Создание производства титановых полуфабрикатов из стружки


Цели проекта


Ресурсосбережение, получение прибыли

Состояние проблемы


Титан и его сплавы обладают высокими характеристиками удельной прочности и коррозионной стойкости. Эти и другие ценные свойства делают титан привлекательным конструкционным материалом для многих отраслей современной техники. До недавнего времени титан применяли преимущественно в военных отраслях промышленности, однако в последние годы структура потребления титана меняется и все большее его количество направляется в гражданские отрасли техники. В мире ежегодно потребляется примерно 60 тыс. тонн титановых полуфабрикатов, причем около половины этого количества потребляет гражданская авиация. Титан также применяют в разнообразных бытовых товарах, автомобилестроении, нефтехимии, при производстве оборудования для электростанций и опреснения морской воды, в архитектурных сооружениях, медицине и др. Применение титана в гражданских объектах сдерживается из-за высокой стоимости полуфабрикатов. При снижении стоимости титана в два раза ожидается значительный рост его потребления, прежде всего в автомобилестроении и нефтедобычи на морском шельфе.
Наиболее существенное снижение стоимости титана можно достичь, используя в качестве исходной шихты некондиционную стружку. Коэффициент использования металла при изготовлении изделий из титановых полуфабрикатов обычно не превышает 0,3, в связи с чем, на авиационных заводах и других предприятиях, изготавливающих титановые изделия, образуется много стружки. Поверхность стружки загрязнена масляной эмульсией и другими примесями, поэтому такая стружка не переплавляется и относится к категории некондиционных отходов. Отказ от использования загрязненной стружки вполне оправдан при производстве титановых изделий особо ответственного назначения, например для авиации и космоса. В то же время, для многих изделий гражданской техники нет необходимости в жестком ограничении на использование некондиционной стружки. Следует иметь в виду и ресурсосберегающий аспект этой проблемы. Замена губчатого титана стружкой позволяет сберечь (из расчета на 1 т титановой губки): рутила – 2,2 т; магния – 1,25 т; хлора – 3,5 т; электроэнергии – 20 тыс. кВт∙ч.
С 1992 г. в ЦНИИМ проводятся исследования, направленные на создание ресурсосберегающей технологии изготовления титановых полуфабрикатов из стружки. Было показано, что, при надлежащей технологии очистки, из стружки можно получать вторичные титановые сплавы, не уступающие по свойствам стандартным сплавам. В 1999-2001гг. в рамках проекта № 0717, который финансировался Международным научно-техническим центром (МНТЦ), были разработаны на лабораторном и опытно–промышленном уровне новые технологии изготовления титановых полуфабрикатов из стружки, которые защищены патентами РФ (№ 2048268 от 1995г; № 2197548 от 2003г; №2201977 от 2003г; №2228960 от 2004г.) и двумя патентами США №6953078 от 11.10.2005 г. и №7037466 от 02.05.2006 г.

