СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА НАУГЛЕРОЖИВАТЕЛЯ ДЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ УГЛЕРОДОМ В ВАКУУМНЫХ УСТАНОВКАХ Российский патент 1997 года по МПК C21C7/00 C21C7/10 

Изобретение относится к черной металлургии и предназначено для получения науглероживателя для легирования стали углеродом во время вакуумной обработки.

При современной организации крупномасштабного серийного производства металлопродукции, особенно на автоматических линиях с термообработкой в потоке, актуальным является производство стали с узкими пределами по химсоставу. Например, при производстве кордовой стали колебания по содержанию углерода допускаются в пределах 0,69-0,74% т.е. ±0,025%
Известен углеродсодержащий материал, гранулированный для науглероживания стали, содержащий сажу 32-40% и пироуглерод остальное, получаемый нагревом движущегося слоя гранулированной сажи во вращающемся горизонтальном реакторе в токе парообразных углеводородов с их термическим разложением при температуре 750-1200^oС и осаждением образующегося пироуглерода на саже до привеса пироуглерода в пределах 150-210% от массы сажи.

Полученный по известному способу науглероживатель имеет высокое содержание углерода (≥ 99%), но получение частиц с размером, обеспечивающим его высокое и стабильное усвоение, металлом затруднительно. Максимальный размер частиц обычно не превышает 3 мм. Большая часть науглероживателя имеет размер частиц до 1 мм.

Применение такого науглероживателя несмотря на высокое содержание углерода (≥ 99% ) малоэффективно [1] так как частицы мелкие и значительная доля материала уносится из вакуум-камеры потоком отходящих горячих газов и не попадает в сталь; средняя степень усвоения углерода составляет 77±15,6%
Кроме того, этот материал является очень дефицитным и дорогим. При этом для нужд металлургии используют только отходы некондицию) пироуглерода.

Требование высокой точности легирования углеродом (±0,02% С) при кардинальном науглероживании металла от 0,6- 0,35% до 0,7-1,0% может быть выполнено только при использовании специальных материалов с размерами частиц Д в пределах 4≅Д≅40 мм.

Известен способ производства науглероживателя стали, включающий смешивание в барабане металлической стружки и пирокарбона и формирование частиц размером 15-20 мм, которое осуществляют окомкованием дисперсного металлосодержащего компонента в смеси с углеродсодержащим компонентом и связующим, например, жидким стеклом или крахмалом. При этом отношение удельных весов металло- и углеродсодержащих компонентов составляет 3-10 [2] Недостатком этого способа является пониженное содержание углерода и прочность частиц науглероживателя, которые предназначены для разового перемещения, при использовании в составе завалки шихты и не выдерживают многократные транспортные пересыпания, неизбежные при использовании для точного легирования в процессе внепечной вакуумной обработки, что приводит к измельчению частиц и выносу из рабочего пространства вакуум-камеры углеродсодержащей компоненты, а также вызывает повышенное охлаждение расплава.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства науглероживателя для легирования стали углеродом в вакуумных установках, включающий подачу в смеситель порошкообразного углеродного порошка, а затем 2% крахмала и 10% воды, их смешивание, формование частиц науглероживателя путем прессования смеси в гранулы произвольной формы с диаметром 3-10 мм и их сушку [3]
Недостаток этого способа состоит также в слабой механической прочности гранул получаемого материала и неравномерности состава гранул, что приводит к их разрушению и измельчению в процессе транспортировки и загрузки, особенно в зонах вакуумной установки с высокой температурой. Следствием этого является низкое усвоение углерода и неудовлетворительная точность легирования из-за трудноучитываемых потерь материала в процессе его присадки в вакууме (улет мелких фракций разрушивающих частиц).

По этой причине использование науглероживающего материала, полученного известным способом, является неэффективным и ограничено для практического применения.

Целью изобретения является получение (производство) науглероживателя в виде крупных и прочных против измельчения и истирания моноразмерных, например только крупностью 30 мм, любой формы частиц, например только цилиндрической формы, с высоким содержанием углерода, обладающим при использовании в металлургическом производстве высокой степенью усвоения углерода и точностью легирования.

