СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПЛАВА ЖЕЛЕЗА ИЗ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 2002 года по МПК C21B15/00 B22F3/23 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам получения сплавов железа из железосодержащих отходов производства.

Известен способ получения сплавов железа в высокотемпературных печах путем загрузки 35-40 мас. % литейного чугуна, 15-35 мас.% стального и чугунного лома, 30-45 мас. % возврата собственного производства, 8 мас.% стружки в металлургическую печь, имеющую температуру 1400-1650^oС, и последующего плавления посредством нагрева в печи в течение нескольких часов до 1400-1600^oС. В результате плавления получают чугун [1].

Недостатком способа получения сплавов железа в высокотемпературных печах являются большой расход электроэнергии и, следовательно, высокая стоимость получаемой продукции, а также применение дорогостоящих плавильных печей, длительность процесса плавки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ получения черных сплавов в высокотемпературных индукционных печах путем загрузки 94-95 мас.% железосодержащего компонента, в качестве которого используют передельный чугун, стальной и чугунный лом, возврат, брикеты стружки и небольшие добавки легирующих компонентов (ферросилиций и ферромарганец в количестве 1,0-2,5 мас. %), последующего нагрева до температуры плавления и выдержки при этой температуре. В описанном способе можно использовать как содержащие железо слитки, так и железосодержащие компоненты, которые подвергаются переплавлению в плавильных печах [2].

Описанный способ получения сплавов железа в высокотемпературных индукционных печах имеет следующие недостатки: большой расход электроэнергии из-за применения высокотемпературных печей; высокая стоимость готовой продукции; неполная утилизация отходов, т.к. в высокотемпературных печах не используют окалину и мелкодисперсные отходы, которые образуются в результате очистки отливок в дробеметных камерах, такие отходы производства не плавятся, а сгорают - чаще всего эти отходы вывозят в отвал, тем самым ухудшая и так неблагоприятную экологическую обстановку; низкая защита окружающей среды, так как при плавлении в плавильных печах выделяется большое количество дыма и продуктов сгорания в атмосферу. Кроме того, способ получения черных сплавов длителен во времени из-за больших временных затрат на процесс плавления (длительность плавления несколько часов).

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения сплавов железа из отходов производства, включающем загрузку железосодержащего компонента и последующее плавление сплава железа, дополнительно загружают алюмосодержащий компонент, в качестве которого используют алюминиевый порошок в количестве 15-20 мас. %. При этом в качестве железосодержащего компонента используют железную окалину в количестве 70-80 мас.% и железосодержащий порошок в количестве 10-15 мас.%. Полученные компоненты смешивают перед загрузкой, а плавление сплава железа осуществляется путем термосинтеза указанных компонентов.

Техническим результатом является значительное уменьшение расхода электроэнергии, более полное обеспечение утилизации отходов производства, улучшение экологической обстановки и значительное сокращение длительности процесса получения сплава.

Значительное уменьшение расхода электроэнергии, позволяющее снизить стоимость готовой продукции, достигнуто за счет получения сплава не в высокотемпературных печах, а в режиме термосинтеза путем использования тепла химической реакции соответствующим образом подобранных компонентов. При этом электроэнергию расходуют только на смешивание шихты в системах с электрическим приводом.

Обеспечение более полной утилизации отходов производства достигается вследствие использования железосодержащих отходов, которые не применяют в процессе плавления сплавов железа в высокотемпературных печах, а именно железосодержащего мелкодисперсного порошка, получающегося после очистки отливок в дробеметной камере, и железной окалины Fе₂O₃, т.к. в высокотемпературных печах они не плавятся, а сгорают. Железную окалину и железосодержащий порошок удаляют в отвал.

Улучшение экологической обстановки обеспечивается тем, что плавление сплава железа осуществляют путем термосинтеза с выделением количества тепла, необходимого для плавления смеси компонентов. Образующийся в результате плавления металл скапливается на дне тигля, оксид алюминия и другие примеси переходят в шлак.

Длительность процесса получения сплава железа сокращается вследствие снижения затрат времени на его плавление в режиме термосинтеза - она составляет 20-120 с в отличие от нескольких часов по способу-прототипу.

Количество железной окалины Fе₂О₃ - 70-80 мас.% является оптимальным, так как при содержании окалины менее 70 мас.% происходит неполное выделение металла, а при содержании железной окалины более 80 мас.% увеличивается температура процесса, вследствие чего металл в виде искр испаряется в атмосферу.

