металлургический брикет для выплавки синтетического чугуна

Формула изобретения

Металлургический брикет для выплавки синтетического чугуна, содержащий углерод- и кремнийсодержащий материалы и связующее, отличающийся тем, что он дополнительно содержит отсевы ферросилиция фракции от 0 до 5 мм, при этом в качестве углерод- и кремнийсодержащего материала - углерод-кремнистую смесь вторичных продуктов электротермического производства, а в качестве связующего - материал из группы оксидных систем, образующих цементы гидратного твердения, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод-кремнистая смесь вторичных продуктов

электротермического производства 65-80

Отсевы ферросилиция фракции 0-5 мм 7-15

Материалы из группы оксидных систем,

образующих цементы гидратного твердения 13-20

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к черной металлургии, а именно к литейному производству, и может быть использовано при производстве синтетического чугуна.

Известна смесь для модифицирования чугуна /А.С. 1548213 СССР, С 21 С 1/08, С 22 С 35/00, БИ №9,1990. /. Смесь содержит ферросиликохром 40-65%; силикомарганец 20-45%; отходы электродного производства 10-20%. Применение смеси позволяет на 20-25% снизить отбеливаемость чугуна и смесь выполняет только функции модификатора.

Известен модификатор для чугуна / А.с. 1625897 СССР, С 22 С 35/00, БИ №5, 1991./, включающий углеродсодержащий материал и кремнийсодержащий ферросплав с добавками активных элементов при следующем соотношении компонентов, мас.%: сажистое железо (с 20-30% углерода) 10-40; кремнийсодержащий ферросплав с добавками активных элементов 60-90. Указанный модификатор повышает графитизирующую способность и однородность механических свойств в отливках.

Известен модификатор для чугуна /Патент РФ 2069702, С 21 С 1/00, С 22 С 35/00/. По данному изобретению модификатор содержит дисперсный порошок карбида кремния, полученный плазмохимическим синтезом, плакированный углеводородами метанового ряда. Данный состав выполняет только функции модификатора.

Известен модификатор для чугуна /Патент РФ №2180363, С 22 С 35/00, 1/05/, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%: кремний 20-55; углерод 20-65 и/или карбид кремния 30-40; кальций 0,5-6,0; железо остальное. По изобретению модификатор может содержать один элемент, выбранный из группы, включающей, мас.%: магний 1-3; титан 1-5; цирконий 1-5; редкоземельные металлы 1-5; стронций не более 2; барий 2-6. Данный состав выполняет только функции модификатора.

Известен брикет, содержащий кремнийсодержащие остатки /Патент РФ 2124058, МПК С 22 В 1/242 /. По данному изобретению брикет содержит кремнийорганические остатки, 1-10% по сухому весу картонной фибры, 5-40% по весу гидравлического цемента, остальное - кремний. Данный состав используется в качестве добавок для металлургических целей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является модифицирующий брикет для синтетического чугуна /А.с. 1574667, С 22 С 35/00, Бюл. 24, 1990./, который содержит, мас.%: ферросилиций ФС75 5,0-8,0; коксик 80,0-85,0; 40%-ный водный раствор твердых осадков технических лигносульфонатов 10,0-12,0.

Применение данных брикетов позволяет в 2-2,5 раза снизить отбел в тонкостенных отливках, но не устраняет его полностью, обеспечивает только донауглероживание расплава.

Технической задачей изобретения является создание добавки для производства синтетического чугуна такого состава, который позволит обеспечить устранение отбела в тонкостенном литье, стабилизацию твердости по глубине отливки, повышение усвоения углерода, а также использовать в составе металлургического брикета вторичный материал производства углеграфитовой продукции и ферросплавного производства.

Поставленная задача решается за счет того, что металлургический брикет содержит в качестве углерод- и кремнийсодержащего материала вторичный продукт электротермического производства углерод-кремнистую смесь, в качестве связующего используют материалы из группы оксидных систем, образующих цементы, дополнительно содержит ферросилиций фракции от 0 до 5 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод-кремнистая смесь 65-80%

Ферросилиций 7-15%

Связующее 13-20%

В отличие от большинства модифицирующих брикетов заявляемый брикет вводится непосредственно в печь вместе с шихтой, что упрощает технологический процесс плавки.

