Шихта для изготовления металло-стружечного брикета

 

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к составам шихты для изготовления брикетов из стальной и чугунной стружки, использующихся при плавке в вагранках и других плавильных агрегатах взамен части свежих шихтовых материалов. Шихта содержит чугунную или стальную стружку и углеродсодержащий материал. В качестве углеродсодержащего материала использован мелкораздробленный природный минерал шунгит, в составе которого присутствует 30-40% углерода и 60-70% оксида кремния в смеси с борной кислотой при следующем соотношении компонентов, мас.%: шунгит 20-30; борная кислота 1-2; стружка - остальное. Изобретение позволит снизить угар стружки и снизить стоимость брикетов.

Изобретение относится к области черной металлургии и литейного производства, точнее - к составам шихт для изготовления брикетов из стальной и чугунной стружки, использующихся при плавке в вагранках и других плавильных агрегатах взамен части свежих шихтовых материалов.

Плавка и утилизация стружки является актуальной научно-технической задачей. Актуальность этой задачи особенно возросла в последнее время, когда цены на свежие шихтовые материалы значительно возросли. Наиболее целесообразно использовать стружку как шихтовый материал в вагранках на машиностроительных заводах, то есть там, где она непосредственно образуется. В этом случае значительно снижается себестоимость выплавляемого металла, снижаются транспортные расходы, отпадает необходимость в транспортировании стружки на базы ВТОРЧЕРМЕТа и на металлургические комбинаты.

Главной проблемой использования стружки в вагранках является ее окисление во время плавки (до 30-50%), большая плотность слоя стружки (особенно чугунной), повышенное количество образующегося при плавке шлака и др., в связи с чем стружка в вагранках практически не применяется. Эффективных технологий плавки стружки в вагранках до сих пор не разработано.

Известна плавка стружки путем загрузки ее в вагранку ″навалом″ [1]. Стружка перед плавкой не подвергается никакой предварительной обработке. Плавка стружки “навалом” имеет следующие недостатки: значительное (до 50%) окисление стружки, нарушение нормального хода плавки в связи с большим количеством шлака, малое содержание углерода и кремния в чугуне.

Известна плавка стружки путем ее загрузки в область плавильной зоны вагранки с помощью шнекового устройства [1]. Угар стружки при этом несколько снижается за счет увеличения скорости нагрева и плавления стружки, однако это снижение незначительно. Кроме того, способ требует сложного оборудования. В связи с этим способ не нашел широкого распространения.

Известно использование стружки в брикетированном виде [2]. В этом случае стружку брикетируют на прессах в холодном или нагретом состоянии, с электрическим подогревом, с электроконтактным упрочнением и т.д.

Шихтой для изготовления брикетов является смесь стружки с различными добавками. Опытными плавками и практическими экспериментами установлено: прессование не обеспечивает значительного снижения окисления стружки и высокой прочности брикета. При транспортировке и загрузке брикетов в печь брикеты рассыпаются и стружка подвергается окислительному воздействию горячих газов, в результате чего окисление стружки достигает 25-30%. Кроме того, брикеты имеют высокую стоимость по причине увеличения трудоемкости брикетирования и необходимости использования дорогостоящего прессового оборудования.

Известно изготовление брикетов путем заливки стружки чугуном и получения металлостружечного брикета [3]. Шихтой для изготовления этого брикета является чугунная или стальная стружка, размещенная внутри литой чугунной оболочки, защищающей стружку от рассыпания во время транспортировки и воздействия окислительных газов во время плавки. Металлостружечные брикеты изготавливаются в металлических формах путем заливки стружки чугуном. Использование брикетов с литой оболочкой позволяет на 20-30% снизить угар стружки. Однако при проплавлении литой оболочки возможно рассыпание и окисление стружки. Это объясняется тем, что частицы стружки в брикете ничем не скреплены между собой и ничем не защищены от окисления печной атмосферой при высыпании стружки из брикета.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является брикет [4] для плавки железоуглеродистого сплава. Шихтой для изготовления брикета служит смесь, содержащая стружку, углеродсодержащий материал (молотый кокс, электродная стружка, каменноугольный пек и др.), ферросилиций, стружка алюминиевых сплавов, содержащая магний.

