based on silicon nitride and method of its production | |
RU2206628C2 (en) | Charge for production of nitrogen-containing master alloys on base of refractory metals | |
Ziatdinov et al. | SHS technology for composite ferroalloys. 2. Synthesis of ferrosilicon nitride and ferrotitanium boride | |
CN109182651A (en) | A kind of multifunctional and composite type alterant suitable for cast steel | |
RU2017583C1 (en) | Method of manufacture of briquettes for modification of steel and alloys | |
RU2809611C2 (en) | Method for producing metal-ceramic materials, including volumetric porous materials containing titanium nitride by self-propagating high-temperature synthesis | |
RU2644637C2 (en) | Method and charge for production of nitrated silico-manganese in arc ore-thermal furnace | |
CN107447159B (en) | A kind of method of duplex practice production synthetic cast iron | |
SU829709A1 (en) | Molybdenum-based alloy | |
RU1834908C (en) | Process for preparing nitrided ferroniobium | |
JPS6115144B2 (en) | ||
KR101116282B1 (en) | Compositions for binderless briquette of in-mold innoculant of cast iron, binderless briquettes manufactured from the same, and manufacturing method of binderless briquettes |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20210611 |