Технологии изготовления полуфабрикатов


Технологическая схема получения титановых полуфабрикатов из стружки показана на схеме (приложение 1). Стружка дробится в молотковой роторной дробилке, после чего подвергается тщательной очистке. Предварительная очистка включает операцию мойки в горячем содовом растворе и магнитную сепарацию. Очищенная таким образом стружка может быть использована для изготовления порошков гидрида титана. В этом случае стружка насыщается водородом (гидрирование) и способом механического измельчения превращается в порошок. Основная часть стружки прессуется в брикеты при комнатной температуре. Стружечные брикеты с относительной плотностью 0,6-0,7 упаковываются в тонкостенные стальные капсулы Ø200-250 мм, высотой 300-400 мм, которые затем подвергаются вакуум-термической дегазации, герметично завариваются и осаживаются в горячем состоянии в штампе до относительной плотности не менее 0,95. После осадки стальная оболочка удаляется с поверхности титановой заготовки. Полученная описанным образом горячепрессованная цилиндрическая заготовка является расходуемым электродом для выплавки слитков или получения фасонных отливок. При необходимости такие заготовки сваривают друг с другом для получения электродов требуемой длины. Расходуемые электроды переплавляют в вакуумных дуговых печах (ВДП) при изготовлении слитков. Слитки по стандартной технологии подвергают горячей пластической деформации (прессование, ковка, прокатка) для получения соответствующих полуфабрикатов (прутки, трубы, лист и др.). Более экономичным и простым технологическим вариантом является горячая экструзия капсул с брикетами без плавления. Горячая экструзия позволяет получать длинномерные прутки и трубы.
В рамках проекта №0717, впервые в отечественной практике, на промышленном оборудовании из некондиционной стружки изготовлены слитки, фасонные отливки, прутки диаметром 15-65 мм длиной до 10 м и горячепрессованные трубы диаметром 42 мм с толщиной стенки 8 мм и спеченные фильтры из порошков (Приложение 2). Для получения этих полуфабрикатов использована партия стружки массой 500 кг, полученная от одного из промышленных предприятий. После очистки и смешивания представительная проба стружки содержала (% мас.): алюминия-2; ванадия-0,3; молибдена-0,55; железа-0,23; углерода-0,034; кислорода-0,108; азота-0,023; водорода-0,0016; титан-остальное.
В табл. 1 приводятся механические свойства титановых полуфабрикатов, изготовленных из этой партии стружки. В этой же таблице приведены для сравнения свойства стандартных технических сплавов ВТ1-0 и ВТ5, изготовленных по стандартной технологии из губчатого титана.
Технология изготовления Механические свойства
σВ,МПа δ,% Ψ, % КСU,кДж/м2
Горячая экструзия и ковка брикетов (без плавления) 800-810 2-8 - -
ВДП брикетов + горячая ковка 910-949 18-21 39-50 300-500
ВТ1-0 (стандартная технология) 392-539 ≥20 ≥55 ≥800
ВТ5 (стандартная технология) 735-932 ≥ 10 ≥ 30 ≥ 400

Как видно из приведенных данных, титановые образцы, изготовленные из стружки без плавления, обладают высокой прочностью, но низкими и нестабильными характеристиками пластичности. Эта технология требует дальнейшего совершенствования. Вполне приемлемое сочетание прочности и пластичности у вторичного титана после ВДП стружки. По прочностным характеристикам вторичный титан из стружки значительно превосходит стандартный технический титан марки ВТ1-0, но уступает ему по пластичности и ударной вязкости. Прочность и пластичность вторичного титана сопоставима с аналогичными свойствами стандартного сплава ВТ5.

Характеристика товарной продукции


Проектом предусматривается производить следующие виды товарной продукции:
- расходуемые электроды Ø200-250 мм, массой 100-200 кг для производства слитков и фасонных отливок;
- слитки ВДП Ø300-400 мм, массой 200-350 кг;
- деформированные полуфабрикаты (прутки, трубы и др.);
- порошки и спеченные изделия (фильтры и др.).
Планируемый объем выпуска товарной продукции 100 т/год.

Состав и характеристика технологического оборудования


Перечень основного технологического оборудования, необходимого для создания производства титановых полуфабрикатов из стружки, представлен в таблице.
№№ п/п Наименование и тип оборудования Мощность,кВт Требуемая площадь, м2 Ориентировочная стоимость, тыс.руб.
1 Молотковая роторная дробилка 15 20 250
2 Моечная машина 5 15 100
3 Сушилка-смеситель 10 20 800
4 Магнитный сепаратор 5 10 400
5 Пресс-автомат холодного прессования 50 25 2500
6 Установка вакуум- термической дегазации 30 30 1500
7 Термическая электропечь сопротивления 35 25 600
8 Гидравлический пресс горячего прессования 140 50 12500
9 Вакуумная дуговая печь 400 35 3000
10 Водородная термическая печь 25 20 1200
11 Конусно-инерционная мельница 15 45 500
12 Вспомогательное оборудование (токарный станок, сварочный полуавтомат и др.) 20 50 1800
13 Лабораторное оборудование и аппаратура 10 50 1500
14 Технологическая оснастка - - 2500
Итого 760 435 29150

Молотковая роторная дробилка.
Предназначена для измельчения вьюнообразной титановой стружки. Производительность не менее 100 кг/ч. Из отечественных образцов можно рекомендовать однороторную дробилку М4-3.
Размеры ротора Ø400, длина 300 мм. Масса дробилки не более 1т. Стандартное покупное оборудование.
Моечная машина.
Предназначена для предварительной очистки и обезжиривания стружки в горячем содовом растворе. Пригодна промышленная стиральная машина с перфорированным барабаном. Производительность машины не менее 1т/смена. При отсутствии стандартных образцов потребуется проектирование и изготовление.
Сушилка-смеситель.
Предназначена для сушки отмытой стружки. При необходимости используется для смешивания стружки с другими компонентами шихты. Производительность не менее 1т/сутки. Предлагается закупить отечественный образец смесителя барабанного типа с подводом в полость барабана горячего воздуха.
Магнитный сепаратор.
Предназначен для удаления из титановой стружки магнитных частиц, например стальной стружки. Предлагается закупить отечественный образец типа ПБСЦ 60/40. Производительность 150 кг/ч.
Пресс-автомат.
Предназначен для брикетирования предварительно очищенной стружки. Усилие прессования не менее 6000 кН (600 тс). Производительность не менее 200 кг/ч. Плотность брикета не менее 3 г/см3. Желательно закупить импортный пресс, например финский.
Установка вакуум-термичееской дегазации.
Предназначена для удаления из стружки летучих примесей, например остатков масляной эмульсии. Температура дегазации не более 800оС. Производительность не менее 150 кг/ч.
Оборудование нестандартное. Требуется проектирование и изготовление. Термическая печь сопротивления.
Предназначена для нагрева капсул с брикетами под осадку. Рабочая температура 1100оС, объем рабочего пространства 0,5 м3. Имеются отечественные образцы муфельных печей периодического действия.
Гидравлический пресс горячего прессования.
Предназначен для горячей осадки капсул. Усилие прессования 600-1000 т. Имеются отечественные образцы, например ДА 1240.
Вакуумная дуговая печь.
редназначена для переплава стружечных брикетов и получения слитков. Диаметр кристаллизатора 300 и 400 мм, длина слитка не менее 1000 мм. Оборудование производится преимущественно за рубежом, но имеются и отечественные установки.
Водородная термическая печь.
Предназначена для гидрирования стружки. Рабочая температура 900оС. Объем рабочего пространства 0,1 м3. Требуется проектирование и изготовление.
Конусно-инерционная мельница.
Предназначена для помола гидрированной стружки. Нестандартное оборудование, поскольку не допускается переизмельчение и дополнительное окисление. Требуется проектирование и изготовление.
Вспомогательное оборудование.
Предназначено для изготовления и сборки капсул. Имеются отечественные образцы стандартного оборудования.
Лабораторное оборудование и аппаратура.
Предназначено для контроля качества стружки, порошков и полуфабрикатов (пробоотборники, наборы сит, микроскоп, твердомер, аналитическая аппаратура и др.). Имеются отечественные образцы.
Технологическая оснастка.
Предназначена для холодного и горячего прессования стружки, изготовления и сварки капсул (пресс-форма, штамп, приспособления и устройства для изготовления обечаек, днищ и крышек капсул и др.). Требуется проектирование и изготовление.