Это достигается тем, что в способе, включающем подачу в смеситель крахмала, порошкообразного углеродного материала и воду, непрерывное перемешивание компонентов смеси, формование частиц и их сушку, крахмал и воду непрерывно подают в смеситель в виде коллоидного раствора одновременно с порошкообразным углеродным материалом, поддерживая массовые соотношения компонентов в образующейся пастообразной смеси между углеродным материалом, крахмалом и водой в пределах (50-60): (4-3):(46-37) соответственно, сушку осуществляют сначала в температурной зоне 50-80^oС, затем в зоне 81-150^oС, а в конце в зоне 151-300^oС по 3-5 мин в каждой, при этом используют коллоидный раствор с массовым процентным соотношением между крахмалом и водой в пределах (5-15): (95-85) соответственно, полученный добавлением кипящей воды в эмульсию крахмала с содержанием амилозы 17,5-30,0%
По изобретению можно использовать коллоидный раствор, полученный добавлением кипящей воды в эмульсию крахмала в воде, полученную при 40-50^oС.

По изобретению можно формировать частицы с соотношением поперечного размера D к длине L в пределах D/Д 0,1-1,0 при D от 4 до 40 мм.

В качестве порошкообразного углеродного материала можно использовать порошок графита.

Для повышения прочности частиц в смеситель можно дополнительно подавать древесные опилки в количестве 0,5-1,5% от массы углеродного материала.

Один из возможных вариантов осуществления изобретения иллюстрируется блок-схемой.

Сначала получают эмульсию крахмала, содержащего 17,5-30% амилозы, в воде, например, при температуре 40-50^oС. Затем эмульсию ("крахмальное молочко") переводят в коллоидный раствор путем добавления в нее кипящей воды при соотношениях крахмал-вода в пределах (5-15):(95-85) мас.

Клеящие свойства коллоидного раствора зависят от содержания в нем амилозы одного из составляющих крахмал полисахаридов.

При содержании амилозы ниже 17,5% в крахмале клеящие свойства коллоидного раствора резко ухудшаются, механическая прочность гранул сильно падает. В процессе транспортировки и присадки частиц в металл наблюдается разрушение крупных частиц на мелкие, которые затем уносятся потоками восходящих газов, степень усвоения углерода η_c с и точность легирования δ уменьшаются.

Перевод суспензии крахмала в коллоидный раствор крахмала при добавлении более холодной, чем кипящая воды происходит неполностью и неравномерно по объему, отчего теряются клеящие свойства связующего, особенно при высоком содержании углерода в углеродном материале.

Перевод в коллоидный раствор крахмала в воде при количестве воды более 95% отрицательно сказывается на производстве науглероживателя с гарантированной прочностью частиц и повышенным расходом электроэнергии.

При содержании воды меньше 85% резко ухудшаются клеящие качества коллоидного раствора.

Коллоидный раствор крахмала передают в миксер-накопитель 3.

Далее производят одновременную и непрерывную подачу в смеситель 5 связующего коллоидного раствора из миксера-накопителя 3 и порошка углеродного 4, поддерживая соотношения компонентов (мас.): углеродный материал: крахмал: вода в пределах (50-60):(4-3):(46-37) соответственно.

Выбранные соотношения компонентов обеспечивают необходимую прочность частиц в процессе формования, сушки и в готовом материале.

Подача в смеситель 5 порошка углеродного материала 4 и коллоидного раствора крахмала 3 одновременно и непрерывно, например с суммарной интенсивностью 15-30 кг/мин, в пределах вышеприведенных соотношений компонентов позволяет исключить явление флюктиационной неравномерности в распределении мелких частиц углеродного материала (10-1000 мкм) и крахмала в объеме непрерывнообразующейся пастообразной смеси.

При уменьшении углеродного материала в смеси ниже 50% и соответственного увеличения крахмала более 4% и воды более 46% резко возрастают затраты на производство науглероживателя, падает прочность частиц в процессе формования, трудно получить желаемую форму и размеры частиц, падает в результате этого и прочность готовых частиц науглероживателя.

При увеличении содержания углеродного материала свыше 60% и соответствующем снижении содержания крахмала (менее 3%) и воды (менее 37%) ухудшается равномерность распределения частиц углеродного материала, падают клеящие свойства коллоидного раствора крахмала, резко ухудшается прочность частиц.

