СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОГО ПОРОШКА
METHOD OF IRON POWDER RECEIVING

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при производстве железных порошков методом распыления железоуглеродистого расплава сжатым воздухом для изготовления сложнопрофильных изделий конструкционного, антифрикционного и электротехнического назначения.
3
3
Для обеспечения необходимого комплекса потребительских свойств железный порошок должен иметь высокую уплотняемость (не менее 7,05 г/см при давлении 700 МПа) и хорошую прочность прессовки (не менее 15 МПа при плотности спрессованного образца 6,5 г/см) в сочетании с химической чистотой по содержанию углерода (не более 0,02 мас.%), кислорода (не более 0,25 мас.%), кремния (не более 0,05 мас.%), марганца (не более 0,15 мас.%), серы и фосфора (каждого не более 0,015 мас.%).
Известен способ получения железного порошка методом распыления из чугуна с содержанием углерода не менее 3,2 мас.%. Расплавленный и перегретый до температуры 1670°С чугун распыляют сжатым воздухом. Полученный порошок-сырец обезвоживают, сушат и отжигают в проходной печи при температурах 1050-1100°С в среде конвертированного природного газа. Полученный спек измельчают, после чего подвергают магнитной сепарации, усреднению и рассеву по классам.
(Большеченко А.Г. Производство железного порошка и спеченных изделий на БЗПМ. В сб. «Металлические порошки. Их свойства и применение». - М.: Металлургия, 1983, с.5-8).
Недостаток известного способа состоит в излишне высокой температуре отжига порошка-сырца (≥1050°С), что отрицательно сказывается на технико-экономических показателях оборудования, в частности приводит к снижению стойкости конвейерной ленты и сокращению срока службы муфеля печи отжига. Кроме того, при этих температурах отжига образуется высокопрочный спек железного порошка, который с трудом поддается последующему измельчению. В результате уменьшается выход годного порошка фракции (-200 мкм), а за счет наклепа частиц готового железного порошка снижаются такие важнейшие потребительские характеристики как уплотняемость и прочность прессовки.
Известен способ получения железного порошка, включающий распыление расплава чугуна сжатым воздухом, обезуглероживающий отжиг полученного порошка-сырца при 900°С в течение 1,5 часа в среде аргона при содержании в нем не более 0,01 об.% азота и последующий восстановительный отжиг в водороде при температуре 900°С в течение 2 часов.
(Патент РФ №2179498 - описание, МПК В22Р 1/00, опубл. 20.02.2002 г.).
Этот способ имеет следующие недостатки:
- относительно низкая температура процесса обезуглероживающего отжига (900°С) обусловливает необходимость длительной выдержки при этой температуре (1,5 часа) для достижения необходимой степени обезуглероживания (0,09 мас.% углерода) и предварительного восстановления (1-2 мас.% кислорода), что приводит к повышению энергозатрат и снижению производительности печей отжига;
- необходимость использования двух агрегатов для термической обработки сначала в среде аргона для обезуглероживания при 900°С с последующим восстановительным отжигом при той же температуре в среде водорода, что также влечет дополнительные энергозатраты на проведение промежуточного охлаждения и повторного нагрева для последующего водородного отжига;
- высокое содержание крупных фракций в порошке-сырце (15-20 мас.%) приводит к снижению выхода годного порошка с размером частиц менее 200 мкм до 75-80 мас.%;
- использование в качестве среды для проведения обезуглероживающего отжига весьма дорогостоящего инертного газа - аргона существенно удорожает процесс промышленного производства железного порошка для массового потребителя.
Наиболее близким к заявленному способу является способ получения железного порошка, включающий подготовку расплава, распыление его сжатым воздухом при температуре расплава в фокусе распыления 1400-1500°С, двухстадийный восстановительный отжиг полученного порошка-сырца и последующее дробление. Первую стадию отжига ведут в нейтральной атмосфере с содержанием кислорода не более 1% со скоростью нагрева 10-20°С/мин до температуры спекания оксидов железа (850°С) и выдержке при этой температуре в течение 2-3 часа, а вторую стадию - в среде водорода или диссоциированного аммиака при температуре нагрева 850-950°С и выдержке в течение 1-3 часов.
3
3
Известным способом получают порошок с насыпной плотностью 2,2-2,5 г/см и формуемостью 2,3-7,2 г/см.
(Патент РФ №1510223 - описание, МПК В22Р 9/06, опубл. 10.09.1996 г. - прототип).
