СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО НАУГЛЕРОЖИВАТЕЛЯ ДЛЯ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ И ВЕРМИКУЛЯРНЫМ ГРАФИТОМ
METHOD FOR OBTAINING NANOSTRUCTURED RECARBURISING AGENT FOR OUT-OF-FURNACE TREATMENT OF HIGH-STRENGTH CAST-IRON WITH BALL-SHAPED AND COMPACTED GRAPHITE

Изобретение относится к металлургии, к литейному производству, в частности к способам получения наноструктурированного науглероживателя для внепечной обработки высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом, применяемым для корректировки состава чугуна и стали по содержанию углерода, выплавляемым в литейном и сталеплавильном производствах.
Близких к заявляемому техническому решению аналогов не обнаружено.
Заявляемое изобретение направлено на обеспечение производства отливок ответственного назначения из высокопрочных чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом при последующей внепечной модифицирующей обработке.
Для реализации способа получения наноструктурированного науглероживателя для внепечной обработки высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом, подготавливают углеродсодержащую композицию, содержащую, масс.%: антрацит 50-85, графитовый лом 5-25, электродный бой 5-25 и графитовую стружку 5-15, которую дробят до фракции 0,1-3,2 мм, прокаливают при температуре 500-1500°C, формируют графитовые сфероиды в структуре материала при высоком удельном давлении до 20 ГПа и подвергают высокотемпературной выдержке при 1800-2500°C в восстановительной среде с образованием наноструктур графита до 100 нм, представляющими собой нанокластеры графита с гексональной решеткой
На фиг.1 изображены нанокластеры графита с гексагональной решеткой.
В настоящее время при выплавке чугуна возникает необходимость увеличения содержания углерода путем введения науглероживателя в жидкий металл. Для науглероживания металла применяют графит и композиции, состоящий из отходов углеродсодержащих материалов, кокса, древесного угля и др.
Для осуществления заявляемого способа получения наноструктурированного науглероживателя для внепечной обработки высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом подготавливают углеродсодержащую композицию, содержащую, масс.%: антрацит 50-85, графитовый лом 5-25, электродный бой 5-25 и графитовую стружку 5-15. Компоненты данной композиции в совокупности обеспечивают требуемую степень усвоения углерода в железоуглеродистом сплаве.
Антрацит, входящий в состав, является одним из основных компонентов науглероживателя, определяющих функциональность и технологическую ценность всего углеродсодержащего материала. Введение в состав антрацита менее 50% влечет за собой снижение эффективности науглероживания железоуглеродистого сплава и повышение температуры усвоения. Наличие же антрацита свыше 85% в составе науглероживателя получить невозможно.
Графитовый лом является важной составляющей науглероживателя. При введении в состав менее 5% графитовый лом малоперспективен - его слишком мало для того, чтобы обеспечить равномерное распределение слоев графита в качестве подложек для роста графитовой фазы. При содержании графитового лома более 25% необходимо повышение температуры для усвоения науглероживателя, что технологически неприемлемо.
Электродный бой - важный элемент в снижении себестоимости производства науглероживателя. Наличие его менее 5% практически не влияет на снижение себестоимости. Введение электродного боя свыше 25% ведет к повышению суммарного расхода науглероживателя и, следовательно, к общему увеличению себестоимости при удовлетворительных технологических и эксплуатационных показателях.
Графитовая стружка - мелкодисперсная составляющая науглероживателя. Содержание графитовой стружки менее 5% ухудшает способность науглероживателя в образовании центров кристаллизации графитной фазы в чугунах. Введение в состав графитовой стружки более 15% провоцирует образование "графитной спели" в чугунах, что недопустимо при дальнейшем производстве высокопрочных чугунов.
Заявляемый способ получения наноструктурированного науглероживателя для внепечной обработки высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом производится трехстадийным технологическим процессом.
На первой стадии компоненты науглероживателя: антрацит, графитовый лом, электродный бой и графитовую стружку дробят до фракции 0,1-3,2 мм и прокаливают в роторных прокалочных печах или вращающихся печах барабанного типа при температурах 500-1500°C. При использовании фракции менее 0,1 мм происходит значительное пылеобразование, за счет чего увеличивается расход материала. Фракция более 3,2 мм - снижает степень усвоения углерода из материала, за счет того что частично уходит в печной шлак. Температурный диапазон 500-1500°C при прокаливании в роторных прокалочных печах или вращающихся печах барабанного типа при температурах является оптимальным для удаления из материала влаги и летучих веществ, при этом также происходит улучшение физико-механических свойств. При температуре прокаливания ниже 500°C удаление летучих веществ не будет происходить, выше 1500°C - начнется интенсивный углерода из материала.
