СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО НАУГЛЕРОЖИВАТЕЛЯ ДЛЯ НАУГЛЕРОЖИВАНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ
PRODUCTION OF NANOSTRUCTURED CARBURISER CARBURISING OF IRON-CARBON ALLOYS

Изобретение относится к металлургии, к литейному производству, к переработке чугуна, к обработке в расплавленном состоянии железоуглеродистых сплавов, а именно, к способам производства наноструктурированного науглероживателя высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в плавильных агрегатах.
Существует ряд способов производства науглероживателей для черной металлургии.
Известен способ приготовления науглероживающего реагента для производства стали (патент RU №767216), включающий смешивание в барабане металлической стружки и пирокарбоната, формирование частиц размером 15…20 мм, осуществляющее окомкование дисперсного металлосодержащего компонента в смеси с углеродсодержащим компонентом и связующим, например жидким стеклом или крахмалом. При этом отношение удельных весов металл- и углеродсодержащих компонентов составляет 3…10.
Недостатками известного способа являются пониженное содержание углерода и низкая прочность частиц науглероживателя, предназначенных для разового перемещения, при использовании в составе завалки шихты. Кроме того, неизбежные многократные транспортные пересыпания при использовании для точного легирования в процессе внепечной обработки приводят к излишнему измельчению частиц и повышенному охлаждению расплава.
Также известен способ производства науглероживателя для легирования стали углеродом в вакуумных установках (патент PL №76738), включающий подачу в смеситель порошкообразного углеродного материала, 2% крахмала и 10% воды, их смешивание, формование частиц науглероживателя путем прессования смеси в гранулы произвольной формы диаметром 3…10 мм и дальнейшую сушку.
Недостатками известного способа являются низкое усвоение углерода и недостаточная точность обработки, обусловленная слабой механической прочностью гранул в процессе транспортировки и применения, а следовательно, наличие трудноучитываемых потерь науглероживателя.
Также известен способ производства науглероживателя для легированной стали углеродом в вакуумных установках (патент RU №2073728), включающий подачу в смеситель порошкообразного углеродсодержащего материала одновременно с крахмалом и водой в виде коллоидного раствора, непрерывное помешивание компонентов смеси, формование частиц и их сушку, при этом в образующейся пастообразной смеси массовое соотношение углеродсодержащего материала, крахмала и воды составляет (50-60):(4:3):(46-37) соответственно.
Однако использование в данном способе таких веществ, как коллоидный раствор на основе эмульсии крахмала в воде и древесные опилки при изготовлении пастообразной смеси с последующим формообразованием в виде полуцилиндров, позволяет использовать науглероживатель только в вакуумных установках, что значительно снижает область применения науглероживателя.
Также известен способ производства науглероживателя, применяемый фирмой Desulco for foundries (Германия). Известный способ включает следующие операции:
- тестирование сырьевых материалов;
- дробление;
- рассев с последующим анализом на соответствие химическому составу, чистоте и фракционному размеру;
- высокотемпературный отжиг при температуре свыше 2300°C;
- упаковка науглероживателя.
Недостаток способа заключается в высокотемпературном нагреве науглероживателя без временного регулирования и скорости последующего охлаждения материала. Без приложения удельного давления на углеродсодержащий материал не обеспечивается образование наноструктурированных частиц углерода, что снижает эффективность обработки науглероживателем высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. По этой причине использование науглероживающего материала, полученного известным способом, является менее эффективным и ограничено для практического применения.
Заявляемое изобретение направлено на получение наноструктурированного науглероживателя, повышающего физико-механические свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
Для этого в способе производства наноструктурированного науглероживателя для науглероживания высокопрочного чугуна с шаровидным графитом проводят анализ компонентов исходного углеродсодержащего сырья по фракционному и химическому составу, дозирование, промывку потоком воды, сушку, дробление до фракции 0,1…30,0 мм, после дробления углеродсодержащие компоненты подвергают высокому удельному давлению до 20 ГПа и осуществляют первый высокотемпературный нагрев в восстановительной среде при температуре 500…1500°C в течение 5…20 минут, далее плавно охлаждают, рассеивают по фракциям, после чего подвергают второму высокотемпературному нагреву в восстановительной среде при температуре 1800…2500°C с последующей выдержкой и принудительным охлаждением со скоростью 1,5…3,0 градуса в минуту до комнатной температуры с образованием наноструктур графита до 100 нм на частицах науглероживателя и его последующую упаковку во влагонепроницаемую тару.
В качестве сырья в заявляемом способе производства наноструктурированного науглероживателя для науглероживания высокопрочного чугуна с шаровидным графитом используют традиционные материалы: антрацит, графитовый лом, электродный бой, графитовую стружку и другие углеродсодержащие компоненты.
До поступления сырья в производство проводят анализ химического состава и фрикционного размера каждого из видов исходных материалов. На основании проведенного анализа составляют дозировку каждого материала по имеющейся рецептуре, таким образом, чтобы общее содержание углерода составляло не менее 85%. Затем сырьевые компоненты подвергают промывке потоком воды под высоким давлением для уменьшения содержания зольного остатка и дальнейшему удалению влаги путем сушки в сушильном барабане при температуре 100…120°C.
После проведения подготовки сырья, материалы подвергают дроблению при помощи молотковой дробилки до фракции 0,1…30,0 мм. При фракции, размером до 0,1 мм частички науглероживателя затрудняют последующий ввод в расплав, а материалы фракцией свыше 30,0 мм ухудшают растворимость в расплаве.
Затем по конвейеру сырье проходит через реактор, подвергаясь высокому удельному давлению до 20 ГПа. Высокое удельное давление позволяет разрушить слабые Ван-дер-Ваальсовые связи между пластинами графита и подготовить материалы для последующих температурных обработок. При давлении ниже 20 ГПа не разрушаются Ван-дер-Ваальсовые связи между пластинами графита.
После реактора углеродсодержащий материал подвергают первому этапу высокотемпературного нагрева в восстановительной среде при температуре 500…1500°C в течение 5…20 минут для удаления различных примесей и летучих веществ. При температуре менее 500°C не происходит полного удаления примесей и летучих веществ; при температуре свыше 1500°C возникают термические напряжения, препятствующие закреплению наноструктур графита на гранях науглероживателя.
Времени нагрева менее 5 минут не достаточно для удаления летучих веществ и примесей; свыше 20 минут греть нецелесообразно, так как удаление летучих веществ и примесей завершено.
Далее происходит плавное охлаждение углеродсодержащего материала и рассев по фракциям.
Повторный рассев углеродсодержащего материала по фракциям между первым и вторым высокотемпературным нагревом производят с целью изолирования частичек науглероживателя фракцией менее 0,1 мм, которые могут образоваться после первого этапа высокотемпературного нагрева. В результате повторного рассева фракция выше верхнего предела подвергается дополнительному измельчению и рассеву, а фракция ниже нижнего уровня собирается отдельно и подвергается сухому гранулированию в рамках требуемых фракций для дальнейшего использования в качестве науглероживателя высокопрочного чугуна.
Далее материал подвергают второму этапу высокотемпературного нагрева при температуре 1800…2500°C в специальных печных агрегатах в восстановительной среде с последующей выдержкой и принудительным охлаждением со скоростью 1,5…3,0 градуса в минуту до комнатной температуры.
При температуре ниже 1800°C не происходит образования нанокластеров графита из отдельных наноструктур. Нагревать же выше температуры 2500°C нецелесообразно из-за больших энергозатрат.
Скорость охлаждения менее 1,5 градусов в минуту снижает производительность процесса; более 3,0 градусов в минуту приводит к напряжениям в структуре науглероживателя.
В результате происходит образование наноструктур графита с параметрами до 100 нм, которые представляют собой нанокластеры графита с гексагональной решеткой. При этом нанокластерные частицы графита находятся на углеграфитовом макроносителе - частицах науглероживателя. Качество науглероживателя проверяют по основным параметрам:
1. Внешний вид - сыпучий материал черного цвета, блестящий, без комков и посторонних включений.
2. Ситовый (гранулометрический) состав.
3. Химический состав.
4. Наличие наноструктурированного графита (до 100 нм).
В производстве чугунного литья ОАО «КАМА3-Металлургия» проходили испытания науглероживателей, произведенных заявляемым и известным способом, выбранным в качестве прототипа.
Результаты сравнительных характеристик науглероживателей приведены в таблице 1.
2
По таблице сравнительных данных очевидно, что науглероживатель, полученный заявляемым способом, отличается более высокой степенью усвоения углерода в жидком расплаве металла на всех уровнях: 97-99% против 95%, равномерным зарождением центров кристаллизации графитных включений в чугуне: 250-400 на мм против 200, отсутствием внесения вредных примесей и газов в расплав металла, более низкой температурой усвоения 1350-1450°C против 1500°C, а также наличием наноструктур на всех уровнях.
Способ производства наноструктурированного науглероживателя для науглероживания высокопрочного чугуна с шаровидным графитом обеспечивает производство наноструктурированного науглероживателя с высоким содержанием углерода.
Заявляемое техническое решение в сравнении с известными обеспечивает
- более высокую степень усвоения углерода и равномерное распределение графитной фазы в металлической матрице чугунного литья за счет наличия наноструктур графита;
- повышение физико-механических свойств (таких как предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твердость) в высокопрочном чугуне, полученном из исходного расплава, обусловлено также наличием наноструктур графита.