Способ производства наноструктурированного науглероживателя для науглероживания железоуглеродистых сплавов


 


Владельцы патента RU 2533521:

Открытое акционерное общество "КАМАЗ" (RU)

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при обработке чугуна. Способ включает анализ компонентов исходного углеродсодержащего сырья по фракционному и химическому составу, дозирование, промывку потоком воды, сушку и дробление до фракции 0,1…30,0 мм. После дробления состав подвергают высокому удельному давлению до 20 ГПа и осуществляют высокотемпературный нагрев при 500…1500°С в восстановительной среде в течение 5…20 минут. Затем следует плавное охлаждение и рассев по фракциям. Далее проводят высокотемпературный нагрев при 1800…2500°С с последующей выдержкой и принудительным охлаждением со скоростью 1,5…3,0 градуса в минуту до комнатной температуры с образованием наноструктур графита до 100 нм на частицах науглероживателя, который упаковывают во влагонепроницаемую тару. Изобретение позволяет обеспечить высокую степень усвоения углерода и равномерное распределение графитовой фазы в металлической матрице чугунного литья за счет наличия наноструктур графита, и повышение физико-механических свойств, таких как предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твердость. 1 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, к литейному производству, к переработке чугуна, к обработке в расплавленном состоянии железоуглеродистых сплавов, а именно, к способам производства наноструктурированного науглероживателя высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в плавильных агрегатах.

Существует ряд способов производства науглероживателей для черной металлургии.

Известен способ приготовления науглероживающего реагента для производства стали (патент RU №767216), включающий смешивание в барабане металлической стружки и пирокарбоната, формирование частиц размером 15…20 мм, осуществляющее окомкование дисперсного металлосодержащего компонента в смеси с углеродсодержащим компонентом и связующим, например жидким стеклом или крахмалом. При этом отношение удельных весов металл- и углеродсодержащих компонентов составляет 3…10.

Недостатками известного способа являются пониженное содержание углерода и низкая прочность частиц науглероживателя, предназначенных для разового перемещения, при использовании в составе завалки шихты. Кроме того, неизбежные многократные транспортные пересыпания при использовании для точного легирования в процессе внепечной обработки приводят к излишнему измельчению частиц и повышенному охлаждению расплава.

Также известен способ производства науглероживателя для легирования стали углеродом в вакуумных установках (патент PL №76738), включающий подачу в смеситель порошкообразного углеродного материала, 2% крахмала и 10% воды, их смешивание, формование частиц науглероживателя путем прессования смеси в гранулы произвольной формы диаметром 3…10 мм и дальнейшую сушку.

Недостатками известного способа являются низкое усвоение углерода и недостаточная точность обработки, обусловленная слабой механической прочностью гранул в процессе транспортировки и применения, а следовательно, наличие трудноучитываемых потерь науглероживателя.

Также известен способ производства науглероживателя для легированной стали углеродом в вакуумных установках (патент RU №2073728), включающий подачу в смеситель порошкообразного углеродсодержащего материала одновременно с крахмалом и водой в виде коллоидного раствора, непрерывное помешивание компонентов смеси, формование частиц и их сушку, при этом в образующейся пастообразной смеси массовое соотношение углеродсодержащего материала, крахмала и воды составляет (50-60):(4:3):(46-37) соответственно.

Однако использование в данном способе таких веществ, как коллоидный раствор на основе эмульсии крахмала в воде и древесные опилки при изготовлении пастообразной смеси с последующим формообразованием в виде полуцилиндров, позволяет использовать науглероживатель только в вакуумных установках, что значительно снижает область применения науглероживателя.

Также известен способ производства науглероживателя, применяемый фирмой Desulco for foundries (Германия). Известный способ включает следующие операции:

- тестирование сырьевых материалов;

- дробление;

- рассев с последующим анализом на соответствие химическому составу, чистоте и фракционному размеру;

- высокотемпературный отжиг при температуре свыше 2300°C;

- упаковка науглероживателя.

