blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-7-527-535blackmet-1366Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESТЕХНОЛОГИЯ CВС КОМПОЗИЦИОННЫХ ФЕРРОСПЛАВОВ ЧАСТЬ II. СИНТЕЗ НИТРИДА ФЕРРОСИЛИЦИЯ И БОРИДА ФЕРРОТИТАНАSHS TECHNOLOGY OF COMPOSITION FERROALLOYS. PART II. SYNTHESIS OF FERROSILICON NITRIDE AND FERROTITANIUM BORIDEЗиатдиновМ. Х.ZiatdinovM. Kh.

Доктор технических наук, старший научный сотрудник

634050, Томск, пр. Ленина, 36

Dr. Sci. (Eng.), Senior Researcher

Tomsk

ziatdinovm@mail.ruШатохинИ. М.ShatokhinI. M.

Доктор технических наук, генеральный директор

455030, Магнитогорск, Западное шоссе, 15

Dr. Sci. (Eng.), General Director  

Magnitogorsk, Chelyabinsk Region

mail@ntpf-etalon.ruЛеонтьевЛ. И.Leont’evL. I.

академик РАН, советник, д.т.н., профессор

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Academician, Adviser of the Russian Academy of Sciences, Chief Researcher

Moscow

lleontev@imet.ac.ruНациональный исследовательский Томский государственный университетРоссияNational Research Tomsk State UniversityRussian FederationООО «НТПФ «Эталон»РоссияLLC “NTPF “Etalon”Russian FederationИнститут металлургии Уральского отделения РАН; Президиум РАН; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science, RAS; Scientific Council on Metallurgy and Metal Science of Russian Academy of Sciences (Department of Chemistry and Material Sciences); National University of Science and Technology “MISIS” (MISIS)Russian Federation201828072018617527535Copyright © Зиатдинов М.Х., Шатохин И.М., Леонтьев Л.И., 20182018Зиатдинов М.Х., Шатохин И.М., Леонтьев Л.И.Ziatdinov M.K., Shatokhin I.M., Leont’ev L.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1366

Показано, что закономерности горения ферросилиция в азоте во многом схожи с горением металлического кремния. С увеличе­нием в исходном ферросилиции концентрации кремния повышается интенсивность его взаимодействия с азотом, что проявляется в зна­чительном росте скорости горения. Концентрация азота в продуктах горения при этом увеличивается. Во всем исследованном диапазоне изменения исходных параметров (давление азота, дисперсность порошка, состав шихты) основной фазой в продуктах горения является β-Si3N4 . Заметных количеств α-Si3N4 не обнаруживается. Для практического применения оптимальным является использование ферро­силиция марок ФС75 и ФС90 для производства огнеупорных материалов, а для получения легирующих композиций стали – наиболее чистые по примесям марки сплава ФС65 и ФС75. Введение в систему Ti – B (Tад = 3190 К) железа значительно сужает концентрационные пределы горения. Смесь со сплавом с 16,9 % B горит в узком диапазоне концентраций Ti:B, близком 0,86. При горении смеси (Fe – B) + Ti повышение начальной температуры значительно расширяет концентрационные пределы синтеза. Во всех случаях повышение исходной температуры приводит к значительному увеличению скорости горения. Разогрев до T0 ≥ 300 °C позволяет вовлечь в СВС процесс смеси с более крупными порошками титана (rср.Ti ≥ 0,4 мм). Синтез реализуется в широком интервале изменения соотношения B:Ti. Горением та­ких смесей возможно получение сплава с 6 – 14 % B и 30 – 60 % Ti. Создано специализированное промышленное оборудование – ряд СВС реакторов с рабочим объемом 0,06, 0,15 и 0,3 м3 для серийного производства продукции на основе тугоплавких неорганических соедине­ний для металлургии. Освоено промышленное СВС производство композиционных материалов на основе бескислородных соединений.  

