Результат интеллектуальной деятельности: Брикет для производства чугуна в вагранке

Изобретение относится к области металлургии и литейного производства, в частности, к подготовке материалов для ваграночной плавки чугуна.

Известна шихта для изготовления брикетов металлургического производства, содержащая железоуглеродистые отходы электросталеплавильного производства, карбюризатор и связующий материал [1].

К ее недостаткам относятся использование связующего сульфатно-шлакового происхождения, что способствует дополнительному шлакообразованию в ходе плавки и внесению вредной примеси серы в выплавляемый металл, а также высокая гидрофильность и подверженность активной атмосферной коррозии при хранении из-за наличия в составе мелкодисперсных и пылевидных компонентов.

Известен брикет для металлургического передела, включающий железосодержащий материал, углеродсодержащее вещество и связующее, отличающийся тем, что связующее изготовлено из смеси строительного цемента и пластифицирующей воздухововлекающей добавки – адипинового щелочного пластификатора, имеющего химическую формулу СООН(СН₂)₄СООNа [2].

К недостаткам такого брикета относятся его гидрофильность при хранении, интенсивное шлакообразование при плавке из-за наличия цемента в составе, а также повышенная температура плавления по причине образования при нагреве тугоплавких соединений типа n(CaO)SiO₂, что в конечном итоге снижает количество полезного тепла, идущего непосредственно на расплавление металлической шихты, замедляет процесс плавки и снижает производительность печи.

Известен брикет для производства чугуна и стали, включающий стальную окалину, углеродсодержащий материал и связующее, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего материала он содержит электродный бой, а в качестве связующего смесь диоксида кремния, оксида кальция, оксида натрия и оксида алюминия [3].

Однако данный брикет не свободен от недостатков. Наличие в его составе целой линейки материалов, взятых в определенных соотношениях, а также необходимость их предварительного измельчения перед прессованием до размеров регламентированной фракции, проведения обжига в печи в течение 0,5-1,0 ч при 700-1000°C с последующим охлаждением на воздухе повышают трудоемкость, длительность и стоимость изготовления брикета, использование в ходе изготовления брикета жидкого стекла для обеспечения его механической прочности ведет к образованию «камня» силикат-глыбы (окускованию), а по ходу плавки – к повышенному шлакообразованию, что неизбежно увеличивает время плавки. Кроме того, присутствие в составе брикета в качестве углеродосодержащего вещества боя графитовых электродов в количестве до 30% по массе ведет к загрязнению выплавляемого металла примесью серы.

Наиболее близким к изобретению является брикет для производства чугуна в вагранке, содержащий углеродосодержащее вещество и железосодержащей материал, включающий чугунную и стальную стружку, оксиды железа, отличающийся тем, что в него введена известковая пыль, а в качестве источника оксидов железа – пыль системы вентиляции электродуговых печей, при следующем соотношении компонентов в брикете, мас.%:

При этом содержание в нем пыли системы вентиляции электродуговых печей составляет 10-15% по массе [4].

Однако данный брикет имеет ряд недостатков. Он характеризуется высокой осыпаемостью, что серьезно затрудняет его хранение без упаковки и транспортировку перед загрузкой в печь. Наличие в составе брикета в качестве углеродосодержащего вещества пылевидной фракции боя графитовых электродов в количестве 10-15% по массе не снимает риска внесения вредной примеси серы в выплавляемый чугун, а известковой пыли и пыли системы вентиляции электродуговых печей с высокими значениями удельной поверхности способствует насыщению брикета влагой атмосферного воздуха.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Решается задача получения компактного, удобного для хранения и транспортировки железосодержащего брикета, успешно и одновременно выполняющего функции топлива и компонента шихты, обеспечивающего эффективность протекания ваграночной плавки в части нагрева и науглероживания металла и чистоту получаемого чугуна по примеси серы.

Технический результат – компактность, максимальная гидрофобность, минимальная осыпаемость брикета при наличии в его составе мелкодисперсных и пылевидных составляющих; интенсификация ваграночной плавки и минимизация содержания серы в выплавляемом чугуне при его использовании.