Использование углеродного материала с содержанием углерода менее 80% сильно уменьшает содержание углерода в науглероживателе, кроме того, возникает опасность чрезмерного загрязнения стали мелкодисперсными частицами большого количества "зольной" составляющей. Применение углеродных материалов со сверхвысоким (более 99,7% ) содержанием углерода технически трудно реализуемо, дорого и нецелесообразно (не дает дополнительного эффекта) для решения поставленной задачи. Более того, слабые связи между частицами углерода при использовании углеродных материалов с высоким содержанием углерода ухудшают механическую прочность готовых частиц науглероживателя и затрудняет решение поставленной задачи.

С учетом экспериментально установленного предельного значения удельной парашютирующей поверхности частиц S= 10 см²/г и плотности науглероживателя по предлагаемому способу ρ = 0,6-0,7 г/cm³ минимальное значение поперечного размера частиц равно 4,0 мм. При уменьшении этого размера частицы выносятся восходящими потоками горячих газов и не попадают в металл. Увеличение размера частиц более 40 мм ограничено размерами материалопровода систем присадки материалов в сталь.

Для сохранения характеристических размеров готовых частиц в заданных пределах при многочисленных пересыпаниях в процессе затаривания, транспортировки и присадки опытным путем установлено, что наименьшему разрушению (при данной прочности) обладают частицы с соотношением минимального поперечного размера D (диаметра сферы, цилиндра, стороны куба или прямоугольника) к максимальному размеру L частиц (длина, высота, цилиндра, прямоугольника и т.д.) в пределах D/L 0,1-1,0, соответственно.

При уменьшении D:L < 0,1 частицы ломаются, измельчаются и не могут попадать в металл.

При D:L > 1,0 частицы могут застревать в материалопроводе.

Из смесителя 5 пастообразную смесь подают на формирователь 6, откуда с помощью транспортера 7 полученные частицы любой наперед заданной формы и размера подают на сушку в трехзонную печь 8.

В трехзонной печи частицы сушат последовательно: в первой зоне при 50-80^oС, во второй зоне при 81-150^oС и в третьей зоне при 151- 300^oС.

В каждой зоне продолжительность сушки 3-5 мин.

Сушка в первой зоне при температуре ниже 50^oС сильно затягивает процесс. При температуре более 80^oС возникает опасность быстрого скопления паров воды с разрывом частиц, особенно крупных размеров, с потерей прочности.

Сушка во второй зоне при 81^oС затягивается процесс сушки. При температуре 150^oС появляется опасность разрыхления частиц в объеме и потери их прочности с последующим измельчением при транспортных операциях и присадке.

Третья зона предусматривает прокаливание частиц и достижение требуемого уровня влаги не более 0,9%
При температуре 151^oС чрезмерно падает производительность и растут расходы электроэнергии, при температуре 300^oС происходит разрушение связующего и потери прочности частиц с их последующим измельчением.

При длительности термообработки менее трех минут в каждой зоне процесс сушки не успевает пройти. В итоге частицы теряют прочность. При длительности сушки более 5 мин дальнейшее уменьшение влаги малозаметно, но возрастают потери электроэнергии.

Для улучшения газопроницаемости частиц во время сушки и достижения ими требуемой прочности в состав смеси добавляют от 0,5 до 1,5% древесных опилок, которые, высыхая и обугливаясь, уменьшаются в объеме, обеспечивая этим необходимую пористость для пароудаления.

При количестве опилок менее 0,5% эффект слабо выражен, при содержании более 1,5% наступает заметная потеря прочности частиц.

Пример 1. В специальный бак 1 с мешалкой вводят крахмал с содержанием амилозы 20% и воду с температурой 45^oС, перемешивают в течение 1 мин и получают крахмальное молочко.

Затем крахмальное молочко (эмульсию крахмала в воде) переводят в коллоидный раствор крахмала. Для этого в бак 1 с крахмальным молочком добавляют из 2 кипящую воду до мас.-ного соотношения крахмал-вода 10:90 (при постоянном перемешивании). Полученный коллоидный раствор из 1 передают в миксер накопитель 3.

Из миксера 3 коллоидный раствор крахмала и углеродный порошок из бункера-дозатора 4 одновременно и непрерывно (с интенсивностью 15-30 кг/мин) подают в двухвальцовый смеситель 5, поддерживая все время соотношение (мас.) компонентов в непрерывно образующейся пастообразной смеси, графит; крахмал: вода равным 56,6:3,8:39,6.

