Азот и ванадий

Ванадий – один из наиболее эффективных микролегирующих элементов стали и в настоящее время широко применяется в мировой и отечественной черной металлургии. Особенно велика значимость ванадия для России, так как он является заменителем вольфрама, молибдена, никеля и ниобия, запасы которых в нашей стране ограниченны. Традиционно вопросами производства и применения ванадия занимается Уральская школа ученых-металлургов. Ими разработаны теоретические и технологические основы управления структурой и свойствами, что позволило прогнозировать и создавать широкий спектр сталей различного назначения и уровня прочностных, пластических и служебных характеристик, а также – технологические схемы получения ванадийсодержащих материалов, пригодных для легирования, микролегирования и модифицирования сталей.

Толстолистовой прокат из высокопрочных ванадиевых, а также комплексно легированных (V, Nb, Ti) сталей в горячекатаном состоянии после прокатки с контролем основных параметров (tн, tк.п., скорости охлаждения), а также после нормализации или закалки с отпуском может эксплуатироваться как в обычных климатических условиях, так и при температуре ниже -40°С (северное исполнение). В этом случае гарантируется ударная вязкость при температуре -70°С. Они удовлетворяют всем основным требованиям, предъявляемым к сталям повышенной и высокой прочности: хорошая свариваемость, высокая сопротивляемость хрупким разрушениям, высокая пластичность, обеспечивающая низкую чувствительность к концентрации напряжений, и способность гасить трещины.

Выпуск низколегированных ванадийсодержащих сталей был впервые освоена Нижнетагильском металлургическом комбинате (НТМК), затем на Череповецком («Северсталь»), Магнитогорском, Орско-Халиловском комбинатах и ряде других метзаводов. Например, по заказам Уралвагонзавода на НТМК выпускается высокопрочный фасонный прокат 14-й категории (с гарантией ударной вязкости при-60°С) из стали марки 12Г2ФД для ответственных деталей (хребтовая балка, ответственные ограждающие элементы кузова) всех категорий полувагонов, хопперов и цистерн. Для литых деталей полувагонов отрабатывается применение ванадийсодержащих литых сталей. Работы УИМа способствовали широкому внедрению в промышленность рельсовой и колесобандажной стали с ванадием. Рельсовая сталь с ванадием (до 0,07%) введена в ГОСТ 51685 «Рельсы железнодорожные широкой колеи. Технические условия». Сталь выплавляется на Нижнетагильском и Кузнецком металлургических комбинатах, рельсы из нее стоят в том числе и на северных участках железных дорог России.

1.3 Нитрид ванадия

Для температуры плавления VN даются значения 2050 – 2320 К, При температуре плавления нитрид ванадия заметно разлагается, но не обнаруживает признаков испарения. Нитрид не изменяется на воздухе и с трудом окисляется.

В качестве реагента для измельчения структуры и вызова дисперсионного твердения могут служить в первую очередь нитриды ванадия.

Накаливание оксида ванадия (III) V2O3 в смеси с углем или металлического ванадия в токе азота приводит к образованию нитрида ванадия. С водой и кислотами он не реагирует.

Особое внимание должно быть уделено строжайшему соблюдению режима отжига нестареющей кипящей стали, обработанной ванадием, чтобы весь азот успел выйти из твердого раствора в α-железе и образовал нитриды ванадия. Сущность этого процесса состоит в следующем: низколегированную сталь, содержащую (оптимальный состав) небольшое количество нитридов ванадия (типичный состав 0.1 % С, 0.5 % Мn, 0.05 % V, 0.01 % N) нагревают под прокатку до высоких температур, при этом нитриды ванадия переходят в твердый раствор. Прокатку заканчивают при низкой температуре (800 оС), что позволяет получить мелкое зерно. После фазового превращения по перлитному типу (вблизи температуры 650 оС) из феррита выделяются нитриды ванадия, упрочняя сталь. Растворение нитрида ванадия завершается при 1100 оС, но при наличии достаточного количества алюминия эта температура повышается до 1350 оС.

При введении вместе с углеродом и азотом ванадий способствует при термической обработке образованию карбидных, нитридных и карбонитридных фаз. Следует отметить, что карбиды и нитриды ванадия имеют более низкий параметр кристаллической решетки по сравнению с другими тугоплавкими карбидами. Это обеспечивает минимальную дилатацию на межфазной границе карбид ( нитрид) - матрица. Кроме того, карбиды (нитриды) ванадия, по сравнению с карбидами (нитридами) ниобия, циркония, титана и тантала, имеют более низкую температуру растворения в аустените. Оба фактора способствуют реализации большого эффекта упрочнения при старении.

В большинстве случаев нитрид ванадия имеет дефектную кристаллическую решетку. Это может быть вызвано тем, что при высокой температуре нитрид ванадия диссоциирует на азот и ванадий; при этом в решетке нитрида образуются пустоты. Если реакцию вести при температуре ниже 1000 К, то кристаллическая решетка нитрида ванадия будет иметь дефекты, вызванные наличием в ней атомов кислорода.

