брикет, используемый при производстве чугуна (варианты)

Формула изобретения

1. Брикет, используемый при производстве чугуна, включающий кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, отличающийся тем, что в качестве кремнийсодержащего материала он содержит карбид кремния металлургический, в качестве углеродсодержащего материала содержит углеродкремнистую смесь, а в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 59-62

Углеродкремнистая смесь 21-25

Цемент 13-20

2. Брикет, используемый при производстве чугуна, включающий кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, отличающийся тем, что в качестве кремнийсодержащего материала он содержит карбид кремния металлургический, в качестве углеродсодержащего материала содержит углеродкремнистую смесь, а в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 44-48

Углеродкремнистая смесь 36-39

Цемент 13-20

3. Брикет, используемый при производстве чугуна, включающий кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, отличающийся тем, что в качестве кремнийсодержащего материала он содержит карбид кремния металлургический, в качестве углеродсодержащего материала содержит углеродкремнистую смесь, а в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 18-21

Углеродкремнистая смесь 62-66

Цемент 13-20

4. Брикет, используемый при производстве чугуна, включающий кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, отличающийся тем, что в качестве кремнийсодержащего материала он содержит карбид кремния металлургический, в качестве углеродсодержащего материала содержит углеродкремнистую смесь, а в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 1-5

Углеродкремнистая смесь 79-82

Цемент 13-20

Описание изобретения к патенту

Заявляемое изобретение (четыре варианта) относится к черной металлургии, в частности к производству железоуглеродистых сплавов.

Заявляется четыре варианта технического решения, которое по каждому из вариантов является решением одной и той же задачи принципиально тем самым путем, которые не могут быть охвачены одним общим пунктом формулы изобретения.

Известна смесь для обработки чугуна, которая содержит углеродсодержащий материал, карбид кремния, ферросилиций и оксиды ванадия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углеродистый материал 10-30

Карбид кремния 1-5

Оксид ванадия 10-30

Ферросилиций 75% остальное

(А.С. СССР №1169996, С 22 С1/00. Бюл. №28, 1985 г.)

Указанная смесь увеличивает стойкость против износа обрабатываемого чугуна.

Известна смесь для обработки чугунов, содержащая 75% ферросилиций, углеродсодержащий материал и оксиды хрома при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углеродистый материал 10-30

Карбид кремния 1-5

Оксиды хрома 10-30

75% ферросилиций остальное

(А.С. СССР №1266869, С 22 С 1/00. Бюл. №40, 1986 г.)

Указанная смесь увеличивает твердость и коррозионную стойкость чугуна.

Известен модифицирующий брикет, содержащий алюминий, плавиковый шпат, графит, ферросилиций и/или силикобарий и связующее при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий 15-35

Плавиковый шпат 2-10

Графит 2-4

Ферросилиций и/или

силикобарий остальное

При этом связка имеет следующий состав, мас.%:

Гидрокарбонат магния 52,0-56,0

Хромовый ангидрид 2,6-2,9

Оксид хрома 11,2-11,9

Диоксид титана 23,3-26,0

Вода остальное

(А.С. СССР №1498792, С 21 С 1/08, С 22 С 35/00. Бюл. №29, 1989 г.)

Указанная смесь увеличивает прочность брикета и улучшает механические свойства обрабатываемых чугунов.

Известен брикет для производства чугуна и стали (Патент РФ №2083681, МПК С 21 С 5/06, С 22 В 1/24). По данному изобретению брикет для производства чугуна и стали включает стальную окалину, углеродсодержащий материал и связующее, причем в качестве связующего используется смесь диоксида кремния, оксида кальция, оксида натрия и оксида алюминия, а в качестве углеродсодержащего материала - электродный бой.

Известен брикет, содержащий кремнийсодержащие остатки (варианты), и способ его получения. Брикет по этому изобретению содержит кремнийсодержащие остатки в качестве добавок для металлургических целей, при этом он состоит по сухому весу из 1-10% по весу картонной фибры, 5-40% по весу гидравлического цемента, а остальное кремний (Патент РФ №2124058, МПК С 22 В 1/242).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту являются модифицирующие брикеты для синтетического чугуна, содержащие ферросилиций ФС-75, связующее и карбюризатор, в качестве карбюризатора выступает кокс, в качестве связующего - 40% водный раствор твердого осадка технических лигносульфонатов при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Ферросилиций ФС-75 5,0-8,0

Коксик 80,0-85,0

40% водный раствор твердого осадка

технических лигносульфонатов 10,0-12,0

(А.С. СССР №1574667, С 22 С 35/00. Бюл. №24, 1990 г.)