Consistent patterns in the combustion of ferrosilicium in nitrogen are rather similar to those of metal silicon. As the concentration of silicon in initial ferrosilicium is increased, the intensity of its interac­tion with nitrogen increases as well, resulting in a significant growth of the combustion rate. The concentration of nitrogen in the combus­tion products here increases as well. In the entire investigated range of initial parameters (nitrogen pressure, powder fineness, burden mix), the main phase in the combustion products is β-Si3N4. No considerable amounts of α-Si3N4 have been observed. In practical applications, the use of FS75 and FS90 ferrosilicium is optimal for producing fire-re­sistant materials, while FS65 and FS75 (being the purest alloy grades) are optimal for obtaining alloying steel compositions. Introducing iron into the (Ti – B) (Tad = 3190 K) system significantly narrows down the concentration limits of combustion. ((Fe – B) + Ti) mixture with 16.9 % B alloy burns in a narrow range of Ti:B concentrations close to 0.86. When a ferroboron-titanium mixture burns, an increase in the initial temperature significantly expands the synthesis concentration limits. In all the cases, an increase in the initial temperature leads to a significant increase in the combustion rate. Heating up to T0 ≥ 300 °C allows for involving mixtures with more coarse titanium powders (rav. Ti ≥ 0.4 mm) into the SHS process. The synthesis is implemented in a wide range of B:Ti ratios. By burning such mixtures one can ob­tain alloys with 6 – 14 % B and 30 – 60 % Ti. Specialized industrial equipment has been built: a series of SHS reactors with the operation  volume of 0.06, 0.15 and 0.3 m3 for the serial production of manufac­turing items based on hard-melting inorganic compositions (nitrides, borides, silicides, etc.) for metallurgical applications. Industrial SHS production of composite materials based on oxygenless compositions has been set up.  