Недостаток способа заключается в высокотемпературном нагреве науглероживателя без временного регулирования и скорости последующего охлаждения материала. Без приложения удельного давления на углеродсодержащий материал не обеспечивается образование наноструктурированных частиц углерода, что снижает эффективность обработки науглероживателем высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. По этой причине использование науглероживающего материала, полученного известным способом, является менее эффективным и ограничено для практического применения.

Заявляемое изобретение направлено на получение наноструктурированного науглероживателя, повышающего физико-механические свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Для этого в способе производства наноструктурированного науглероживателя для науглероживания высокопрочного чугуна с шаровидным графитом проводят анализ компонентов исходного углеродсодержащего сырья по фракционному и химическому составу, дозирование, промывку потоком воды, сушку, дробление до фракции 0,1…30,0 мм, после дробления углеродсодержащие компоненты подвергают высокому удельному давлению до 20 ГПа и осуществляют первый высокотемпературный нагрев в восстановительной среде при температуре 500…1500°C в течение 5…20 минут, далее плавно охлаждают, рассеивают по фракциям, после чего подвергают второму высокотемпературному нагреву в восстановительной среде при температуре 1800…2500°C с последующей выдержкой и принудительным охлаждением со скоростью 1,5…3,0 градуса в минуту до комнатной температуры с образованием наноструктур графита до 100 нм на частицах науглероживателя и его последующую упаковку во влагонепроницаемую тару.

В качестве сырья в заявляемом способе производства наноструктурированного науглероживателя для науглероживания высокопрочного чугуна с шаровидным графитом используют традиционные материалы: антрацит, графитовый лом, электродный бой, графитовую стружку и другие углеродсодержащие компоненты.

До поступления сырья в производство проводят анализ химического состава и фрикционного размера каждого из видов исходных материалов. На основании проведенного анализа составляют дозировку каждого материала по имеющейся рецептуре, таким образом, чтобы общее содержание углерода составляло не менее 85%. Затем сырьевые компоненты подвергают промывке потоком воды под высоким давлением для уменьшения содержания зольного остатка и дальнейшему удалению влаги путем сушки в сушильном барабане при температуре 100…120°C.

После проведения подготовки сырья, материалы подвергают дроблению при помощи молотковой дробилки до фракции 0,1…30,0 мм. При фракции, размером до 0,1 мм частички науглероживателя затрудняют последующий ввод в расплав, а материалы фракцией свыше 30,0 мм ухудшают растворимость в расплаве.

Затем по конвейеру сырье проходит через реактор, подвергаясь высокому удельному давлению до 20 ГПа. Высокое удельное давление позволяет разрушить слабые Ван-дер-Ваальсовые связи между пластинами графита и подготовить материалы для последующих температурных обработок. При давлении ниже 20 ГПа не разрушаются Ван-дер-Ваальсовые связи между пластинами графита.

После реактора углеродсодержащий материал подвергают первому этапу высокотемпературного нагрева в восстановительной среде при температуре 500…1500°C в течение 5…20 минут для удаления различных примесей и летучих веществ. При температуре менее 500°C не происходит полного удаления примесей и летучих веществ; при температуре свыше 1500°C возникают термические напряжения, препятствующие закреплению наноструктур графита на гранях науглероживателя.

Времени нагрева менее 5 минут не достаточно для удаления летучих веществ и примесей; свыше 20 минут греть нецелесообразно, так как удаление летучих веществ и примесей завершено.

Далее происходит плавное охлаждение углеродсодержащего материала и рассев по фракциям.

Повторный рассев углеродсодержащего материала по фракциям между первым и вторым высокотемпературным нагревом производят с целью изолирования частичек науглероживателя фракцией менее 0,1 мм, которые могут образоваться после первого этапа высокотемпературного нагрева. В результате повторного рассева фракция выше верхнего предела подвергается дополнительному измельчению и рассеву, а фракция ниже нижнего уровня собирается отдельно и подвергается сухому гранулированию в рамках требуемых фракций для дальнейшего использования в качестве науглероживателя высокопрочного чугуна.