Недостатком этого способа является высокий удельный расход энергозатрат на проведение двухстадийного процесса с длительными выдержками при температурах 850-950°С общей продолжительностью в горячей зоне печи 4-6 часов. Это обусловлено относительно низкой температурой нагрева порошка-сырца на 1-й стадии отжига (850°С), не обеспечивающей достаточную скорость происходящих при этом в порошке диффузионных процессов, а следовательно, приводящей к неоправданно длительному процессу обезуглероживания в течение 2-3 часов. Кроме того, в связи с отсутствием специализированных промышленных проходных 2-зонных печей для двухстадийного отжига с использованием различных по составу газовых атмосфер, каждую из стадий осуществляют раздельно, что ведет к дополнительным энергозатратам на принудительное охлаждение порошка-сырца после обезуглероживания и его повторный нагрев до 850-950°С для проведения II-й стадии отжига в восстановительной атмосфере.
Задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в создании дешевого способа получения высококачественного воздухораспыленного железного порошка с максимальным выходом годного.
Технический результат изобретения состоит в сокращении энергозатрат, улучшении технико-экономических показателей работы оборудования и упрощении способа получения воздухораспыленного железного порошка при сохранении его высоких потребительских свойств.
3
3
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения железного порошка, включающем подготовку железоуглеродистого расплава, его распыление сжатым воздухом с получением порошка-сырца, отжиг и последующее его дробление, согласно изобретению подготавливают железоуглеродистый расплав с содержанием углерода 3,9-4,3 мас.%, расплав распыляют в воду с получением порошка-сырца, имеющего отношение концентраций кислорода к углероду (О/С), составляющее 1,8-2,2, который обезвоживают, сушат и измельчают до крупности частиц не более 0,25 мм. Отжиг порошка-сырца осуществляют в печи при 950-1000°С в течение 1,5-2 часов в слое высотой 25-3 5 мм на непрерывно движущейся ленте в среде газа с точкой росы не выше -25°С, подаваемого в печь противотоком в количестве 120-180 нм на 1 т порошка-сырца и содержащего не менее 70 об.% водорода, не более 28 об.% азота, остальное - примеси, в том числе не более 1,1 об.% метана и не более 4 мг/нм аммиака.
3
3
Выбор диапазона концентраций углерода в железоуглеродистом расплаве (3,9-4,3 мас.%) обусловлен необходимостью получения из него порошка-сырца, отвечающего требованиям по содержанию в нем углерода и кислорода, а также гранулометрическому составу, которые обеспечивают при последующей переработке выпуск качественного железного порошка, сочетающего высокую уплотняемость (не менее 7,05 г/см при давлении 700 МПа) с повышенной для распыленных порошков прочностью прессовки (не менее 15 МПа при плотности 6,5 г/см).
Распыление железоуглеродистого расплава осуществляют воздухом в воду для достижения необходимой скорости охлаждения, обеспечивающей получение частиц порошка-сырца как разветвленной, так и скорлупообразной формы, наследуемой готовым железным порошком и придающей ему высокую технологичность.
Отношение концентраций кислорода к углероду (О/С) в порошке-сырце должно составлять от 1,8 до 2,2 для наиболее полного прохождения процессов обезуглероживания частиц распыленного порошка за счет кислорода, содержащегося в оксидных пленках на поверхности частиц, с одновременным восстановлением этих пленок в результате взаимодействия с образующейся при обезуглероживании закисью углерода (СО), а также водородом, содержащимся в восстановительной атмосфере, подаваемой в печь отжига противотоком.
Отжиг порошка-сырца с соотношением О/С менее 1,8 приводит к получению железного порошка с завышенным содержанием углерода и, как следствие, к существенному понижению уплотняемости. Если соотношение О/С в порошке-сырце составляет более 2,2, то в порошке-сырце содержится завышенное содержание оксидов железа. Поэтому для получения качественного железного порошка с минимальным содержанием кислорода в виде оксидов железа (O≤0,25 мас.%), которые негативно влияют на такие важнейшие технологические свойства как уплотняемость и усадка в процессе спекания, требуется существенное увеличение продолжительности процесса отжига, приводящее, в свою очередь, к резкому падению производительности печи и увеличению расхода водородосодержащего газа.
После распыления для отделения порошка-сырца от воды его обезвоживают и сушат, например, в среде дымовых газов, являющихся отходами металлургического производства, или на воздухе.
Учитывая, что готовый отожженный порошок наследует фракционный состав исходного порошка-сырца, в котором содержится 20 мас.% и более фракции (+250 мкм), для увеличения выхода железного порошка фракции (-200 мкм), которая наиболее широко используется в машиностроении, до 97 мас.% и более требуется применять измельчение порошка-сырца до крупности частиц менее 0,250 мкм. Кроме того, измельчение порошка-сырца благоприятно отражается на интенсификации процессов обезуглероживания и восстановления при последующем отжиге, так как устраняет макросегрегацию в распределении углерода и кислорода в слое порошка-сырца, а также способствует повышению прочности прессовок железного порошка в результате образования конгломератов спекшихся в процессе отжига частиц с высокоразвитой поверхностью губчатой и кораллоподобной формы.