самораспространяющийся высокотемпературный синтезкомпозиционные ферросплавыазотсодержащие лигатурынитри¬дыборидыфильтрационное горениебезгазовое горениетермическое сопряжениеазотированный феррованадийазотированный фер¬росилицийазотированный феррохромself-propagating high temperature synthesiscomposition fer¬roalloysnitrided alloyingsnitridesboridesfiltration combustiongasless combustionthermal conjugationnitrided ferrovanadiumnitrided ferrosiliconnitrided ferrochromiumReferencesPat. 1461119, GB. Int. Cl. C01B21/06. Method for treatment of ferrosilicon nitride // Iwamoto S. Denki Kagaku Kogyo. Publ. 13.01.1977.Iwamoto S. Denki Kagaku Kogyo. Method for Treatment of Fer¬rosilicon Nitride. Patent 1461119 GB. Int. Cl. C01B21/06. Publ. 13.01.1977.Hampshire S. Silicon nitride ceramics – review of structure, processing and properties. // J. of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2007. Vol. 24. No. 9. P. 43 – 50.Hampshire S. Silicon nitride ceramics – review of structure, pro¬cessing and properties. J. of Achievements in Materials and Manu¬facturing Engineering. 2007, vol. 24, no. 9, pp. 43–50.Ziegler G., Heinrich J., Wotting G. Review. Relationships between processing, microstructure and properties of dense and reaction-bonded silicon nitride. // J. of Materials Science. 1987. Vol. 22. P. 3041 – 3086.Ziegler G., Heinrich J., Wotting G. Review. Relationships between processing, microstructure and properties of dense and reaction-bonded silicon nitride. J. of Materials Science. 1987, vol. 22, pp. 3041–3086.Mendendez-Martinez J.J., Dominguez-Rodrigez A. Creep of silicon nitride // Progress in material science. 2004. Vol. 49. P. 19 – 107.Mendendez-Martinez J.J., Dominguez-Rodrigez A. Creep of silicon nitride. Progress in material science. 2004, vol. 49, pp. 19–107.SveinTonseth. Dusty by – product yield hard cash // GEMINI.1998. No. 1. P. 1 – 4.Svein Tonseth. Dusty by – product yield hard cash. GEMINI. 1998, no. 1, pp. 1–4.Kometani K., Lizuka K., Kaga T. Behavior of ferro-Si3N4 in blast furnace tap hole mud // Taikabutsu. 1998. Vol. 50. No. 6. P. 326 – 330.Kometani K., Lizuka K., Kaga T. Behavior of ferro-Si3N4 in blast furnace tap hole mud. Taikabutsu. 1998, vol. 50, no. 6, pp. 326–330.Muroi N. New taphole mud for blast furnaces // Taikabutsu. 1999. Vol. 51. No. 4. P. 192 – 196.Muroi N. New taphole mud for blast furnaces. Taikabutsu. 1999, vol. 51, no. 4, pp. 192–196.Lopes A.B. The influence of ferro silicon nitride on the performance of the modern taphole mud for blast furnace // Refractories Applications and News. 2002. Vol. 7. No. 5. P. 26 – 30.Lopes A.B. The influence of ferro silicon nitride on the performance of the modern taphole mud for blast furnace. Refractories Applica¬tions and News. 2002, vol. 7, no. 5, pp. 26–30.Pant P., Dahlmann P., Schlump W., Stein G. A new nitrogen alloyng technique – a way to distinctly improve the properties of austenitic steel // Steel research. 1987. No. 1. P. 18 – 25.Pant P., Dahlmann P., Schlump W., Stein G. A new nitrogen alloying technique – a way to distinctly improve the properties of austenitic steel. Steel research. 1987, no. 1, pp. 18–25.Мукасьян А. С., Мержанов А. Г., Мартыненко В. М. и др. О ме¬ханизме и закономерностях горения кремния в азоте // Физика горения и взрыва. 1986. № 5. С. 43 – 49.Mukas’yan A.S., Martynenko V.M., Merzhanov A.G., Borovins¬kaya I.P., Blinov M.Yu. Mechanism and principles of silicon com¬bustion in nitrogen. Combust. Explos. Shock Waves. 1986, no. 5, pp. 534–540.Мукасьян А.С., Степанов Б.В., Гальченко Ю.А., Боровинская И.П. О механизме структурообразования нитрида кремния при горении кремния в азоте // Физика горения и взрыва. 1990. № 1. С. 45 – 52.Mukas’yan A.S., Stepanov B.V., Gal’chenko Yu.A., Borovins¬kaya I.P. Mechanism of structure formation of silicon nitride with combustion of silicon in nitrogen. Combust. Explos. Shock Waves. 1990, no. 1, pp. 39–45.Hirao K., Miyamoto Y., Koizumi M. Combustion reaction characteristics in the nitridation of the silicon // Adv. Ceram. Mater. 1986. Vol. 2. No. 4. P. 780 – 785.Hirao K., Miyamoto Y., Koizumi M. Combustion reaction charac¬teristics in the nitridation of the silicon. Adv. Ceram. Mater. 