Технический результат достигается тем, что согласно изобретению в брикет для производства чугуна в вагранке, содержащий железосодержащий материал, включающий чугунную, стальную стружку и оксиды железа, углеродосодержащее вещество и известковую пыль, в качестве углеродсодержащего вещества введена отработанная воскообразная модельная композиция (ОВМК) при следующем соотношении компонентов, мас.%:

При этом в составе железосодержащего материала чугунная и стальная стружка берутся в любом соотношении, а в качестве источника оксидов железа используется замасленная стальная окалина в количестве до 12% от его массы.

Присутствие в составе брикета известковой пыли в количестве 5-10% по массе благоприятно сказывается на процессе плавки, шлакообразования и химическом составе получаемого чугуна [4].

Замасленная стальная окалина в составе брикета используется в качестве источника оксидов железа. Содержание окалины с содержанием минерального масла 10% масс. в железосодержащем материале брикета в количестве более 12% от массы железосодержащего материала нарушает технические нормы по маслосодержанию брикета (не более 1% масс.), создает риск недостаточной степени восстановления железа при плавке и ведет к повышенному дымовыделению и ухудшению экологической ситуации.

Отработанные воскообразные модельные композиции (ОВМК), относящиеся к группе материалов, которые представляют собой твердые легкоплавкие гидрофобные вещества, обладающие кристаллическим строением и низкой механической прочностью [5].

Характерным примером такой модельной композиции может служить широко применяемый в практике модельный состав ПС 50/50 (смесь парафина и стеарина), в достаточном количестве имеющийся в распоряжении отечественных машиностроительных предприятий, реализующих способ производства заготовок литьем по выплавляемым моделям. Согласно рекомендациям специалистов, после 8-10 циклов использования модельный состав ПС 50/50 должен полностью или частично освежаться, в связи с чем возникает задача его утилизации.

Парафиностеариновые двухкомпонентные составы широко распространены в отечественной промышленности вследствие легкости приготовления, невысокой температуры их плавления (в среднем 50-60°С), жидкотекучести и низкой зольности (0,01-0,04%).

Парафин представляет собой смесь твердых насыщенных (предельных) углеводородов метанового ряда С_nН_2n+2 (при n=25-40), получаемых при возгонке нефти, бурого угля и сланцев. Парафин пластичен, температура его размягчения составляет около 30°С [6].

Стеарин представляет собой смесь жирных кислот. Основой является стеариновая кислота СН₃(СН₂)₁₆СООН (или C₁₇H₃₅COOH), в качестве примесей выступают преимущественно пальмитиновая и олеиновая кислоты (соответственно СН₃(СН₂)₁₄СООН и СН₃ – (СН₂)₇ – СН = СН – (СН₂)₇ – СООН). Температура размягчения стеарина около 70°С [6].

Низкие температуры размягчения и хорошая жидкотекучесть парафина и стеарина способствуют проявлению их композицией отличных связующих свойств, поскольку этот материал без особых проблем может пропитывать пористые среды (спрессованный брикет стальной и чугунной стружки) и удерживать мелкодисперсную и даже пылевидную фракцию технологических добавок, препятствуя осыпаемости брикета, насыщению его влагой и протеканию коррозионных процессов при хранении на открытом воздухе.

Важной особенностью парафина и стеарина является тот факт, что они не горят в твердом и жидком (расплавленном) виде. Однако при нагреве до температур выше 400°С эти вещества переходят в парообразное состояние, распадаясь на активные углеводородные радикалы, легко вступающие в реакцию с кислородом с выделением большого количества тепла.

В условиях доступа (избытка) кислорода идут реакции горения парафина

2C_nH_2n+2 + (3n +1) O₂ = 2nCO₂↑ + (2n + 2) H₂O↑ (n=25-40)

и стеарина

C₁₇H₃₅COOH + 26O₂ = 18CO₂↑+ 18H₂O↑,

то есть ОВМК успешно выполняет важнейшую для вагранки функцию эффективного топлива.