Состав указанных брикетов обеспечивает только донауглероживание расплава и снижение отбела тонкостенных отливок.

Технической задачей данного изобретения является достижение качественного улучшения состава брикета путем замены ферросилиция карбидом кремния металлургическим при определенных количественных соотношениях всех компонентов, что приводит к получению более высоких технических результатов - повышения прочностных характеристик железоуглеродистых сплавов и улучшения технологического процесса производства отливок из синтетических чугунов за счет их одновременного донауглероживания и модифицирования.

Брикеты, заявляемые данным изобретением (четыре варианта), могут быть использованы в процессах производства железоуглеродистых сплавов, а также серых и легированных чугунов на базе синтетического расплава, который имеет низкую способность к графитизации.

В первом варианте поставленная задача решается тем, что брикет для производства железоуглеродистого сплава, включающий кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, содержит в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбид кремния металлургический и углерод - кремнистую смесь, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 59-62

Углеродкремнистая смесь 21-25

Цемент 13-20

Во втором варианте брикет для производства железоуглеродистого сплава включает кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, содержит в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбид кремния металлургический и углеродкремнистую смесь, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 44-48

Углеродкремнистая смесь 36-39

Цемент 13-20

В третьем варианте брикет для производства железоуглеродистого сплава включает кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, содержит в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбид кремния металлургический и углеродкремнистую смесь, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 18-21

Углеродкремнистая смесь 62-66

Цемент 13-20

В четвертом варианте брикет для производства железоуглеродистого сплава включает кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, содержит в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбид кремния металлургический и углеродкремнистую смесь, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 1-5

Углеродкремнистая смесь 79-82

Цемент 13-20

Признаком, общим для указанных для всех вариантов заявляемых брикетов и у прототипа, является наличие кремнийсодержащего материала, углеродсодержащего материала и связующего.

Отличительным признаком для первого варианта является содержание в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбида кремния металлургического и углеродкремнистой смеси, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 59-62

Углеродкремнистая смесь 21-25

Цемент 13-20

Отличительным признаком для второго варианта является содержание в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбида кремния металлургического и углеродкремнистой смеси, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 44-48

Углеродкремнистая смесь 36-39

Цемент 13-20

Отличительным признаком для третьего варианта является содержание в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбида кремния металлургического и углеродкремнистой смеси, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 18-21

Углеродкремнистая смесь 62-66

Цемент 13-20

Отличительным признаком для четвертого варианта является содержание в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбида кремния металлургического и углеродкремнистой смеси, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 1-5

Углеродкремнистая смесь 79-82

Цемент 13-20

Введение в состав смеси металлургического карбида кремния обеспечивает замену ферросилиция. Карбид кремния используется как компонент шихты, обеспечивая необходимое содержание в чугуне кремния и частично углерода. Использование карбида кремния металлургического более экономично в сравнении с ферросилицием и способствует снижению склонности жидкого чугуна к отбелу, а также к более равномерному распределению включений шаровидного графита в высокопрочном чугуне и более стабильному содержанию кремния во всех чугунах, что значительно улучшает технологические характеристики железоуглеродистого расплава и механические свойства чугуна.

Влияние карбида кремния металлургического совместно с углеродкремнистой смесью обеспечивает достаточность процесса науглероживания. Карбид кремния содержит меньшее количество неметаллических включений и примесей цветных металлов, чем ферросилиций, меньшее содержание газов и способствует выделению элементарного углерода, образует в жидком расплаве центры графитизации.

Углеродкремнистая смесь - вторичный продукт химико-термических реакций с соотношением Ссвяз.: Ссвоб. = 1:7, обеспечивает насыщение расплава частицами углерода, которые являются активными центрами графитизации и также являются источником кремния в виде SiC.

Таким образом, в заявляемом брикете комбинация углеродсодержащих компонентов обеспечивает графитизацию чугуна за счет комплексного влияния и одновременно обеспечивается синергетический принцип их действия.

Выбор цемента в качестве связующего позволяет изготовить брикеты достаточно высокой прочности, благодаря чему существенно снижаются потери компонентов при их хранении и транспортировке.

Границы содержания компонентов в составе брикета по первому варианту обосновываются следующим.