1986, vol. 2, no. 4, pp. 780–785.Zakorzhevskii V.V., Borovinskaya I.P. Some regularities of α-Si3N4 synthesis in a commercial SHS reactor // Int. J. SHS. 2000. Vol. 9. No. 2. P. 171 – 191.Zakorzhevskii V.V., Borovinskaya I.P. Some regularities of α-Si3N4 Synthesis in a commercial SHS reactor. Int. J. SHS. 2000, vol. 9, no. 2, pp. 171–191.Павлов С.В., Снитко Ю.П., Плюхин С.Б. Отходы и выбросы при производстве ферросилиция // Электрометаллургия. 2001. № 4. С. 22 – 28.Pavlov S.V., Snitko Yu.P., Plyukhin S.B. Wastes and emissions in pro¬duction of ferrosilicon. Elektrometallurgiya. 2001, no. 4, pp. 22–28. (In Russ.).Boyer S.M., Moulson A.J. A mechanism for the nitridation of Fe-contaminated silicon // J. of Materials Science. 1978. Vol. 13. P. 1637 – 1646.Boyer S.M., Moulson. A J. A mechanism for the nitridation of Fe-contaminated silicon. J. of Materials Science. 1978, vol. 13, pp. 1637–1646.Vlasova M.V., Lavrenko V.A., DyubovaL.Yu. etc. Nitriding of ferrosilicon powders // J. of Materials Synthesis and Processing. 2001. Vol. 9. No. 3. P. 111 – 117.Vlasova M.V., Lavrenko V.A., Dyubova L.Yu., Gonzalez – Rodri¬guez, Kakasey M.G. Nitriding of ferrosilicon powders. J. of Materi¬als Synthesis and Processing. 2001, vol. 9, no. 3, pp. 111–117.Andrievski R.A. Melting point and dissociation of silicon nitride // Int. J. SHS. 1995. Vol. 4. No. 3. P. 237 – 244.Andrievski R.A. Melting point and dissociation of silicon nitride. Int. J. SHS. 1995, vol. 4, no. 3, pp. 237–244.Messier D.R., Riley F.L., Brook R.J. The α/β silicon nitride phase transformation // J. of Material Science. 1978. Vol. 13. P. 1199 – 1205.Messier D.R., Riley F.L., Brook R.J. The α/β silicon nitride phase transfor-mation. J. of Material Science. 1978, vol. 13, pp. 1199–1205.Зиатдинов М.Х., Шатохин И.М. Перспективы производства и применения СВСнитрида ферросилиция // Сталь. 2008. № 1. С. 26 – 31.Ziatdinov M.Kh., Shatokhin I.M. Self-propagating high-temper¬ature synthesis of ferrosilicon nitride. Steel in Translation. 2008, vol. 38, no. 1, pp. 39–44.Ziatdinov M.Kh., Shatokhin I.M. Experience in the development, production, and use of self-propagating high-temperature synthesis materials in metallurgy // Metallurgist. 2008. Vol. 52. No. 11–12.Ziatdinov M.Kh., Shatokhin I.M. Experience in the development, production, and use of self-propagating high-temperature synthesis materials in metallurgy. Metallurgist. 2008, vol. 52, no. 11–12.Ziatdinov M.Kh., Shatokhin I.M. Using ferrosilicon nitride of nitro-fesil grade in gate and spout components // Refractories and Industrial Ceramics 2008. Vol. 49. No. 5. P. 383 – 387.Ziatdinov M.Kh., Shatokhin I.M. Using ferrosilicon nitride of nitro-fesil grade in gate and spout components. Refractories and Indus¬trial Ceramics. 2008, vol. 49, no. 5, pp. 383–387.Digges T.G., Irish C.R., Carwile N.L. Effect of boron on the hardenability of high-purity alloys and commercial steels // Part of the Journal of Research of the National Bureau of Standards, U.S. Department of Commerce, Research Paper RP 1938. 1948. Vol. 41. P.127 – 143.Digges T.G., Irish C.R., Carwile N.L. Effect of boron on the hard¬enability of high-purity alloys and commercial steels. Part of the Journal of Research of the National Bureau of Standards, U.S. De¬partment of Commerce, Research Paper RP1938. 1948, vol. 41, pp. 127–143.Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л., Лаппо С.И. Борсодержащие стали и сплавы. – М.: Металлургия, 1986. – 192 с.Lyakishev N.P., Pliner Yu.L., Lappo S.I. Borsoderzhashchie stali i splavy [Boron-bearing steel and alloys]. Moscow: Metallurgiya, 1986, 192 р. (In Russ.).Pat. 1071968 CN. Pat. 2681877 FR. Int cl. C22C 1/05, C22C 29/14. Method of making mixturealloy boron // M.Kh. Ziatdinov, Y.M. Maximov, A.G. Merzhanov. Publ. 12.05.1993.Ziatdinov M.Kh., Maximov Y.M., Merzhanov A.G. Method of mak¬ing mixturealloy boron. Pat. 1071968 CN. Pat. 2681877 FR. Int cl. C22C 1/05, C22C 29/14. Publ. 12.05.1993.А. с. 1830393 РФ. МПК С22С 33/00. Способ получения ком¬позиционных борсодержащих сплавов для легирования ста¬ли // А.В. Тугутов, М.Х. Зиатдинов, Ю.М. Максимов; опубл. 30.07.1993; бюл. изобр. № 28.Tugutov A.V., Ziatdinov M.Kh., Maksimov Yu.M. Sposob po¬lucheniya kompozitsionnykh borsoderzhashchikh splavov dlya legirovaniya stali [A method for production of boron-contain¬ing composites for steel alloying]. Certificate of authorship RF no. 1 830 393. Byulleten’ izobretenii. 1993, no. 28. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.