Известная шихта не обеспечивает значительного снижения угара стружки по причине малой прочности брикета и рассыпания стружки во время загрузки в печь. Угар стружки достигает 25-30%. Шихта содержит в своем составе дорогостоящие компоненты (ферросилиций, углеродсодержащие вещества, алюминий, магний), что удорожает стоимость брикетов. Кроме того, изготовление брикета требует использования дорогостоящего прессового оборудования.

Предлагаемое изобретение направлено на дальнейшее улучшение металлургических свойств стружечного брикета, на снижение угара стружки за счет введения в состав стружечной шихты материалов, противодействующих рассыпанию и окислению стружки; на снижение стоимости брикетов за счет использования дешевых природных минералов и применения технологии металлостружечного брикета с литой оболочкой.

Задача решена тем, что в шихте для изготовления металлостружечного брикета, содержащей чугунную или стальную стружку и углеродсодержащий материал, в качестве углеродсодержащего вещества использован мелкораздробленный природный минерал шунгит, в составе которого присутствует 30-40% углерода и 60-70% оксида кремния, в смеси с борной кислотой при следующем соотношении компонентов, мас.%: шунгит 20-30; борная кислота 1-2; стружка - остальное.

Шихту для изготовления брикета готовят путем механического перемешивания стружки, шунгита и борной кислоты.

Стружку используют в обычном виде без дополнительной обработки. Куски минерала шунгита раздробляют в шоковой дробилке до фракций 5-10 мм. Борную кислоту используют в виде кристаллов фракциями 1-3 мм.

Шунгит - минеральное вещество, состоящее из аморфного графита и сильно диспергированного углерода. Шунгит обычно содержит 30-40% углерода, 60-70% оксида кремния и различные примеси. Стоимость шунгита 500 руб/т. Месторождение шунгита - ст.Шуньга, Карелия.

После подготовки компонентов шихты стружку равномерно перемешивают с шунгитом и борной кислотой при следующем соотношении добавок: шунгит - 20...30%, борная кислота - 1...2%. Полученную смесь загружают на поддон металлической формы и заливают жидким чугуном из ковшевых остатков.

Изготовленные брикеты используют в качестве шихтового материала взамен части свежих чугунов и лома черных металлов.

При плавке в вагранке в брикете на его поверхности и внутри происходят следующие процессы. Под воздействием горячих газов сначала происходит нагрев литой оболочки брикета и его содержимого внутри оболочки. Борная кислота под воздействием температуры расплавляется и обволакивает частицы стружки расплавленной пленкой, которая при дальнейшем увеличении температуры коксуется с образованием прочной стружечной массы с вкраплениями кусков шунгита. Далее литая оболочка оплавляется в отдельных местах и горячие газы воздействуют на стружечную массу, которая также расплавляется. В конечном итоге весь брикет расплавляется и жидкий металл стекает в горн вагранки.

Борная кислота, используемая в составе шихты, обеспечивает прочное сцепление частиц стружки друг с другом и противодействует рассыпанию стружки по сечению шахты вагранки, что неизбежно привело бы к возрастанию угара стружки. Благодаря введению в состав шихты борной кислоты достигается компактная упаковка частиц стружки, минимальная поверхность стружечной массы и, как следствие, минимальный угар стружки.

Шунгит в составе стружечной шихты также способствует снижению угара стружки. Это достигается за счет следующего:

1) Углерод шунгита в процессе плавки реагирует с окислительными газами СО ₂ и H₂O по реакциям:

СО₂ +С=2СО;

H₂O+C=H₂+CO.