Углерод - кремнистую смесь получают химико-термическим путем и она, в отличие от применяемых, имеет большую удельную поверхность, что способствует лучшему и более стабильному усвоению углерода. Она не содержит вредных примесей (сера, фосфор и летучие вещества), которые оказывают отрицательное влияние на прочностные характеристики сплавов, на их однородность по сечению разностенных отливок, что повышает качество чугуна за счет дополнительного графитизирующего эффекта кремния. В смеси отсутствует склонность к поглощению влаги, она устойчива к окислительной атмосфере при температуре жидкого металла, длительное время сохраняет высокий раскислительный потенциал.

Углерод - кремнистая смесь содержит оптимальное соотношение углерода, связанного в соединения кремния, и свободного, и за счет их комплексного влияния обеспечивает синергетический принцип их действия. Соотношение С_связ.: С_своб=1:7, что является оптимальным с позиций сочетания его воздействия на процессы структурообразования в чугуне (зародышеобразование и кристаллизация графита, морфология и распределение графитовых включений).

Ввод в состав брикета углерод - кремнистой смеси в заявляемых количествах позволяет получать отливки без отбела.

Ввод в состав брикета ферросилиция фракции от 0 до 5 мм обусловлен тем, что совместное его брикетирование с углерод-кремнистой смесью позволит в 4-8 раз увеличить скорость его растворения в жидком металле. Некондиционная фракция ферросилиция также является вторичным продуктом.

Выбор в качестве связующего материала из группы оксидных систем, образующих цементы гидратного твердения (ГОСТ 30515-97), позволяет изготовить брикеты достаточно высокой прочности, благодаря чему значительно снижаются потери компонентов при их хранении и транспортировке.

Пределы содержания компонентов в составе брикета обосновываются следующим.

Углерод - кремнистая смесь. При содержании в пределах 65-80% обеспечивает устранение отбела, необходимое и стабильное содержание углерода и кремния в металле, стабилизирует твердость по глубине отливки.

При содержании менее 65% не обеспечивает полного устранения отбела, не эффективна как стабилизатор твердости, содержание углерода в металле не соответствует марочному.

При содержании более 80% изменяется форма графита и, как следствие, ухудшаются механические свойства отливок, пересыщение расплава по углероду приводит к выходу его в виде спели.

Ферросилиций. В количестве 7-15% обеспечивает высокую скорость растворения углерод - кремнистой смеси в жидком металле и, следовательно, его полное усвоение. Обеспечивает необходимое содержание кремния в чугуне.

Содержание ферросилиция в количестве менее 7% не соответствует марочному и не способствует устранению отбела. При содержании более 15% появляется избыток кремния, вследствие чего снижаются прочностные характеристики чугуна из-за неоднородности структуры металлической матрицы.

Связующее. В количестве 13-20% обеспечивает надлежащую прочность брикета при транспортировке и хранении. При содержании менее 13% снижается гидрофобность и прочность брикетов. При содержании более 20% значительно увеличивается длительность взаимодействия компонентов брикета с металлическим расплавом и увеличивается количество шлака.

Брикеты изготавливаются прессованием на обычном прессовом оборудовании. Размеры брикетов выбираются в зависимости от условий плавки и составляют в диаметре от 30 до 300 мм.

Примеры составов брикетов приведены в таблице 1. Брикеты под №№2, 3, 4, 5 - представляют заявляемые составы металлургического брикета в пределах, заявленных в изобретении.

Пример №1 - состав прототипа.

Примеры №№6, 7, 8, 9 - заявляемые составы металлургического брикета, но в количествах, выходящих за пределы заявляемых.

