способ выплавки железоуглеродистых сплавов в индукционных печах

Формула изобретения

Способ выплавки железоуглеродистых сплавов в индукционных печах, включающий завалку металлической части шихты, плавление и легирование расплава кремний- и углеродсодержащими материалами, отличающийся тем, что легирование осуществляют комплексной смесью, содержащей кремний и углерод, при соотношении C : Si=(25÷90):(0,5÷65), где Si - содержание кремния в комплексной смеси; C - суммарное содержание углерода в комплексной смеси, при этом кремний содержится в составе смеси в виде карбида кремния металлургического и/или его шламов, а углерод - в виде термообработанных углеродсодержащих материалов электродного производства и/или графита.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к литейному производству, и может быть использовано при производстве железоуглеродистых сплавов различного функционального назначения. Из патентной литературы известен карбюризатор для науглероживания синтетического чугуна (ах. СССР № 1018976, С21С 1/10, бюл. № 19, 1983 г.), который предполагает использовать в качестве науглероживателя синтетического чугуна обезвоженных «хвостов» от флотации угольной «пены». Указанное изобретение позволяет только повысить содержание углерода в расплаве.

Известен также раскислитель для чугуна (а.с. СССР № 697568, С21С 1/08, бюл. № 42, 1979 г.), который состоит из смеси карбида кремния или его шлама и извести, а также дополнительно содержит шунгит при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Карбид кремния или его шлам	15-20
Известь	5-10
Шунгит	остальное

Указанная смесь позволяет только повысить степень восстановления железа и увеличить в чугуне концентрацию углерода и кремния.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому эффекту является брикет, используемый при производстве чугуна (варианты) (Пат. РФ. 2247155 С21С 1/10, Бюл. № 6, 2005 г.). По первому варианту брикет включает кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, при этом в качестве кремнийсодержащего материала он содержит карбид кремния металлургический, в качестве углеродсодержащего материала содержит углеродкремнистую смесь, а в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический	59-62
Углеродкремниевая смесь	21-25
Цемент	13-20

По второму варианту, брикет включает кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, при этом в качестве кремнийсодержащего материала он содержит карбид кремния металлургический, в качестве углеродсодержащего материала содержит углеродкремнистую смесь, а в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический	44-48
Углеродкремниевая смесь	36-39
Цемент	13-20

По третьему варианту, брикет включает кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, при этом в качестве кремнийсодержащего материала он содержит карбид кремния металлургический, в качестве углеродсодержащего материала содержит углеродкремнистую смесь, а в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический	18-21
Углеродкремниевая смесь	62-66
Цемент	13-20

По четвертому варианту, брикет включает кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, при этом в качестве кремнийсодержащего материала он содержит карбид кремния металлургический, в качестве углеродсодержащего материала содержит углеродкремнистую смесь, а в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Карбид кремния металлургический	1-5
Углеродкремниевая смесь	79-82
Цемент	13-20

Составы вышеуказанных брикетов позволяют качественно улучшить состав брикета путем замены ферросилиция карбидом кремния металлургическим при определенных количественных соотношениях всех компонентов, составы могут использоваться в процессах производства железоуглеродистых сплавов на базе синтетического расплава.

Применение вышеуказанных брикетов предполагает использование их при завалке в составе шихты, что повышает требования к стабильности химического состава шихтовых материалов. В результате необходима последующая доводка расплава по кремнию и углероду. При этом в техническом решении по данному патенту не учитываются начальные и заданные концентрации кремния и углерода в расплаве, что очень важно при выплавке железоуглеродистых сплавов.