Карбид кремния (СТП 002222-162-99). При содержании в пределах 59-62 мас.% обеспечивается устранение отбела в чугуне, обеспечивается необходимое содержание кремния. При содержании менее 59 мас.% - содержание кремния в чугуне не отвечает марочному. При содержании более 62 мас.% - время реагирования брикетов значительно увеличивается при малом донауглероживающем эффекте (ухудшается модифицирующая способность брикета, ухудшается форма графита и, как следствие, механические свойства отливок).

Углеродкремнистая смесь (ТУУ 322-00196204.005-99). Количество углеродкремнистой смеси в брикетах в пределах 21-25 мас.% обеспечивает стабильную науглероживающую способность брикетов. При содержании в брикете углеродкремнистой смеси менее 21 мас.% науглероживающая способность их недостаточна, а при содержании ее более 25 мас.% появляется избыток углерода в сравнении с марочным составом.

Цемент (ГОСТ 30515-97), например, марки М-400 обеспечивает необходимую прочность брикетов. Но при содержании в составе брикета менее 13 мас.% цемента они имеют недостаточную прочность, увеличенное рассыпание. При содержании более 20 мас.% ухудшаются механические свойства чугуна, увеличивается количество шлака.

Границы содержания компонентов в составе брикета по второму варианту обосновываются следующим.

Карбид кремния (СТП 002222-162-99). При содержании в пределах 44-48 мас.% обеспечивается устранение отбела в чугуне, увеличение количества феррита в чугуне и обеспечивается необходимое содержание кремния. При содержании менее 44 мас.% содержание кремния в чугуне не отвечает марочному. При содержании более 48 мас.% появляется избыток кремния, вследствие чего снижаются прочностные характеристики чугуна из-за неоднородности структуры металлической матрицы.

Углеродкремнистая смесь (ТУУ 322-00196204.005-99). Количество углеродкремнистой смеси в брикетах в пределах 36-39 мас.% обеспечивает высокую и стабильную науглероживающую способность брикетов. При содержании в брикете углеродкремнистой смеси менее 36 мас.% науглероживающая способность их низкая, при содержании ее более 39 мас.% ухудшается форма, размеры и распределение включений графита, что ухудшает качество отливок.

Цемент (ГОСТ 30515-97), например, марки М-400. В заявляемом количестве обеспечивает необходимую прочность брикетов. Но при содержании в составе брикета менее 13 мас.% цемента они имеют недостаточную прочность, увеличенное рассыпание. При содержании более 20 мас.% ухудшаются механические свойства чугуна, увеличивается количество шлака.

Границы содержания компонентов в составе брикета по третьему варианту обосновывается следующим.

Карбид кремния (СТП 002222-162-99). При содержании в пределах 18-21 мас.% обеспечивается необходимое содержание кремния, достижение эффекта графитизирующего модифицирования, устраняется отбел. При содержании менее 18 мас.% содержание кремния в чугуне не отвечает марочному. При содержании более 21 мас.% появляется избыток кремния, вследствие чего снижаются прочностные свойства из-за неоднородности структуры металлической матрицы.

Углеродкремнистая смесь (ТУУ 322-00196204.005-99). При содержании в пределах 62-66 мас.% обеспечивается достаточность процесса науглероживания. При содержании в брикете углеродкремнистой смеси менее 62 мас.% не обеспечивается марочный состав чугуна по углероду, а при содержании ее более 66 мас.% ухудшается форма, размеры и распределение включений графита, что ухудшает качество отливок.

Цемент (ГОСТ 30515-97), например, марки М-400. В заявляемом количестве обеспечивает необходимую прочность брикетов. Но при содержании в составе брикета менее 13 мас.% цемента они имеют недостаточную прочность, увеличенное рассыпание. При содержании более 20 мас.% ухудшаются механические свойства чугуна, увеличивается количество шлака.

Границы содержания компонентов в составе брикета по четвертому варианту обосновываются следующим.

Карбид кремния (СТП 002222-162-99). При содержании в пределах 1-5 мас.% обеспечивается достижение эффекта графитизирующего модифицирования, снижение количества структурно свободного цементита. При содержании более 5 мас.% в чугуне появляется избыток кремния, вследствие чего снижаются прочностные свойства из-за неоднородности структуры металлической матрицы.

Углеродкремнистая смесь (ТУУ 322-00196204.005-99). При содержании в пределах 79-82 мас.% обеспечивается насыщение расплава частицами углерода, которые являются активными центрами графитизации. При содержании в брикете углеродкремнистой смеси менее 79 мас.% не обеспечивается достаточная степень, а при содержании ее более 82 мас.% приводит к выходу графита с жидкого чугуна в виде спели, что ухудшает качество отливок.