В условиях недостатка кислорода и анаэробного нагрева парафина и стеарина протекают реакции

C_nH_2n+2 + (n +1/2) O₂ = nCO↑ + (n + 1) H₂O↑

C_nH_2n+2 + 1/2(n +1) O₂ = nC + (n + 1) H₂O↑

и

C₁₇H₃₅COOH + 17O₂ = 18CO↑+ 18H₂O↑

C₁₇H₃₅COOH + 8O₂ = C + 18H₂O↑,

то есть ОВМК обеспечивает науглероживание расплава и одновременно восполняет дефицит кислорода в рабочем пространстве печи.

Температура пламени при горении паров парафина и стеарина достигает уровня 1400˚С для парафина и 1500˚С для стеарина, что при использовании ОВМК в ваграночной плавке обеспечивает интенсификацию протекающих процессов за счет повышения и выравнивания температуры в шахте вагранки и, в конечном итоге, способствует повышению производительности печи.

Ряд опытных составов брикета проходил проверку на осыпаемость, компактность (стабильность геометрии при транспортировке и выполнении разгрузочно-погрузочных операций), и влагосодержание в сравнении с прототипом (таблица 1). Брикеты по прототипу размером 150х100х60 мм изготавливали холодным прессованием в форме под давлением 15-16МПа. В опытные брикеты того же размера вводили ОВМК ПС50/50, количество которой варьировалось от 3 до 25% от массы брикета. При этом содержание замасленной стальной окалины фиксировалось на уровне до 12% масс. железосодержащего материала опытного брикета, стальная и чугунная стружка, взятые в соотношении 50:50 в % масс., – остальное, а доля известковой пыли в брикете соответствовала прототипу.

Ударные нагрузки на брикет при проведении испытаний на осыпаемость и компактность имитировались падением брикета с высоты 50 см на стальную плиту. Влагосодержание контролировалось весовым методом после погружения брикета на 1 мин в емкость с водой комнатной температуры.

Результаты проверки приведены в таблице 2.

Наилучшими показателями по осыпаемости, компактности и влагосодержанию обладают опытные брикеты третьего и четвертого вариантов состава с содержанием ОВМК 10-20% от массы брикета.

Проводили повторные испытания брикетов с содержанием ОВМК 10-20% от массы брикета, варьируя соотношение чугунной и стальной стружки в металлосодержащем материале брикета. Рассматривались варианты соотношений 0:100, 25:75, 75:25, 100:0. Результаты показали, что показатели осыпаемости, компактности и влагосодержания брикетов не зависят от соотношения чугунной и стальной стружки в составе железосодержащего материала брикета.

В условиях действующего производства проводилась серия плавок чугуна марки СЧ20 ГОСТ 1412 в газовой вагранке с содержанием в шихте 10% масс. брикетов состава, взятого по прототипу, и брикетов предлагаемого состава, мас.%:

При этом соотношение чугунной и стальной стружки не регламентировалось, а количество замасленной стальной окалины в составе железосодержащего материала составляло 10-12% от его массы.

По результатам проведенного химического анализа содержание примесей серы в металле оказалось равным 0,12% при использовании в шихте брикетов состава, взятого по прототипу, и 0,07% при использовании брикетов предлагаемого состава при допустимом содержании примесей серы до 0,15% согласно требованиям стандарта.

Таким образом, практическая проверка подтвердила эффективность применения брикета предлагаемого состава в сравнении с прототипом.

Источники информации

1. Патент на изобретение РФ №2352648, кл. C22 B1/243, 2009.

2. Патент на изобретение РФ №2228377, кл. C22 B1/242, 2004.

3. Патент на изобретение РФ №2083681, кл. C21 C5/06, C22 B1/24, C22 B1/242, 1997.

4. Патент на изобретение РФ №2549029, C22 B1/242, 2015 – прототип.

5. Большая энциклопедия нефти и газа. – URL: https://www.ngpedia.ru/id137721p1.html (дата обращения 26.11.2019).

6. Слета, Л.А. Химия: справочник / Л.А. Слета. – Харьков: ФОЛИО; М.: ООО «Издательство АСТ», 2000. – 496с.

Таблица 1

Составы брикета ваграночной плавки чугуна

Таблица 2

Результаты испытаний брикета