В результате этих реакций в локальной области металлостружечного брикета окислительная способность горячих газов снижается за счет появления в газах восстановительных продуктов СО и H₂. Это способствует снижению угара стружки.

2) Углерод шунгита при высоких температурах восстанавливает оксид кремния шунгита с образованием металлического кремния:

SiO₂+С=Si+СО₂ .

Металлический кремний как более активный элемент защищает железо стружки от окисления, в результате чего угар стружки также снижается.

Неиспользованные углерод и кремний шунгита в процессе плавки растворяются в жидком металле, что позволяет использовать в составе шихты низкоуглеродистые и низкокремнистые более дешевые свежие шихтовые материалы.

Таким образом, использование в составе шихты металлостружечного брикета шунгита и борной кислоты позволяет снизить угар стружки до 7-10%, что в 3-5 раз меньше по сравнению со способом-прототипом.

Приведенные в материалах заявки соотношения компонентов в составе шихты являются оптимальными, так как при выходе соотношений за указанные пределы показатели плавки ухудшаются. При содержании шунгита менее 20% общее количество углерода в брикете будет незначительным, что не будет способствовать существенному снижению окисления стружки. Угар стружки при этом увеличивается, возрастает количество образующегося шлака. При содержании шунгита более 30% в брикете уменьшается количество стружки, что экономически нецелесообразно.

При содержании борной кислоты менее 1% прочность массы стружки снижается, что приведет к ее рассыпанною и увеличению угара. При содержании более 2% борной кислоты возрастает тугоплавкость стружки, что приведет к излишним затратам тепла.

Пример. Осуществляли плавку стальной стружки в виде брикетов, шихта которых состояла из 70% стружки, 28% шунгита и 2% борной кислоты. Оболочкой брикета являлся серый чугун СЧ15. Химический состав стружки: углерод 0,4-0,5%; кремний 0,2-0,28%; марганец 0,63-0,68%. Плавку проводили в газовой вагранке при температуре подогрева воздуха 500°С. Шихта вагранки состояла из 70% чугунного лома и 30% металлостружечных брикетов.

В результате опытных плавок получены следующие результаты: общий угар металла составил 5,2%; угар углерода 9%, кремния 12%, марганца 15%. Эти показатели примерно равны показателям при плавке без стружки. По сравнению с прототипом угар стружки при использовании брикетов с добавками шунгита и борной кислоты уменьшился в 3,4 раза. Приведенные данные свидетельствуют об эффективности предлагаемого изобретения.

Таким образом, предлагаемое изобретение обладает новизной и положительным эффектом. Его использование обеспечивает утилизацию стружки, снижение себестоимости выплавляемого металла. Стоимость брикета, изготовленного на основе предлагаемой шихты, в 1,5-2 раза меньше по сравнению с брикетом, изготовленным на основе шихты, содержащей дорогостоящие углеродистые добавки из кокса, электродной стружки, пека и т.д.

Источники информации

1. Мариенбах Л.М. Металлургические основы ваграночного процесса. М.: Машгиз, 1960.

2. Грачев В.А., Горелов Н.А. Переплав металлоотходов в электропечах восстановительной плавки. М.: ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 1983.

3. Кирин Е.М., Емельянов П.А. Способ изготовления металлостружечного брикета. А.С. СССР №1731419, БИ №17 от 7.05.92.

4. Брикет для плавки железоуглеродистого сплава. АС СССР №1618766, БИ №1, 1991.

Формула изобретения

Шихта для изготовления металло-стружечного брикета, содержащая чугунную или стальную стружку и углеродсодержащий материал, отличающаяся тем, что в качестве углеродсодержащего материала использован мелкораздробленный природный минерал шунгит, в составе которого присутствует 30-40% углерода и 60-70% оксида кремния, в смеси с борной кислотой при следующем соотношении компонентов, маc.%:

Шунгит 20-30

Борная кислота 1-2

Стружка Остальное