Отжиг предварительно измельченного порошка-сырца осуществляют в интервале температур 950-1000°С в течение 1,5-2 часов. Такое сочетание температур и выдержек обеспечивает достижение высокой производительности проходных промышленных печей и выпуск высококачественного железного порошка, обладающего высокими уплотняемостью и прочностью прессовки при минимальной концентрацией кислорода и углерода. Снижение температуры отжига до 900°С в 2-2,5 раза уменьшает скорость обезуглероживания и восстановления в водородосодержащей среде, что соответственно негативно сказывается на качестве порошка и производительности печного оборудования. Сокращение продолжительности выдержки менее 1,5 часов при указанных температурах отжига приводит к получению железного порошка с низкой уплотняемостью вследствие сохранения в его составе повышенных концентраций углерода и кислорода в виде прочных включений карбидов и оксидов железа, существенно снижающих пластичность железа и вызывающих преждевременный износ пресс-оснастки при формовании деталей. Увеличение длительности отжига порошка сырца в указанном интервале температур более 2 часов, как и повышение температуры отжига более 1000°С, приводит к образованию высокопрочного опека, который требует существенных энергетических затрат на последующее дробление. Получаемый при этом железный порошок имеет наклепанную, сглаженную поверхность, что приводит к снижению уплотняемости и прочности прессовки. Кроме того, уменьшается выход порошка фракции с размером частиц менее 200 мкм, а также ухудшаются условия эксплуатации и экономические показатели работы печи отжига и размольно-дробильного оборудования.
При отжиге в указанных выше температурном и временном интервалах наилучшее сочетание потребительских характеристик железного порошка и экономических показателей работы печного оборудования достигается при отжиге порошка-сырца в слое высотой 25-35 мм на непрерывно движущейся ленте. Такая высота слоя порошка-сырца обеспечивает полноту протекания реакции обезуглероживания, так как препятствует преждевременному проникновению большого количества водорода по всему сечению слоя до окончания реакции удаления углерода за счет окисления его кислородом, входящим в состав оксидов порошка-сырца. Отжиг порошка-сырца в слое высотой менее 25 мм не эффективен вследствие проникновения восстановителя - водорода - на всю глубину уже на начальных стадиях отжига. В результате водород реагирует с кислородом оксидов железа, что препятствует окислению углерода (обезуглероживанию) порошка-сырца. При отжиге в слое высотой более 35 мм вследствие затруднения условий проникновения водорода внутрь опека для удаления остаточного кислорода после прохождения обезуглероживания требуется увеличение времени пребывания порошка в горячей зоне, что снижает экономические показатели работы оборудования.
3
3
3
При таких условиях отжига наилучший технико-экономический результат может быть получен при удельном расходе водородосодержащего газа в диапазоне 120-180 нм на 1 т порошка-сырца. Расход газа свыше 180 нм/т приводит к подавлению реакции обезуглероживания порошка вследствие излишне высокой концентрации водорода, который восстанавливает оксиды железа, конкурируя в этом случае с углеродом, входящим в состав порошка-сырца. В результате получается железный порошок с завышенным содержанием углерода в виде включений цементита, что негативно отражается на уплотняемости и может привести к преждевременному износу пресс-форм при производстве изделий. Подача водородосодержащего газа менее 120 нм/т недостаточна для достижения необходимой полноты удаления кислорода, оставшегося в железном порошке после обезуглероживания. На полноту восстановления оксидов железа в железном порошке до необходимого уровня (не более 0,25 мас.%) также негативно влияет повышение точки росы газа-восстановителя более -25°С. Особенно это касается порошка-сырца со значением O/С=2,0-2,2.