1.4 Карбид ванадия

Ванадий суживает область γ-фазы в стали, способствуя распаду в ней аустенита при охлаждении. При вхождении в твердый раствор ослабляет внутрикристаллические связи, приводя тем самым к разупрочнению стали. Однако, являясь активным карбидообразователем, ванадий связывает в стали практически весь свободный углерод, вытесняя из карбидной фазы другие, менее активные карбидообразователи (в том числе молибден). Термическая обработка способствует выделению в ванадиевых сталях мелкозернистых карбидов ванадия, которые в качестве дополнительной упрочняющей фазы создают условия дисперсного твердения при длительной работе при температурах 500-600 °С и выше. Являясь активным стабилизатором жаропрочных свойств стали, ванадий ограничивает графитизацию. Высокие механические свойства стали обеспечиваются при содержании ванадия 0,25-0,35 %; при таком содержании ванадий повышает также свариваемость стали. Окалиностойкость чистого ванадия очень низка.

1.5 Карбонитрид ванадия

Нитриды и карбонитриды ванадия, образующиеся в стали при охлаждении и термомеханической обработке в виде мельчайших наноразмерных частиц, способствуют сильному измельчению зерна. Совместное воздействие механизмов дисперсионного упрочнения и измельчения зерна приводит к качественному улучшению всего комплекса механических характеристик стали. Карбонитридное упрочнение сталей представляет собой способ воздействия на структуру и свойства сталей посредством образования упрочняющих дисперсных карбонитридных фаз при легировании стали ванадием (иногда дополнительно алюминием и титаном) в сочетании с повышенным содержанием азота (до 0,030 %). Комплексные соединения карбидов и нитридов — карбонитриды — обозначают формулой, в которой находятся все элементы, входящие в состав. Так, карбонитрид ванадия может быть обозначен V(СN).

2         ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Эксперимент № 1

Аудитория 216м

Расплавляли металл в печи и переливали в графитовые изложницы

Me (руда) + Si (кремний)

Me = 98.45 г (100%)

Si = 0.60 г (0.6%)

Me     10:37     1570oC

Si      10:44     1570oC

Получена проба №1

Me (руда) + Si + FeV (феррованадий)

Me = 92.50 г (100%)

Si = 0.70 г (0.75%)

FeV = 0.15 (0.15%)

Me     10:46     1570oC

Si       10:54     1570oC

FeV   10:55     1570oC

Получена проба № 2

Во время эксперимента в расплав упала графитовая палочка, следовательно, C = =1.511%.

Me (руда) + Si + FeVN (азотированный феррованадий)

Me = 96.45 г (100%)

Si = 0.70 г (0.72%)

FeVN = 0.15 г (0.155%)

Получена проба № 3

Me       10:59     1500oC

Si         11:07     1570oC

FeVN  11:08     1570oC

Эксперимент № 2

Аудитория 216м

Легирование стали ванадием присадкой ванадиевых брикетов

Брикеты (2 шт.): ванадиевый шлак + алюминиевая крошка

Ванадиевый шлак = 18.22 г (V2O5 = 14.27%)

Алюминиевая крошка = 16.08 г

Аудитория 102м

Выплавка стали в 2-кг печи.

Раскисляли металл из расчета

1 кг Al на 1 т металла

0.5 Si на 1 т металла

Тогда Al = 0.0018 кг (1.8 г)

           Si = 0.009 кг (9 г)

m Me = 1.8 кг (1800 г)

Начало плавки: 10:24

Расплавление: 10:34

Раскисление (Al + Si): 10:36 

Присадка брикета: 10:36

Слив металла: 10:39

Итого: ~ 1 ч

В результате эксперимента получили пробу № 5

.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основными задачами развития ванадиевого комплекса России следует счи­тать: реконструкцию и ввод новых мощностей по производству ванадиевого шлака, пентаоксида ванадия и феррованадия, азотированного феррованадия и других вана­дие­вых ферросплавов; дальнейшее расширение внутреннего потребления вана­дия для производства низколегированных сталей взамен рядовых; обеспечение повыше­ния до мирового уровня качества пентаоксида ванадия и феррованадия для произ­водства высококачественной продукции с тем, чтобы максимально исключить им­порт этих продуктов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.      Смирнов Л.А., Панфилова Л.М., Беленький Б.З. Проблемы расширения производства ванадийсодержащих сталей в России / «Сталь»: международный научно-технический и производственный журнал. – 2005. - №6. – С. 108-115.

2.      Гизатулин Р.А., Нохрина О.И., Козырев Н.А. Микролегирование стали азотом при продувке в ковше через  донные и погружаемые фурмы /Изв. ВУЗов Черная металлургия. – 2010. - №6. – С. 30-33.

3.      Гольдштейн Я.Е. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали / Я. Е. Гольдштейн, В. Г. Мизин – М.: «Металлургия», 1986. – 272 с.

4.      Аверин В.В. Азот в металлах / В.В. Аверин, А.В. Ревякин, В.И. Федорченко, Л.Н. Козина. – М.: Металлургия, 1976. – 156 с.

5.      Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов: учеб. пособие для вузов / Е.А. Казачков. – М.: Металлургия, 1988. – 257 с.