На второй стадии прокаленный углеродсодержащий материал в специальных реакторах формируют графитовые сфероиды в структуре материала при высоком удельном давлении до 20 ГПа. При меньшем давлении не будет обеспечено формирование графитовых сфероидов в структуре материала. Большее давление обеспечить достаточно сложно и экономически неэффективно.
На третьей стадии материал подвергают высокотемпературной выдержке - 1800-2500°C в восстановительной среде с образованием наноструктур графита до 100 нм, представляющими собой нанокластеры графита с гексональной решеткой. При температуре меньше 1800°C не будет происходить нейтрализации молекулярных газов и получение графита «особой» чистоты, температура более 2500°C нецелесообразна из-за значительных энергозатрат. В данных печах, под действием высокотемпературного фактора происходит образование наноструктур графита с параметрами до 100 нм, которые представляют собой нанокластеры графита с гексагональной решеткой. Указанные размеры и форма графита является оптимальными для формирования зародышей вермикулярного и шаровидного графита в чугуне. При этом нанокластерные частицы графита находятся на углеграфитовом макроносителе - частицах науглероживателя фракцией 0,1-3,2 мм.
Проводилось электронно-микроскопическое исследование в сканирующем электронном микроскопе Quanta 3D FEG (двулучевая установка SDB производства FEI) в диапазоне увеличений × 10000 - ×100000. Образцы для исследования были предоставлены ОАО «КАМА3-Металлургия». Проводилось сравнение двух образцов порошкового углеродного материала:
- образец №1 (контрольный) - измельченный, высушенный, не активизированный графитовый порошок;
- образец №2 - измельченный, высушенный, активизированный обработкой при высокой температуре (~ 2000°C) и высоком давлении (до 20 гПа).
Препараты готовились путем нанесения на предметный столик порошка в исходном состоянии, без последующей обдувки.
По результатам испытаний выявлено, что образец №1, не подвергавшийся воздействию высокого удельного давления и высокотемпературной обработке имеет выраженную крупнокристаллическую слоистую структуру, характерную для графита.
Образец №2, подвергавшийся высокому удельному давлению и высокотемпературной обработке, показал наличие сфероидов (отдельных частиц и кластеров), в том числе наноразмерных - 100 нм, как правило, ассоциированных с более крупными частицами графита.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1
Исследуемые образцы
Обработка материала
Структура
Образец №1
Без высокотемпературной обработки и обработки давлением
Крупнокристаллическая слоистая структура, характерная для графита
Образец №2
Высокотемпературная обработка (1800-2500°C) и обработка давлением (до 20 ГПа)
Слоистая структура сферолитов, на поверхности которых присутствуют частицы (капли) размером 100 нм и менее
В производстве чугунного литья ОАО «КАМА3-Металлургия» подвергались сравнительным испытаниям 3 варианта композиции заявляемого способа. Результаты сравнительных данных приведены в таблице 2.
Таблица 2
№ п/п
Наименование материала
Температура усвоения, °C
Наличие цементита
Содержание азота в металле, %
Усвоение углерода от массы материала, %
1
Вариант №1 композиции (нижний уровень)
1450
нет
0,005
97
2
Вариант №2 композиции (средний уровень)
1400
нет
0,004
98
3
Вариант №3 композиции (верхний уровень)
1350
нет
0,003
99
По таблице сравнительных данных очевидно, что все варианты отличаются высокой степенью усвоения углерода в жидком расплаве металла на всех уровнях: 97-99% против 80%, равномерным зарождением центров кристаллизации графитных включений, отсутствием внесения вредных примесей и газов в расплав металла, а так же более низкой температурой науглероживания расплава 1350-1450°C против 1500°C.
Заявляемое изобретение обеспечивает производство отливок ответственного назначения из высокопрочных чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом при последующей внепечной модифицирующей обработке за счет создания большего количества центров графитизации.
Заявляемое техническое решение имеет следующие преимущества:
- более высокая степень усвоения углерода;
- более низкие температуры расплава обрабатываемого материала;
- нанокластерная структура графита с гексогональной решеткой для получения чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом.