Вісник НАН України. 2019. № 6. С. 28-36
https://doi.org/10.15407/visn2019.06.028
АХОНІН Сергій Володимирович —
член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор, завідувач відділу металургії та зварювання титанових сплавів Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
ТЕНДЕНЦІЇ РОЗВИТКУ СПЕЦІАЛЬНОЇ ЕЛЕКТРОМЕТАЛУРГІЇ ТИТАНУ В УКРАЇНІ
За матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 13 березня 2019 року
У доповіді наведено огляд розвитку металургії титану в Україні, яка є однією з п'яти країн світу, що мають повний цикл виробництва титану: від видобутку руди до виготовлення напівфабрикатів. Металургійне виробництво зливків титану в Україні засновано на вітчизняній технології електронно-променевої плавки, яка гарантує високу якість зливків масою до 20 т та забезпечує високі техніко-економічні показники процесу плавки. Наведено результати досліджень зі створення нових титанових сплавів з підвищеними експлуатаційними характеристиками. Розглянуто основні напрями подальшого розвитку титанової промисловості, пов’язані з організацією на підприємствах України конкурентоспроможного на світових ринках виробництва напівфабрикатів титанових сплавів: поковок, прутків, труб, а також титанових порошків і дротів, які є вихідними матеріалами для перспективних адитивних технологій 3D-друку.
Ключові слова: титан, електронно-променева плавка, виробництво, напівфабрикати титанових сплавів, якість.
Прогрес сучасної техніки значною мірою залежить від застосування конструкційних матеріалів з більш високими експлуатаційними властивостями. До таких металевих матеріалів належить титан та сплави на його основі.
Завдяки високій питомій міцності сплави на основі титану широко застосовують в авіа- і ракетобудуванні, виробництві військової техніки. При цьому, наприклад, у планері сучасних літаків масова частка титанових сплавів постійно зростає. Так, якщо в літаках Airbus серії А320 частка титану становила лише 3% загальної маси літака, то в перспективному літаку А350 частка титану зросла до 13%. Це зумовлено широким використанням у літаках нового покоління композиційних матеріалів замість алюмінієвих сплавів, а титан за високої питомої міцності не взаємодіє з вуглепластиками. Загалом для виробництва всіх замовлених на сьогодні літаків фірм Boeing і Airbus протягом найближчих 10 років потрібно понад 430 тис. т титанових напівфабрикатів.
Корозійна стійкість титану зумовлює також його широке використання в хімічному та енергетичному машинобудуванні, у виготовленні морської техніки. Перспективним є застосування титану в теплообмінній апаратурі опріснювальних і атомних енергетичних установок, а також при видобутку нафти і газу на шельфах морів та океанів. Відмінна сумісність титану з біологічними тканинами визначає широке коло його застосувань у виробництві ендопротезів та імплантатів. Отже, останніми роками ринок титану характеризується стійким зростанням попиту на 6–8% щороку.
Україна є однією з п’яти країн світу, які мають повний цикл виробництва титану: від видобутку титановмісних руд, їх збагачення і виробництва губчастого титану до виплавки зливків титанових сплавів і виробництва широкого спектру титанових напівфабрикатів: відливок, поковок, прутків та труб.
Основні родовища титановмісних руд сконцентровані в Дніпропетровській та Житомирській областях. Їх збагачення здійснюють на Вільногірському гірничо-металургійному комбінаті та Іршанському гірничо-збагачувальному комбінаті відповідно. Ці комбінати не лише повністю забезпечують сировиною українських виробників губчастого титану та пігментного діоксиду титану, а й поставляють титанові концентрати на експорт.
Металевий губчастий титан в Україні виробляють на Запорізькому титаномагнієвому комбінаті (ЗТМК) з використанням технології плавки ільменітових концентратів в електродугових печах з отриманням титанових шлаків з вмістом TiO2 як у рутилових концентратах, причому вартість таких шлаків приблизно в 1,5 раза нижча, ніж вартість рутилу.
Наступний процес хлорування шлаків у розплаві солей, який не має аналогів у світовій практиці, дозволяє достатньо повно і швидко перевести титан зі стійкої оксидної форми у хлориди та відокремити більшу частину шкідливих домішок. Основним етапом виробництва губчастого титану є відновлення тетрахлориду титану (TiCl4) магнієм з подальшою вакуумною сепарацією отриманого блока губчастого титану від залишків магнію і хлористого магнію. На сьогодні на ЗТМК освоєно виробництво блоків губчастого титану масою 0,7 і 3,8 т за цикл і виплавку зливків титану на електронно-променевій установці, розробленій в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.
В електронно-променевих установках процес плавлення титану відбувається у високому вакуумі (тиск залишкових газів підтримують у діапазоні 0,01–1,00 Па) під дією прискорених до швидкостей понад 100 км/с електронів, потоки яких генеруються спеціальними приладами, так званими «електронними гарматами» (рис. 1). Губчастий титан подається до проміжної ємності, де відбуваються процеси плавлення, усереднення хімічного складу та рафінування титану від шкідливих домішок. Накопичений розплавлений титан зливається до мідного водоохолоджуваного прохідного кристалізатора круглого або прямокутного перетину, де формується зливок потрібної форми (рис. 2).
Хоча технологія вакуумно-дугового переплаву (ВДП) титану є традиційним і найпоширенішим у промисловості способом отримання зливків титану і сплавів на його основі, останнім часом у металургії титану все більше застосовують технологію електронно-променевої плавки з проміжною ємністю (ЕПП). У Китаї сьогодні експлуатуються 12 промислових електронно-променевих установок потужністю понад 1 МВт кожна (ще дві перебувають на стадії будівництва), у США — 8, в Україні — 8 (ще одна зараз будується), в Японії — 3, по одній електронно-променевій установці мегаватного класу є в Євросоюзі та Казахстані.
Така поширеність технології електронно-променевої плавки з проміжною ємністю зумовлена, з одного боку, хорошою якістю отримуваного металу, а з другого — високими техніко-економічними показниками процесу, особливо в разі виплавки зливків-слябів прямокутного перетину. Використання зливків-слябів дозволяє виключити з технологічного ланцюжка отримання титанового прокату капіталомістку та енерговитратну операцію перековування циліндричних зливків на сляби.
Важливою проблемою у виробництві титанових зливків і напівфабрикатів є видалення з металу тугоплавких включень з підвищеним вмістом стабілізуючих α-фазу домішок втілення: азоту, кисню і вуглецю, які складаються з твердих частинок α -титану, насичених цими домішками, а також з хімічних сполук цих елементів з титаном: нітридів, оксидів і карбідів [1]. Крім того, серйозну проблему у зливках титану становлять включення, утворені хімічними сполуками з великою густиною та високою температурою плавлення. Джерелами їх утворення, як правило, є уламки різального інструменту, які містять карбіди тугоплавких металів (WC, MoC та ін.) і потрапляють до металу разом із шихтовими компонентами, найчастіше зі стружкою [2]. Такі включення дуже тверді й крихкі, а тому є концентраторами напружень та джерелами виникнення втомних тріщин, які можуть призводити до руйнування титанових деталей відповідального призначення з катастрофічними наслідками.
Одним з основних механізмів видалення тугоплавких включень із титану є їх гравітаційне осадження: в процесі плавлення рідкий метал у проміжній ємності тече горизонтально, тоді як включення з більшою густиною, ніж у рідкого титану, під дією сили тяжіння опускаються вниз, осідають на поверхню гарнісажу і вмерзають у нього, тобто практично всі тугоплавкі включення, за винятком діоксиду титану, осідатимуть на дно проміжної ємності і видалятимуться з розплаву.