Далее материал подвергают второму этапу высокотемпературного нагрева при температуре 1800…2500°C в специальных печных агрегатах в восстановительной среде с последующей выдержкой и принудительным охлаждением со скоростью 1,5…3,0 градуса в минуту до комнатной температуры.

При температуре ниже 1800°C не происходит образования нанокластеров графита из отдельных наноструктур. Нагревать же выше температуры 2500°C нецелесообразно из-за больших энергозатрат.

Скорость охлаждения менее 1,5 градусов в минуту снижает производительность процесса; более 3,0 градусов в минуту приводит к напряжениям в структуре науглероживателя.

В результате происходит образование наноструктур графита с параметрами до 100 нм, которые представляют собой нанокластеры графита с гексагональной решеткой. При этом нанокластерные частицы графита находятся на углеграфитовом макроносителе - частицах науглероживателя. Качество науглероживателя проверяют по основным параметрам:

1. Внешний вид - сыпучий материал черного цвета, блестящий, без комков и посторонних включений.

2. Ситовый (гранулометрический) состав.

3. Химический состав.

4. Наличие наноструктурированного графита (до 100 нм).

В производстве чугунного литья ОАО «КАМА3-Металлургия» проходили испытания науглероживателей, произведенных заявляемым и известным способом, выбранным в качестве прототипа.

Результаты сравнительных характеристик науглероживателей приведены в таблице 1.

По таблице сравнительных данных очевидно, что науглероживатель, полученный заявляемым способом, отличается более высокой степенью усвоения углерода в жидком расплаве металла на всех уровнях: 97-99% против 95%, равномерным зарождением центров кристаллизации графитных включений в чугуне: 250-400 на мм2 против 200, отсутствием внесения вредных примесей и газов в расплав металла, более низкой температурой усвоения 1350-1450°C против 1500°C, а также наличием наноструктур на всех уровнях.

Способ производства наноструктурированного науглероживателя для науглероживания высокопрочного чугуна с шаровидным графитом обеспечивает производство наноструктурированного науглероживателя с высоким содержанием углерода.

Заявляемое техническое решение в сравнении с известными обеспечивает

- более высокую степень усвоения углерода и равномерное распределение графитной фазы в металлической матрице чугунного литья за счет наличия наноструктур графита;

- повышение физико-механических свойств (таких как предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твердость) в высокопрочном чугуне, полученном из исходного расплава, обусловлено также наличием наноструктур графита.

Способ производства наноструктурированного науглероживателя для науглероживания высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, характеризующийся тем, что проводят анализ компонентов исходного углеродсодержащего сырья по фракционному и химическому составу, дозирование, промывку потоком воды, сушку и дробление до фракции 0,1…30,0 мм, после дробления углеродсодержащие компоненты подвергают высокому удельному давлению до 20 ГПа и первому высокотемпературному нагреву в восстановительной среде при температуре 500…1500°C в течение 5…20 минут, далее плавно охлаждают и рассеивают по фракциям, после чего подвергают второму высокотемпературному нагреву в восстановительной среде при температуре 1800…2500°C с последующей выдержкой и принудительным охлаждением со скоростью 1,5…3,0 градуса в минуту до комнатной температуры с образованием наноструктур графита до 100 нм на частицах науглероживателя, который упаковывают во влагонепроницаемую тару.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкции ковша для обработки расплавленного металла магнием. Ковш содержит кожух с трубчатой огнеупорной футеровкой и с желобом для приема и заливки расплавленного металла.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в машиностроении, автомобиле- и тракторостроении при производстве отливок из высокопрочного чугуна с шаровидной и вермикулярной формой графита.

Лигатура // 2521916
Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при получении высокопрочного чугуна с шаровидным графитом без структурно свободного цементита в литом состоянии.
Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом без структурно свободного цементита в литом состоянии на основе металлизированных окатышей и стальных отходов.
Изобретение относится к черной металлургии и литейному производству, в частности к способам улучшения свойств чугунов, используемых в машиностроении для изготовления деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок.
Изобретение относится к металлургии и литейному производству, в частности к способу получения модифицированного чугуна с шаровидным графитом для изготовления деталей машин и оборудования.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения хладостойкого высокопрочного чугуна для производства литых заготовок в условиях массового производства.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в машиностроении, автомобиле- и тракторостроении при производстве отливок из высокопрочного чугуна с шаровидной и вермикулярной формой графита.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в машиностроении, автомобиле- и тракторостроении при производстве отливок из высокопрочного чугуна с вермикулярной формой графита внутриформенным модифицированием.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для получения наноструктурированного науглероживателя для внепечной обработки высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом, используемого в сталеплавильном и литейном производствах.

Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Для получения наночастиц маггемита готовят водный раствор хлорида железа (III), добавляют к нему щелочь до рН 6,5-8, нагревают до 60-70°С, промывают до начала окрашивания промывных вод.

Изобретение относится к полимерным антипиренам, в частности к композициям на основе полиолефинов, характеризующимся пониженной горючестью. Композиция содержит полиолефин, гидроксид магния или алюминия или их смесь и углерод в форме нанопластин графита.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению постоянных магнитов из магнитотвердых сплавов системы железо-хром-кобальт. Шихту, содержащую порошки железа, хрома, кобальта, легирующие добавки и до 15 мас.% нанопорошков железа, хрома и кобальта, формуют с получением заготовки.

Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, а именно касается сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), модифицированного наноразмерными частицами оксида тантала.

Изобретение относится к нанесению покрытий путем проведения неравновесных процессов распыления в вакууме ионным пучком. Может использоваться для создания автоэмиссионных катодов, упрочнения рабочих кромок режущего инструмента, в частности хирургического, защиты от химически агрессивных сред и повышенных температур, требующих химической инертности и биосовместимости покрытий, высокой твердости и низкого трения, высокой теплопроводности покрытий.

Изобретение относится к способам изготовления фотовольтаических ячеек и может быть использовано в солнечных батареях. Предложенный способ основан на поэтапном изготовлении сенсибилизирующего слоя на основе нанокомпозитной гибридной структуры, содержащей мезопористый TiO2, полупроводниковые квантовые точки и органический краситель, и заключается в том, что для уменьшения толщины слоя КТ, адсорбированных на поверхность TiO2, вводится технологический этап предварительного удаления избыточного количества молекул солюбилизатора полупроводниковых квантовых точек из раствора и частично с поверхности квантовых точек.
Изобретение относится к области химии высокомолекулярных соединений, в частности к способам получения полимерных носителей путем химической модификации исходных полимерных микросфер на основе сополимера акролеина-стирола, полученных безэмульгаторной радикальной полимеризацией.

Изобретение может быть использовано в космической технике, строительстве, в химической, пищевой и легкой промышленности. Пигмент для светоотражающих покрытий содержит смесь частиц диоксида циркония со средним размером 3 мкм и наночастицы диоксида циркония размером 30-40 нм.
Изобретение относится к технологии получения наноразмерных пленок мультиферроиков и может найти применение в производстве высокодобротных магнитооптических устройств обработки и хранения информации, магнитных сенсоров, емкостных электромагнитов, магнитоэлектрических элементов памяти, невзаимных сверхвысокочастотных фильтров.
Изобретение относится к технологии получения пленок ферритов-гранатов и может быть использовано в прикладной магнитооптике для получения магнитооптических дисков, модуляторов, дефлекторов.

Изобретение относится к области прецизионной наноэлектроники. Способ контролируемого роста квантовых точек (КТ) из коллоидного золота в системе совмещенного АСМ/СТМ заключается в выращивании КТ при отрицательном приложенном напряжении между иглой кантилевера совмещенного АСМ/СТМ и проводящей подложкой, причем в процессе роста КТ периодически переключают полярность внешнего напряжения с отрицательной на положительную и фиксируют единичный пик на туннельной ВАХ при определенном значении приложенного напряжения из диапазона значений от 1 до 5 В. Рост КТ завершается, когда единичный пик наблюдается при том же значении приложенного напряжения, что и для контрольной КТ заданного размера. Технический результат - обеспечение прецизионного контроля размеров КТ. 3 ил.
Наверх