Цемент (ГОСТ 30515-97), например, марки М-400. В заявляемом количестве обеспечивает необходимую прочность брикетов. Но при содержании в составе брикета менее 13 мас.% цемента они имеют недостаточную прочность, увеличенное рассыпание. При содержании более 20 мас.% ухудшаются механические свойства чугуна, увеличивается количество шлака.

Проведенный заявителем поиск по научно-техническим и патентным источникам информации и выбранный из перечня аналогов прототип позволяет выявить вышеприведенные отличия в предлагаемом техническом решении.

Итак, предлагаемое техническое решение “Брикет для производства железоуглеродистого сплава” (четыре варианта) отвечает критерию изобретения - новизна.

Проведенный дополнительный анализ известных технических решений для определения в них признаков, аналогичных признаками отличительной части формулы изобретения заявляемого технического решения, показал, что эти признаки не найдены среди известных решений.

Таким образом заявляемое техническое решение, отвечает критерию изобретения - изобретательский уровень.

Примеры конкретного выполнения.

1. Брикеты по первому варианту используются при производстве синтетического чугуна из шихты, состоящей из 27% стального лома, 63% литейных или передельных чугунов, 10% брикетов, по заявляемому изобретению, например, для чугуна ЧС5Ш (ГОСТ 7769-82).

Для проведения сравнительных исследований брикетов для плавки чугуна как объект исследований выбран чугун ЧС5Ш следующего химического состава, %: углерод 2,7-3,5; кремний 4,5-5,5; марганец 0,8; фосфор 0,10; сера 0,03; хром до 0,2; титан 0,1-0,3; железо остальное.

Плавку синтетического чугуна проводили в индукционной печи ЛПЗ-57 с кислой футеровкой. В качестве металлической шихты использовали 27% стального лома марки 1А (ГОСТ 2787-88), 63% передельного чугуна марки ПЛ2 (Ст СЭВ 3288-92). Расплав перегревали до 1450°С и вводили 10% брикетов.

Исследованные составы брикетов и результаты исследований приведены в табл.1.

2. Брикеты по второму варианту используются при производстве синтетического чугуна из шихты, состоящей из 45% стального лома, 45% литейных или передельных чугунов, 10% брикетов, по заявляемому изобретению, например, для чугуна СЧ10 (ГОСТ 1412-85), АЧС-5 (ГОСТ 1585-85).

Для проведения сравнительных исследований брикетов для плавки чугуна как объект исследований выбран чугун АЧС-5 следующего химического состава, %: углерод 3,5-4,3; кремний 2,5-3,5; марганец 7,5-12,5; фосфор не более 0,20; сера не более 0,06; хром до 0,2; железо остальное.

Плавку синтетического чугуна осуществляли в индукционной печи ЛПЗ-57 с кислой футеровкой. В качестве металлошихты использовали 45% стального лома марки 1А (ГОСТ 2787-88), передельного чугуна марки ПЛ2 (Ст СЭВ 3288-92). Расплав перегревали до 1450°С и вводили 10% брикетов.

Исследованные составы брикетов и результаты исследований приведены в табл.1.

3. Брикеты по третьему варианту используются при производстве синтетического чугуна из шихты, состоящей из 63% стального лома, 27% литейных и передельных чугунов, 10% брикетов, по заявляемому изобретению, например, для чугуна СЧ 30-35 (ГОСТ 1412-85), АСЧ-2 (ГОСТ 1585-85).

Для проведения сравнительных исследований брикетов для плавки чугуна как объект исследований выбран чугун СЧ35 следующего химического состава, %: углерод 2,9-3,0; кремний 1,2-1,5; марганец 0,7-1,1; фосфор 0,2; сера 0,12; железо остальное.

Плавку синтетического чугуна осуществляли в индукционной печи ЛПЗ-57 с кислой футеровкой. В качестве металлической шихты использовали 63% стального лома марки 1А (ГОСТ 2787-88), 27% передельного чугуна марки ПЛ2 (Ст СЭВ 3288-92). Расплав перегревали до 1450°С и вводили 10% брикетов по заявляемому изобретению.

Исследованные составы брикетов и результаты исследований приведены в табл.2.

4. Брикеты по четвертому варианту используются при производстве синтетического чугуна из шихты, состоящей на 90% из стального лома и 10% брикетов по заявляемому изобретению, например, для чугуна ЧС17 (ГОСТ 7769-82).