Далее из смесителя 5 пастообразная смесь поступает на формообразующий пресс 6, из которого с помощью транспортера 7 образующиеся частицы в форме полуцилиндра с размерами Д 10 мм и L 35 мм поступают в трех зонную сушильную печь 8.

В печи их сушат по следующему режиму: в первой зоне при 70^oС в течение 4 мин; во второй зоне при 120^oС в течение 4 мин, и в третьей зоне при 220^oС в течение 4 мин.

После охлаждения получают готовые частицы науглероживателя следующего состава (мас. ) графит (99,7%) 92,9; крахмал 6,2; вода 0,9; затаривают по 1000 кг в резинокордные мешки и отправляют на металлургические заводы.

На металлургическом заводе при производстве высококачественной стали в процессе вакуумирования в металлический расплав с исходным содержанием углерода 0,1% добавляют 700 кг науглеродивателя вышеуказанных размеров и состава.

Через 5 мин после начала присадки науглероживателя сталь с конечным содержанием углерода 0,72 отправляют на разливку.

Пример 2. Выполняется также, как пример 1, но в смеситель одновременно поступают 1% древесных опилок (от массы углеродного материала), а вместо графита коксовая мелочь (порошок).

Технико-экономические преимущества науглеродивателя, произведенного по предлагаемому способу, очевидны из данных таблицы.

Использование: черная металлургия, в частности, для получения науглероживателя для легирования стали углеродом во время вакуумной обработки. Сущность: способ включает подачу в смеситель крахмала, углеродного материала, воды, непрерывное перемешивание компонентов и образующейся смеси, формирование частиц и их сушку, причем сначала получают эмульсию крахмала в воде, например при температуре 40-50^oС, при этом используют крахмал с содержанием амилозы в пределах 17,5-30,0%, затем в эмульсию добавляют кипящую воду и эмульсию переводят в коллоидный раствор крахмала при массовом соотношении крахмал: вода в пределах (5-15):(95-85) соответственно, после этого коллоидный раствор крахмала и порошкообразный углеродный материал с содержанием 80-99,7% углерода (например порошок технического графита) одновременно и непрерывно подают в смеситель, поддерживая массовые соотношения компонентов в непрерывно образующейся пастообразной смеси углеродный материал: крахмал: вода в пределах (50-60):(4-3): :(46-37), соответственно, в смеситель можно добавлять древесные опилки в количестве 0,5-1,5% от массы углеродного материала, пастообразную смесь затем формуют на частицы, которые сушат последовательно в трех температурных зонах: сначала при 50-80^oС, затем при 81-150^oС, и в конце при 151-300^oС по 3-5 мин в каждой зоне, частицы можно формовать с соотношением поперечного размера Д к длине L в пределах Д/L 0,1- 1,0 при Д 4-40 мм. 4 з.п.ф. 1 табл., 1 ил.

1. Способ производства науглероживателя для легирования стали углеродом в вакуумных установках, включающий подачу в смеситель крахмала, порошкообразного углеродного материала и воды, непрерывное перемешивание компонентов смеси, формование частиц и их сушку, отличающийся тем, что крахмал и воду непрерывно подают в смеситель в виде коллоидного раствора одновременно с порошкообразным углеродным материалом, поддерживая в образующейся пастообразной смеси массовое соотношение углеродного материала, крахмала и воды 50 60 4 3 46 37 соответственно, сушку осуществляют сначала в температурной зоне 50 80^oС, затем в зоне 81 150^oС, а в конце в зоне 151 300^oС по 3-5 мин в каждой, при этом используют коллоидный раствор с массовым процентным соотношением крахмала и воды 5 15 95 85 соответственно, полученный добавлением кипящей воды в эмульсию крахмала с содержанием амилозы 17,5 30,0
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют коллоидный раствор, полученный добавлением кипящей воды в эмульсию крахмала в воде, полученную при 40 50^oС. 3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что формируют частицы с соотношением поперечного размера D к длине L в пределах 0,1 1,0 при D 4 40 мм. 4. Способ по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что в качестве порошкообразного углеродного материала используют порошок графита. 5. Способ по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что в смеситель дополнительно подают древесные опилки в количестве 0,5 1,0% от массы углеродного материала.