3
Используемые в данном способе состав газа (70 об.% водорода, не более 28 об.% азота, остальное - примеси, в том числе не более 1,1 об.% метана и не более 4 мг/нм аммиака) и схема его подачи в печь противотоком в процессе отжига обеспечивают необходимую полноту процессов обезуглероживания и восстановления частиц порошка-сырца. При меньшем, чем 70 об.% содержании водорода, его концентрация в слое порошка будет недостаточна для более полного удаления кислорода из оксидов, оставшихся после обезуглероживания. Содержание азота более 28 об.% вызывает экранирующий эффект и препятствует диффузии водорода к поверхности оксидных пленок в процессе отжига железного порошка. Водородосодержащий газ указанного состава может с успехом заменить значительно более дорогой диссоциированный аммиак, целесообразность применения которого с точки зрения достижения технического результата апробирована мировой практикой. Газ, используемый в данном способе, при отжиге не требует дополнительной рафинировки по содержанию метана и аммиака в указанных выше пределах, так как их концентрации весьма низки и взаимодействие с поверхностью железного порошка ничтожно мало. Кроме того, метан при поступлении в печь реагирует с парами воды при точке росы не выше -25°С и не науглероживает спек. Аммиак, входящий в состав водородосодержащего газа, при поступлении в горячую зону отжига разлагается на водород и азот, а так как скорости прохождения спеком зоны охлаждения при подаче водородосодержащего газа противотоком столь велики, то процесс азотирования частиц железного порошка не успевает произойти. В результате порошок, отожженный в водородосодержащем газе предложенного состава, сохраняет высокие потребительские свойства и не уступает по качеству порошкам, отожженным как в диссоциированном аммиаке, так и в водороде.
Примеры осуществления способа.
Технологический процесс получения высококачественного железного порошка включает подготовку исходного сырья, загрузку его в плавильный агрегат, плавление, доводку расплава до заданного состава по углероду и примесным элементам, диспергирование расплава сжатым воздухом в воду, с последующим отделением влаги от порошка-сырца: обезвоживание и сушку в среде дымовых газов. Далее порошок-сырец подвергают измельчению до крупности не более 0,25 мм с последующим отжигом в слое на непрерывно движущейся ленте в проходной конвейерной печи, в которую водородосодержащий газ подается методом противотока. Полученный в результате термической обработки спек измельчают с последующим выделением нужной фракции порошка с заданным размером частиц, например, менее 0,20 мм.
Параметры процесса производства железных порошков марок ПЖРВ2.200.24 и ПЖРВ2.200.26 приведены в табл.1. В табл.2 представлены результаты исследования химического состава и технологических характеристик этих порошков, из которых следует, что технологические параметры процесса получения порошков методом распыления железоуглеродистого расплава воздухом с последующей термообработкой позволяют получать высококачественные железные порошки, нашедшие широкое применение в машиностроении и электротехнической промышленности для крупносерийного автоматизированного производства сложнопрофильных изделий в широком диапазоне плотностей. Так, порошок марки ПЖРВ2.200.24 (пример 1) предназначен для формования изделий как антифрикционного назначения с высокой остаточной пористостью (15-17%), так и высокоплотных конструкционных деталей с минимальным уровнем остаточной пористости (менее 10%) конструкционного и электротехнического назначений. Железный порошок марки ПЖРВ2.200.26 (пример 2) может быть с успехом использован для изготовления конструкционных и антифрикционных изделий высокой размерной точности. При этом технологические параметры, приведенные в примере 1, обеспечивают получение порошка более чистого по химическому составу и универсального по потребительским характеристикам. А режим примера 2 позволяет повысить технико-экономические показатели работы оборудования. В первую очередь, это относится к увеличению производительности печи отжига порошка-сырца.
Таблица 1
Технологические параметры процесса получения воздухораспыленного железного порошка
Параметры процесса
Пример 1
Пример 2
Подготовка железоуглеродистого расплава с содержанием углерода, мас.%
3,97
4,13
Получение порошка-сырца с соотношением О/С
2,1
1,9
Измельчение порошка-сырца до крупности не более, мм
0,25
0,25
Отжиг порошка-сырца:
температура нагрева, °С
950
970
выдержка, час
2,0
1,5
высота слоя, мм
25
30
расход подаваемого газа, нм<sup>3</sup>/т
160
130
точка росы подаваемого газа, °С
-30
-30
состав подаваемого газа:
водород, об.%
74,0
73,0
азот, об.%
25,0
26,0
примеси, в том числе
остальное
остальное
метан, об.%
0,9
0,9
аммиак, мг/нм<sup>3</sup>
2,0
2,6
Таблица 2
Состав и свойства готового воздухораспыленного железного порошка
Характеристики порошка
Пример 1
Пример 2
Марка железного порошка
ПЖРВ2.200.24
ПЖРВ2.200.26
Химический состав, мас.%:
Fe
основа
основа
С
0,010
0,016
O
0,17
0,24
Si
0,03
0,04
Mn
0,08
0,13
S
0,009
0,009
P
0,014
0,010
Гранулометрический состав, %:
-0,250+0,200 мм
0,5
1,0
-0,200+0,160 мм
5,7
12,1
-0,160+0,045 мм
72,2
69,2
-0,045 мм
21,6
17,7
Насыпная плотность, г/см<sup>3</sup>
2,47
2,63
Прочность прессовки при 6,5 г/см<sup>3</sup>, МПа
25
19
Уплотняемость при давлении 700 МПа, г/см<sup>3</sup>
7,18
7,13