способ получения губчатого железа для изготовления тонкого порошка

Формула изобретения

Способ получения губчатого железа для изготовления тонкого порошка, включающий смешивание оксида железа, железного порошка и углеродсодержащего вещества, брикетирование полученной смеси и восстановление путем нагрева, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего вещества используют фенолформальдегидную смолу, оксид железа берут с размерами частиц менее 1 мкм, а нагрев брикетов осуществляют в две стадии, причем на первой стадии нагрев осуществляют без доступа воздуха при температуре 750-800°C, а на второй стадии нагрев осуществляют в вакууме при температуре 800-850°C.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения губчатого железа для производства тонких металлических порошков, губчатое железо также может использоваться для производства изделий путем горячей обработки давлением или спекания предварительно сформованных до восстановления заготовок, для выплавки высококачественных сталей, а также в качестве катализаторов и фильтрующих элементов.

Известен способ получения порошка из губчатого железа (процесс Хоганеса), включающий смешивание оксида железа с размером частиц около 0,5 мм с коксом, помещение указанной смеси в герметичные тигли, их нагрев при температурах 1000-1200°С, распаковку тиглей. В результате получают губчатое железо, из которого можно изготовить размолом железный порошок с размерами частиц 50-100 мкм. Недостатком этого процесса является длительность цикла восстановления, занимающая более 90 часов и то, что этим способом нельзя получить порошок дисперсностью 40 мкм и менее [1-2].

Известен способ получения порошка из губчатого железа, включающий смешивание измельченной окалины с термоштыбом (мелкой фракцией антрацита) и известью, помещение указанной смеси в герметичные тигли, их нагрев при температурах 1000-1050°С, распаковку тиглей и размол полученного губчатого железа. Недостатком этого процесса является длительность цикла восстановления, занимающая около 150 часов и невозможность получить высокодисперсный порошок [3].

Наиболее близким по технической сущности является способ, включающий смешивание окалины, железного порошка и углеродсодержащих веществ: коксика и нефтяного пека, брикетирование полученной смеси и восстановление путем нагрева в конвертированном природном газе при температуре 1100°С [3].

Однако и этот способ не позволяет получать высокодисперсные порошки, поскольку при высокой температуре восстановления тонкие фракции порошков спекаются.

Изобретение решает задачу расширения технологических возможностей метода получения губчатого железа путем углеродного восстановления оксида железа.

Техническим результатом изобретения является повышение дисперсности структуры губчатого железа, что обеспечивает получение из него весьма тонкого порошка, а также сокращение энергозатрат.

Технический результат достигается тем, что способ получения губчатого железа для изготовления тонкого порошка включает смешивание оксида железа и порошка железа с углеродсодержащими веществами, брикетирование полученной смеси, нагрев смеси для восстановления оксида, причем новым является то, что используют в качестве углеродсодержащего вещества фенолформальдегидную смолу, оксид железа с размером частиц менее 1 мкм, а нагрев брикетов осуществляют в две стадии, причем первую стадию осуществляют без доступа воздуха при t=750÷800°C, а вторую стадию осуществляют в вакууме при t=800-850°C.

Использование указанной совокупности факторов, с одной стороны, активирует процесс восстановления, а с другой стороны, за счет применения низких температур обеспечивает получение высокопористого хорошо размалываемого губчатого железа.

Способ осуществляется следующим образом. Железный порошок, оксид железа и фенолформальдегидную смолу смешивают, затем полученную смесь брикетируют путем горячего прессования при температуре 150°С. Причем соотношение между количеством оксида и количеством смолы в смеси рассчитывают следующим образом:

а) Расчетное количество углерода (К _у ^p), необходимое для полного восстановления оксида согласно реакции:

2Fe₂O ₃+3C=4Fe+3CO₂;

К _y ^p=0,113×М_оксида , где

М_оксида - масса оксида.

б) количество углерода, получаемое в результате термодеструкции смолы, будет равно:

К_у ^c=k×М_см,

где М _см - масса смолы,

k - коксовое число смолы.

Для прохождения полного восстановления необходимым условием будет выполнение неравенства:

К_y ^c>К_y ^p или 0,113×М_оксида>k×М _см.

Окончательно соотношение выбирают с учетом потерь углерода, которое определяется типом термического устройства и может быть определено экспериментально в зависимости от остаточного содержания углерода в порошке. Затем брикеты нагревают, причем на первой стадии нагрев осуществляют при атмосферном давлении без доступа воздуха при температуре t=750÷800°C, при этом в процессе нагрева происходит термодеструкция смолы и выделение тонкодисперсного кокса в промежутках между частицами оксида; на второй стадии нагрев брикетов осуществляют в вакууме, при температуре t=800÷850°C. Температура первой стадии нагрева 750÷800°C определяется тем, что этой температуры достаточно для полной термодеструкции смолы. При температуре более 800°С процесс деструкции смолы протекает слишком бурно, что может вызывать выброс углерода из брикетов. Нижний предел температуры нагрева в вакууме обусловлен тем, что при меньшей температуре процесс восстановления замедляется и не проходит до конца. Верхний предел 850°С обусловлен тем, что при больших температурах губка начинает сильно спекаться, что затрудняет ее размол в случае получения из нее порошков.