Технической задачей данного изобретения является получение железоуглеродистых расплавов различного функционального назначения с заранее заданными свойствами и марочным содержанием кремния и углерода в расплаве с возможностью гибкой корректировки химического состава на разных периодах плавки, а также раскисление шлака и снижение отбела в чугунах и повышение их графитизирующей способности.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе выплавки железоуглеродистых сплавов в индукционных печах, включающем завалку металлической части шихты, плавление и легирование расплава кремний- и углеродсодержащими материалами, отличающемся тем, что легирование осуществляют комплексной смесью, содержащей кремний и углерод, при соотношении С : Si=(25÷90):(0,5÷65), где Si - содержание кремния в комплексной смеси; C - суммарное содержание углерода в комплексной смеси, при этом кремний содержится в составе смеси в виде карбида кремния металлургического и/или его шламов, а углерод - в виде термообработанных углеродсодержащих материалов электродного производства и/или графита.

При необходимости корректировки содержания углерода и кремния в период доводки, вышеуказанные зависимости также являются корректными, обеспечивая необходимое содержание кремния и углерода в соответствии с нормативно-техническими документами. Применение комплексной смеси при выплавке железоуглеродистых сплавов различного функционального назначения в количестве, определенном эмпирической зависимостью, позволяет варьировать в широком интервале содержание кремния и углерода исходя из их начальной концентрации в расплаве и окисленности печного шлака. Применение в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материала карбида кремния позволяет комплексно легировать железоуглеродистый расплав кремнием и углеродом. Взаимодействие карбида кремния с жидким железом происходит по реакции:

SiC_TB+Fe=[Si] _Fe+[C]_Fe

С ассимиляцией кремния и углерода металлом одновременно происходит восстановление окислов железа, содержащихся в шлаке и образовавшихся при плавлении шихты по реакции:

SiC_TB+2(FeO)=(SiO₂ )+2[Fe]

В зависимости от содержания FeO в шлаке (окисленности металла) в расчетное выражение вводится коэффициент К, учитывающий окисленность шлака (К=1÷2);

коэффициент, К учитывает расход SiC на восстановление железа с переходом продуктов реакции в шлак.

Значение эмпирического коэффициента К, характеризующего физико-химические закономерности легирования и раскисления железоуглеродистых расплавов, в пределах 1÷2 регламентируется начальным содержания FeO в шлаке и заданной концентрацией кремния и углерода в расплаве.

При этом кремний вводят в состав смеси в виде карбида кремния металлургического и/или его шламов.

В качестве кремнийсодержащего материала используют некондиционную фракцию ферросилиция.

В качестве углеродсодержащего материала используют материалы термообработанные углеродсодержащие электродного производства.

В качестве углеродсодержащего материала используют карбид кремния металлургический и/или его шламы, а также материалы термообработанные электродного производства и/или графит.

Углеродсодержащие материалы по ТУ 1914-01827208846-99 и/или ТУ 1914-00194042-026-01, и/или ТУ 48-4805-130-99, и/или ГОСТ 5279, и/или ГОСТ 5420, как и карбид кремния, являются продуктами химикотермических реакций чистых компонентов, поэтому они не содержат вредных примесей (сера, фосфор, цветные металлы), которые негативно влияют на качество чугунов.

Карбид кремния металлургический представляет собой мелкокристаллический материал фракции 0-20 мм, содержащий SiC 75-92%, SiO₂ 5-20%. Действующим компонентом является SiC (70% Si, 30% С), который является одновременно источником кремния и углерода. Карбид кремния - инертный материал (не плавится), устойчив до температуры 2610ºС, при взаимодействии с железным расплавом происходит разрыв связи Si - С и данные компоненты растворяются непосредственно в металле. По сравнению с ферросилицием меньший угар кремния, совместное действие Si и С как графитизирующих элементов положительно влияет на структуру металла.

При получении товарного продукта (зерна и порошков) абразивного карбида кремния осуществляется дробление первичного куска с дальнейшим рассевом на грохотах по фракциям. На всех стадиях переработки осуществляется пылеулавливание рукавными фильтрами. Продукт, осаждающий в рукавах фильтры (шлам), представляет собой мелкодисперсный материал с размерами частиц менее 0,05 мм и содержит SiC 70-90%. Металлургический карбид кремния - продукт химико-термической реакции восстановления кварцевого песка углеродом нефтяного кокса:

SiO₂+C=SiC+2СО

Процесс осуществления в самоходных печах сопротивления по методу Ачесона. В отличие от абразивного карбида кремния (a-SiC) металлургический представлен структурной модификацией p-SiC (на образования которой расходуется меньше энергии).

Карбид кремния содержит меньшее количество неметаллических включений и примесей цветных металлов, чем ферросилиций, меньшее содержание газов и способствует выделению элементарного углерода, образуя в жидком расплаве центры графитизации, снижающие отбел.

Материал термообработанный углеродсодержащий электродного производства является вторичным продуктом химико-термических реакций, содержащим SiC и углерод при соотношении С связ.: С своб. = (1÷5):(7÷30), обеспечивающим насыщение расплава частицами углерода, которые также являются активными центрами графитизации. Материал термообработанный углеродсодержащий электродного производства представляет собой обожженый при высоких температурах антрацит и является вторичным материалом электродного производства. В результате нагрева происходит упорядочение кристаллической решетки, что делает его более инертным к окислительной атмосфере и более активным к железистым расплавам. Содержание углерода составляет не менее 80%, карбида кремния 3-15%, серы не более 0,5%, фракция 0-13 мм. По сравнению с коксом - более дешевый и менее сернистый материал, а также хорошо усваивается металлическим расплавом.

Введение в расплав карбида кремния металлургического совместно с материалом термообработанным углеродсодержащим электродного производства и/или графита обеспечивает достаточность процесса науглероживания, повышается концентрация кремния в расплаве и графитизирующая способность, снижается окисленность шлака и склонность к отбелу.

Количество вводимой комплексной смеси рассчитывают по эмпирическим зависимостям, исходя из физико-химических закономерностей легирования железоуглеродистых расплавов в индукционных печах, химического состава расплава на период доводки и требованием ГОСТа к готовому материалу, при этом вводят в расплав комплексную смесь, содержащую кремний и углерод при соотношении С :Si=(25÷90):(0,5÷65)

Заявляемая смесь позволяет легировать чугуны различного функционального назначения кремнием и углеродом как в период завалки, так и в период доводки, строго соблюдая соотношение Si/C. Соотношение компонентов в смеси варьируется исходя из конкретных производственных условий и содержанием Si и С в готовом металле заданной марки.

Диапазон содержания кремния в заявляемой смеси в пределах 0,5-65% объясняется физико-химическими закономерностями легирования железоуглеродистых расплавов кремнием и углеродом. При меньших значениях будет происходить увеличение окисленности шлака (FeO>10%), что, в свою очередь, приводит к повышенному угару легирующих компонентов. При больших значениях не будет обеспечиваться необходимый химический состав.

Диапазон значений содержания суммарного углерода 25-90% обеспечивает высокую и стабильную науглераживающую способность смеси. При содержании в смеси суммарного углерода менее 25% науглероживающая способность ее снижается. При содержании суммарного углерода более 90% ухудшается форма, размеры и распределение включений графита, что снижает качество отливок.

Анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадений отличительных признаков заявляемого способа по сравнению с известными техническими решениями в данной области. Ниже приведены примеры осуществления изобретения, не исключающие другие варианты в пределах формулы изобретения.

Пример конкретного выполнения

Плавку чугуна осуществляли в индукционной печи ЛП3-57 с кислой футеровкой. В качестве шихты применяли лом стали 1А, 2А (ГОСТ 2787-88), обрезь трансформаторной стали (примеры 2, 5 и 6), чугун передельный ПЛ1, ПЛ2 (ГОСТ 805-95). После расплавления металлошихты отбирали пробу на экспресс-химический анализ, затем вводили расчетное количество смеси. Чугун в печи перегревали до 1450°С и выдерживали в течение 10 мин, затем доводили до необходимого химического состава присадками ферросплавов и необходимых легирующих элементов.

После удаления шлака заливали стандартные технические пробы 30 мм для исследования механических свойств чугуна и определения химического состава металла.

Исследования проводились на различных марках чугунов с варьированием как химического состава исходного расплава, так и с компонентным составом задаваемой смеси. Количество задаваемого материала определяли исходя из заявляемого в формуле изобретения выражения. Результаты опытно-промышленных испытаний технологии применения смеси, которая заявляется, представлены в таблице.

Результаты опытно-промышленных испытаний заявляемой технологии
Параметры	Примеры
1	2	3	4	5	6
Испытуемые марки чугунов	СЧ 20	СЧ 20	СЧ 18-36	СЧ 15	ВЧ-450-5	СЧ 21-40
Содержание углерода С0, мас.%	0,1	3,4	1,7	2,6	2,95	3,4
Содержание углерода C1, мас.%	3,5	3,5	3,7	3,6	3,75	3,6
Содержание кремния Si0, мас.%	0,1	2,0	0,8	0,2	1,5	1,4
Содержание кремния Si1, мас.%	2,1	2,1	1,8	2,2	2,0	1,6
Содержание SiC в смеси, мас.%	1,0	1,0	90	90	0,5	95
Содержание суммарного углерода в смеси, С , мас.%	90	90	25	25	95	20
Начальное содержание FeO в шлаке, мас.%	10,0	5,0	8,0	9,0	7,5	7,5
Значение коэффициента К	1,3	1,15	1,4	1,5	0,9	2,1
Количество задаваемой смеси, m, кг/т	49,4	1,27	112	60	7,56	21
Конечное содержание FeO в шлаке, мас.%	2,5	2,1	1'7	1,3	7,0	0,5
Величина отбела, мм	0,0	0,0	0,0	0,0	3,0	1,8
Усвоение углерода, %	92,4	89,1	88,3	87,9	95,6	64,2
Усвоение кремния, %	93,2	96,8	98,2	99,1	94,4	99,5

где условные обозначения в таблице,

К - коэффициент, учитывающий окисленность шлака (К=1-2);

С₀ - содержание углерода в металле по расплавлению (расчетная по металлошихте), в %;

Si₀ - содержание кремния в металле по расплавлению (расчетная по металлошихте), в %;

C₁ - заданное содержание углерода в металле (на выходе перед сливом из печи), в %;

Si₁ - заданное содержание кремния в металле (на выходе перед сливом из печи), в %;

С_с - содержание углерода в углеродсодержащем материале, используемом при изготовлении комплексной смеси, в %

Si_c - содержание кремния в кремнийсодержащем материале, используемом при изготовлении комплексной смеси, в %

С - суммарное содержание углерода в комплексной смеси, в %;

конечное содержание FeO в шлаке, мас.%;

величина отбела, мм;

усвоение углерода, %;

усвоение кремния, %

Проведенные эксперименты показывают, что отступления параметров от необходимых значений приводят к ухудшению технико-экономических показателей процесса. Так, в пятом примере наблюдается повышенный отбел и высокая окисленность шлака. В шестом примере полученный метал не соответствует заданному химическому составу при низкой степени усвоения углерода. В оптимальных примерах 1-4 в полученном металле полностью устранен отбел, окисленность шлака находится в допустимых пределах при высокой степени усвоения углерода.

Из приведенных примеров видно, что в данном способе обеспечивается требуемое ГОСТом, для данного вида сплава содержание углерода и кремния. Используя заявленные в данном решении зависимости, можно подбирать любой состав смеси, исходя из конкретных производственных условий. При необходимости корректировки содержания углерода и кремния в период доводки, вышеуказанные зависимости также являются корректными, обеспечивая необходимое содержание кремния и углерода в соответствии с нормативно-техническими документами. Применение комплексной смеси при выплавке железоуглеродистых сплавов различного функционального назначения в количестве, определенном заявленной зависимостью, позволяет варьировать в широком интервале содержание кремния и углерода исходя из их начальной концентрации в расплаве и окисленности шлака (печного). Применение в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материала карбида кремния позволяет комплексно легировать железоуглеродистый расплав кремнием и углеродом. Указанные примеры подтверждают техническую применимость заявленного способа.