Для проведения сравнительных исследований брикетов для плавки чугуна как объект исследований выбран чугун ЧС17 следующего химического состава, %: углерод 0,3-0,5; кремний 16,1-18,0; марганец 0,8; фосфор 0,10; сера 0,07; железо остальное.

Плавку синтетического чугуна осуществляли в индукционной печи ЛПЗ-57 с кислой футеровкой. В качестве металлошихты использовали 90% стального лома марки 1А (ГОСТ 2787-88). Расплав перегревали до 1450°С и вводили 10% брикетов.

Исследованные составы брикетов и результаты исследований приведены в табл.2.

Для всех плавок:

Чугуны выдерживали в течение 10 мин и доводили до необходимого химического состава присадками ферросплавов и необходимых легирующих элементов.

После удаления шлака заливали стандартные технические пробы 30 мм для исследования механических свойств чугуна, определения химического состава металла.

Как видно из таблиц 1, 2, предлагаемые брикеты обеспечивают увеличение прочностных характеристик на 7-13% для чугунов своей группы, при более технологичном процессе производства чугуна - одновременном донауглероживании и модифицировании.

Предлагаемые составы брикетов могут быть легко воспроизведены и использованы для производства высококачественных железоуглеродистых расплавов.

Таким орбразом, заявляемое техническое решение (четыре варианта) отвечает критерию изобретения - промышленная применимость.

Таблица 1
Брикет для обработки чугуна	Пределы содержания ингредиентов	Состав брикетов, мас.%	Содержание углерода в базовом расплаве, %	Содержание углерода в чугуне после обработки брикетами, %	Эффект донауглероживания	Временное сопротивление чугунов при растяжении, МПА
Карбид кремния металлургический	Ферросилиций	Углеродкремнистая смесь	Связующее	ГОСТ	Опыт
Известный СЧ-25	Средний		7,0	83,0	10,0	2,74	3,31	0,208	252	252
Предлагаемый брикет по первому варианту ЧС5Ш ГОСТ 7769-82	Нижний	59	-	21	13	1,9	2,7	0,421	290	316
Средний	60,5	-	23	16,5	1,9	3,1	0,631	290	316
Верхний	62	-	25	20	1,9	3,5	0,969	285	308
Ниже нижнего	58		20	12	1,9	2,1	0,105	310	347
Выше верхнего	63		26	21	1,9	3,8	1	270	289
Предлагаемый брикет по второму варианту АЧС5 ГОСТ 1585-85	Нижний	44	-	36	13	1,5	3,5	1,33	100	109
Средний	46	-	37,5	16,5	1,5	3,8	1,53	120	132
Верхний	48	-	39	20	1,5	4,3	1,87	128	140
Ниже нижнего	43		35	12	1,5	3,0	1	138	155
Выше верхнего	49		40	21	1,5	4,8	2,2	90	102

Таблица 2.
Брикет для обработки чугуна	Пределы содержания ингредиентов	Состав брикетов, мас.%	Содержание углерода в базовом расплаве, %	Содержание углерода в чугуне после обработки брикетами, %	Эффект донауглероживания	Временное сопротивление чугунов при растяжении, МПА
Карбид кремния металлургический	Ферросилиций	Углеродкремнистая смесь	Связующее	ГОСТ	Опыт
Известный СЧ-25	Средний		7,0	83,0	10,0	2,74	3,31	0,208	252	252
Предлагаемый брикет по третьему варианту СЧ35 ГОСТ 1412-85	Нижний	18	-	62	13	0,8	2,9	2,629	348	379
Средний	19,5	-	64	16,5	0,8	2,95	2,687	350	395
Верхний	21	-	66	20	0,8	3,0	2,75	350	395
Ниже нижнего	17	-	61	12	0,8	2,8	2,5	305	335
Выше верхнего	22		67	21	0,8	3,2	3,0	310	338
Предлагаемый брикет по четвертому варианту ЧС-17 ГОСТ 7769-82	Нижний	1	-	79	13	0,1	0,31	2,1	59,5	67
Средний	3	-	80,5	16,5	0,1	0,45	3,5	60,0	67
Верхний	5	-	82	20	0,1	0,50	4,0	61,5	69,5
Ниже нижнего	0,5		78	12	0,1	0,28	1,8	55	60,5
Выше верхнего	6		83	21	0,1	0,55	4,5	54	59