Количество железосодержащего порошка - отходов производства 10-15 мас.% является оптимальным, так как при содержании железосодержащего порошка менее 10 мас.% характер процесса становится бурным, с выбросом расплавленного металла, а при содержании порошка более 15 мас.% происходит замедление химической реакции.

Количество алюминиевого порошка 15-20 мас.% также является оптимальным, т. к. при содержании алюминия менее 15 мас.% реакция не возникает, а при увеличении содержания алюминия более 20 мас.% реакция идет бурно с выбросом расплавившегося металла в виде капель.

Выбранные соотношения между окисью железа, железом и алюминием обусловлены концентрационными пределами в системе железо - окись железа - алюминий, за рамками которых характер реакции меняется в сторону ухудшения.

Способ получения железного сплава из отходов производства осуществляется следующим образом. Производят дозирование железосодержащего компонента, в качестве которого используют железную окалину в количестве 70-80 мас.% и железосодержащий порошок в количестве 10-15 мас.%, и алюмосодержащего компонента, в качестве которого используют алюминиевый порошок в количестве 15-20 мас.%. Эти компоненты смешивают, загружают в форму (тигель), инициируют начало реакции и производят плавление сплава железа в режиме горения путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Плавление железа осуществляют за счет тепла химической реакции термосинтеза вышеуказанных компонентов
Fе₂О₃+Fe+Al-->Fe+Аl₂О₃+Q.

Образующийся в реакционной зоне металл скапливается на дне формы, а окислы и другие примеси переходят в шлак.

Пример конкретного выполнения способа получения сплава железа из отходов производства. Для экспериментальной проверки предлагаемого технологического решения использовали молотую железную окалину, отходы термообработки железоуглеродистых сплавов кузнечного производства, дисперсность которой определяли проходом через сито 0,16 мм, железосодержащий порошок, полученный при механической обработке литья в дробеметных камерах, дисперсностью 0,05 мм, и порошок алюминия АСД-1. Порошки дозировались в заданном соотношении на аналитических весах с точностью до 0,001 г, механически смешивались всухую в атмосфере воздуха в смесителе типа "пьяная бочка" партиями по 200 г в течение 4 часов. Полученные образцы шихты загружали в керамические формы и инициировали реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с помощью кратковременного теплового импульса. Под действием тепла химической реакции происходило плавление порошкообразной шихты, а жидкий металл выливали в металлическую форму. Выход железного слитка составляет 40-45%.

Инициировать реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при использовании компонентов шихты прототипа и аналога не удалось.

Таким образом, предлагаемый способ получения сплава железа из отходов производства позволяет значительно снизить расход электроэнергии и, следовательно, снизить стоимость готовой продукции, обеспечивает более полную утилизацию производственных отходов, улучшение экологической обстановки, уменьшение длительности процесса.

Источники информации
1. Дмитрович Л. М. Справочник литейщика. - М.: Высшая школа, 1989, с. 250-257.

2. Чугун. Справочное издание / Под ред. Л.Д. Шермана, А.А. Жукова. - М.: Металлургия, 1991, с.143 (прототип).

Использование: черная металлургия, в частности способы получения сплавов железа из железосодержащих отходов. Способ включает подготовку смеси, содержащей, мас%: железную окалину 70-80, железосодержащий порошок 10-15 и алюминиевый порошок 15-20. Полученную смесь компонентов смешивают и загружают в тигель. После этого осуществляют плавление сплава в режиме горения путем термосинтеза с выделением количества тепла, необходимого для плавления смеси компонентов. Образующийся в реакционной зоне сплав железа скапливается на дне тигля, а окись алюминия и другие примеси переходят в шлак. Изобретение позволяет значительно уменьшить расход электроэнергии, обеспечивает более полную утилизацию отходов производства, улучшает экологическую обстановку и значительно сокращает длительность процесса получения сплава.

Способ получения сплава железа из отходов производства, включающий загрузку железосодержащего компонента в тигель и последующее плавление сплава железа, отличающийся тем, что дополнительно загружают алюмосодержащий компонент, в качестве которого используют алюминиевый порошок в количестве 15-20 мас. %, при этом в качестве железосодержащего компонента используют железную окалину в количестве 70-80 мас. % и железосодержащий порошок в количестве 10-15 мас. %, компоненты смешивают перед загрузкой, а плавление сплава железа осуществляют путем термосинтеза.