ПРИМЕР КОНКРЕТНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ

Плавку чугуна осуществляли по заказу заявителя в индукционной печи ЛПЗ-57 (лабораторная установка кафедры Литейного, производства Национальной Металлургической Академии Украины, г. Днепропетровск) с кислой футеровкой. В качестве шихты применяли лом стали 1А, 2А (ГОСТ 2787-88), ферромарганец (ГОСТ 4755-91, ИСО 5446-80), металлургические брикеты по заявляемому техническому решению. После расплавления лома стали и ввода ферромарганца отбирали пробу на экспресс химический анализ, затем вводили металлургические брикеты по заявляемому изобретению, чугун в печи перегревали до 1450°С и выдерживали в течение 5-10 минут. Производили повторный отбор проб на химический анализ и другие свойства.

Графитизирующую способность металлургических брикетов оценивали по величине отбела пробы размером 65×65×12 мм, а механические свойства в разностенных отливках - по показателям твердости НВ в ступенчатой пробе со ступенями толщиной 10, 20, 40 и 60 мм.

В табл.1 приведены данные о химическом составе чугуна и об усвоении углерода чугуном при плавке с использованием предлагаемых металлургических брикетов и известных по прототипу.

Из полученных результатов, приведенных в табл.1, следует, что в примере 1 при использовании металлургических брикетов известного состава усвоение углерода составило 38,2%; у заявляемых металлургических брикетов усвоение углерода выше и составляет 82,2-86,9% для оптимального состава металлургических брикетов.

В табл.2 приведены данные изменения твердости по глубине ступенчатой пробы и по величине отбела. Использование металлургических брикетов по заявляемому изобретению стабилизирует твердость по сечению отливки, разброс по показателю твердости снижается с 12 до 5-7 ед. НВ.

Из анализа полученных результатов следует, что в примере 1 при использовании металлургических брикетов известного состава (прототипа) получена повышенная величина отбела пробы (табл.2), низкая твердость при большом разбросе ее значений и низкое усвоение углерода.

В примерах 2, 3, 4, 5 отбел отсутствует, наблюдается хорошее усвоение углерода, показатели твердости в пределах ГОСТ 1412-85, разброс значений 5-7 ед. НВ.

В примере 6 - разброс твердости несколько увеличился и составил 9 ед. НВ, происходит образование густого шлака, увеличивается время взаимодействия металлургических брикетов, непрореагировавшие металлургические брикеты всплывают.

В примере 7 - появился отбел, твердость выше показателей по ГОСТ 1412-85, при хорошем усвоении углерода, наблюдается частичное рассыпание брикетов при использовании и транспортировке, угар кремния.

Пример 8 - небольшой отбел (табл.2), твердость в пределах ГОСТ 1412-85 при относительно низком усвоении углерода.

Пример 9 - низкая твердость при максимальном усвоении углерода.

Целесообразно использовать предлагаемые металлургические брикеты для получения серых синтетических чугунов при производстве тонкостенных отливок, когда требуется предотвратить появление поверхностного и кромочного отбела, и при производстве крупных разностенных отливок, когда требуется обеспечить однородность механических свойств металла в стенках разной толщины.

Возможно применение металлургических брикетов при производстве легированного чугуна с соответствующим дополнительным вводом легирующих ферросплавов, а также при скрап-процессе.

Таблица 1
№ брикета	Состав брикетов, % по массе	Содержание элементов в базовом расплаве, %	Содержание элементов в чугуне, %	Усвоение углерода, %
	ФС75	Коксик	Углерод-кремнистая смесь	Связу ющее	С	Si	С	Si
1 (прото тип)	8,0	80,0	-	12,0	0,21	-	2,8	-	38,2
2	15,0	-	65,0	20,0	0,16	0,37	3,65	2,45	88,1
3	14,5	-	72,5	13,0	0,18	0,32	3,58	2,48	82,9
4	12,0	-	75,0	13,0	0,18	0,25	3,67	2,46	82,2
5	7,0	-	80,0	13,0	0,19	0,37	3,63	2,45	86,9
6	5,0	-	70,0	25,0	0,17	0,24	3,44	2,2	82,6
7	15,0	-	75,0	10,0	0,20	0,25	3,7	2,43	82,3
8	3,0	-	82,0	15,0	0,21	0,34	3,75	2,35	80,3
9	20,0	-	62,5	17,5	0,20	0,35	3,47	2,5	79,4