Количество вводимого в смесь железного порошка определяется только экономической целесообразностью, так как, чем больше железа, тем более ускоряется процесс восстановления и снижается его себестоимость. С другой стороны увеличение содержания железного порошка увеличивает стоимость шихты. Нахождение соответствующего компромисса является обычной инженерно-экономической задачей, решаемой для конкретных условий производства продукции.

Пример осуществления способа 1.

В качестве исходных материалов применяли:

1. Порошок железа марки НС со средним размером частиц 4-6 мкм.

2. Оксид железа марки ХЧ со средним размером частиц в пределах 4-6 мкм.

3. Оксид железа марки ХЧ со средним размером частиц в пределах 0,5-1 мкм.

4. Фенолформальдегидная смола (ФФС) с коксовым числом К=0,315.

С применением указанных компонентов были изготовлены опытные композиции различных составов, приведенных в табл.1. Эти композиции после брикетирования были нагреты без доступа воздуха при температуре 750°С в течение 120 минут, а затем их подвергали нагреву при температурах 750; 800; 850°С в вакууме в течение времени от 60 до 180 мин, причем для реализации процесса достаточно степени вакуума, создаваемого форвакуумным насосом (0,1-1,0) мм рт.ст. На образцах измеряли степень восстановления - величину, равную отношению:

где - степень восстановления,

х - количество кислорода в исходной композиции,

у - количество кислорода в композиции после удаления ФФС и восстановления в вакууме.

Величину х определяли расчетным путем исходя из количества оксида в композиции.

Величину у определяли по ИСО 4491-4.

Результаты измерений приведены в таблице 1.

Таблица 1 Степень восстановления губчатого железа в зависимости от температуры и времени нагрева в вакууме.
Номер состава	Состав композиций, мас.%	Размер частиц оксида, мкм	Температура восстановления, °С	Степень восстановления у при времени нагрева
				60 мин	120 мин	180 мин
1	ФФС - 25 Fe2O3 - 68 Fe - 7	4-6	750 800 850	0,05 0,21 0,55	0,06 0,22 0,57	0,06 0,22 0,58
2	ФФС - 25 Fe2О3 - 68 Fe - 7	менее 1,0 мкм	750 800 850	0,59 0,75 0,91	0,65 0,85 более 0,99	0,77 0,92 более 0,99
3	ФФС - 18,4 Fe2О3 - 46,2 Fe - 35,4	4-6	750 800 850	0,06 0,29 0,60	0,07 0,29 0,65	0,07 0,30 0,68
4	ФФС - 18,4 Fe2О3 - 46,2 Fe - 35,4	менее 1,0 мкм	750 800 850	0,62 0,85 0,95	0,73 0,95 более 0,99	0,84 более 0,99 более 0,99

Из табл.1 следует, что при использовании частиц оксида размерами менее 1 мкм при температурах нагрева в вакууме 800-850°С достигается практически полное восстановление оксида при времени выдержки 180 мин и 120 мин, соответственно, а при использовании частиц оксида размерами 4-6 мкм полное восстановление в указанном интервале температур не достигается. Температуры 750°С не достаточно для полного восстановления оксида при выдержке даже 180 мин.

Марку железного порошка выбирают исходя из экономической целесообразности.

В табл.2 приведены значения плотности и пористости для губчатого железа, полученного из композиций составов 2 и 4.

Таблица 2
№ состава	Температура восстановления °С	Время нагрева 60 минут		Время нагрева 120 минут		Время нагрева180 минут
		плотность, г/см3	пористость, %	плотность, г/см3	пористость, %	плотность, г/см3	пористость %
2	850	3,2	59	3,35	757	3,40	56
4	850	3,95	49	4,08	48	4,15	47

Как следует из результатов измерения плотности, приведенных с таблице 2, при температуре 850°С губчатое железо спекается незначительно.

После предварительного дробления в молотковой дробилке брикеты размалывают, например, в аттриторе объемом 15 литров при удельной энергии 2-4 кВт на 1 кг продукта. Продуктом размола является железный порошок, в котором массовое содержание частиц размерами менее 1 мкм пропорционально содержанию оксида в исходной композиции с коэффициентом пропорциональности, близким к величине 0,7. Приведенные выше примеры обосновывают выбранный размер частиц оксида и термические режимы его восстановления.

Источники информации

1. В.Д.Джонс. Производство металлических порошков. М.: Мир, 1964.

2. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы. Под ред. В.Штата. М.: Металлургия, 1984.

3. И.М.Федорченко, Р.А.Андриевский. Основы порошковой металлургии. Киев: АНУССР, 1961.