СПОСОБ ВЫПЛАВКИ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ В ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ
PROCEDURE FOR MELTING IRON-CARBON ALLOYS IN INDUCTION FURNACES

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.
Σ
Σ
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:
TB
Fe
Fe
SiC+Fe=[Si]+[C]
С ассимиляцией кремния и углерода металлом одновременно происходит восстановление окислов железа, содержащихся в шлаке и образовавшихся при плавлении шихты по реакции:
TB
2
SiC+2(FeO)=(SiO)+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.
2
Карбид кремния металлургический представляет собой мелкокристаллический материал фракции 0-20 мм, содержащий SiC 75-92%, SiO 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:
2
SiO+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.
Σ
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 С<sub>0</sub>, мас.%
0,1
3,4
1,7
2,6
2,95
3,4
Содержание углерода C<sub>1</sub>, мас.%
3,5
3,5
3,7
3,6
3,75
3,6
Содержание кремния Si<sub>0</sub>, мас.%
0,1
2,0
0,8
0,2
1,5
1,4
Содержание кремния Si<sub>1</sub>, 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<sub>Σ</sub>, 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
<sup>1</sup>'<sup>7</sup>
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);
0
С - содержание углерода в металле по расплавлению (расчетная по металлошихте), в %;
0
Si - содержание кремния в металле по расплавлению (расчетная по металлошихте), в %;
1
C - заданное содержание углерода в металле (на выходе перед сливом из печи), в %;
1
Si - 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 %
c
Si - содержание кремния в кремнийсодержащем материале, используемом при изготовлении комплексной смеси, в %
Σ
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.