Стратегия реализации проекта


Реализацию проекта предлагается осуществить последовательно в несколько стадий. На первой стадии организуется производственный участок по дроблению, очистке, брикетированию, капсулированию и вакуум-термической дегазации стружки. С этой целью производится опытная партия расходуемых электродов в количестве 1-2 тонн по договору с ООО «Технолит» (г. С.-Петербург), которое производит фасонные отливки из титана. Работы первого этапа проводятся с применением имеющегося лабораторного и технологического оборудования. После опробования электродов и при получении положительного заключения от фирмы ООО «Технолит», начинается вторая стадия реализации проекта. На этой стадии закупается (или изготавливается) недостающее технологическое оборудование и оснастка, проводится ремонт имеющегося оборудования и закупаются комплектующие изделия и материалы. Создается производственный участок по изготовлению титановых отливок и слитков с проектной мощностью 50 - 100 т/год. Выпускается первая промышленная партия отливок и слитков, проводится сертификация товарной продукции и ее реализация в объеме имеющихся заказов. На этой же стадии ведутся маркетинговые исследования, устанавливаются дополнительные связи с поставщиками стружки и потребителями товарной продукции на предмет расширения объемов производства. 10. Экономическое обоснование проекта Ориентировочная стоимость работ по полной реализации проекта, включая затраты на приобретение и ремонт оборудования, составит 35 млн. руб. Произведем приближенный расчет годовой прибыли и срока окупаемости проекта, исходя из того, что в качестве реализуемой товарной продукции будут только наиболее дешевые полуфабрикаты – расходуемые электроды для фасонного литья титана. Такое условие принято потому, что заказы на подобные электроды уже имеются и их продажная цена - (700-800 руб./кг) известна. Очевидно, что уточненный расчет, с включением более дорогих полуфабрикатов, увеличит, а не уменьшит расчетную прибыль от реализации проекта. Расчетная себестоимость расходуемого электрода при объеме производства 100 т/год составит приблизительно 450 руб./кг. Примем цену 1 кг расходуемого электрода 750 руб. Тогда годовая прибыль от реализации проекта составит: (750 – 450) х 100 000 = 30000000 руб. (30 млн. руб.) Сопоставление годовой прибыли со стоимостью проекта (35 млн. руб.) позволяет считать, что окупаемость затрат не превысит 1,5 года. 11. Перспективы развития проекта: В настоящее время в нашей стране на предприятиях, обрабатывающих титановые полуфабрикаты, образуется около 1000 т/год стружки, причем стружка продается за рубеж, или используется для изготовления титаносодержащих материалов. В ближайшие годы объем потребления титана будет непрерывно возрастать, в связи с развитием авиастроения и других отраслей техники. Очевидно, что снижение стоимости титановых полуфабрикатов послужит дополнительным стимулом для дальнейшего наращивания объемов потребления титана. Это, в свою очередь, приведет к росту образующихся объемов стружки. Надо отметить, что очень низкая насыпная плотность стружки (менее 0,2 т/м3) значительно удорожает ее транспортировку. Предлагается тиражировать производственные участки регенерации титановой стружки по местам ее образования. Таких регионов в РФ может быть несколько (Северо-Запад, Центр, Урал, Сибирь и др.). Следует учесть значительный интерес к технологии регенерации титановой стружки, проявленный госдепартаментом и министерством энергетики США. Упоминавшийся выше проект № 0717, по разработке предлагаемых технологий, финансировался через МНТЦ из госбюджета США. Объем финансирования 260 тыс.$. Американская сторона запросила и оформила две эксклюзивные безвозмездные лицензии на технологии, защищенные патентами. В соответствии с международным правом на интеллектуальную собственность, российская сторона вправе продать лицензии любым странам, кроме США. Это открывает дополнительную возможность для тиражирования настоящего проекта в другие, прежде всего, в европейские и азиатские страны. Не исключается и возможность создания крупного централизованного производства переработки стружки, ввозимой морским транспортом, из-за рубежа. При встрече президента РФ В.В. Путина с руководством ВСМПО в июне 2006 г. рассматривался вопрос об изменении таможенного законодательства в отношении импорта отработанного металла, произведенного в России, с целью переработки, образовавшейся за рубежом стружки, в нашей стране. Если такое решение будет принято, то переплав реэкспортированной стружки целесообразно организовать в портовом городе (г. Санкт-Петербург), что исключит затраты на транспортировку стружки наземным транспортом.