БРИКЕТ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЧУГУНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК C21C1/10 

Заявляемое изобретение (четыре варианта) относится к черной металлургии, в частности к производству железоуглеродистых сплавов.

Заявляется четыре варианта технического решения, которое по каждому из вариантов является решением одной и той же задачи принципиально тем самым путем, которые не могут быть охвачены одним общим пунктом формулы изобретения.

Известна смесь для обработки чугуна, которая содержит углеродсодержащий материал, карбид кремния, ферросилиций и оксиды ванадия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углеродистый материал 10-30

Карбид кремния 1-5

Оксид ванадия 10-30

Ферросилиций 75% остальное

(А.С. СССР №1169996, С 22 С1/00. Бюл. №28, 1985 г.)

Указанная смесь увеличивает стойкость против износа обрабатываемого чугуна.

Известна смесь для обработки чугунов, содержащая 75% ферросилиций, углеродсодержащий материал и оксиды хрома при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углеродистый материал 10-30

Карбид кремния 1-5

Оксиды хрома 10-30

75% ферросилиций остальное

(А.С. СССР №1266869, С 22 С 1/00. Бюл. №40, 1986 г.)

Указанная смесь увеличивает твердость и коррозионную стойкость чугуна.

Известен модифицирующий брикет, содержащий алюминий, плавиковый шпат, графит, ферросилиций и/или силикобарий и связующее при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий 15-35

Плавиковый шпат 2-10

Графит 2-4

Ферросилиций и/или

силикобарий остальное

При этом связка имеет следующий состав, мас.%:

Гидрокарбонат магния 52,0-56,0

Хромовый ангидрид 2,6-2,9

Оксид хрома 11,2-11,9

Диоксид титана 23,3-26,0

Вода остальное

(А.С. СССР №1498792, С 21 С 1/08, С 22 С 35/00. Бюл. №29, 1989 г.)

Указанная смесь увеличивает прочность брикета и улучшает механические свойства обрабатываемых чугунов.

Известен брикет для производства чугуна и стали (Патент РФ №2083681, МПК С 21 С 5/06, С 22 В 1/24). По данному изобретению брикет для производства чугуна и стали включает стальную окалину, углеродсодержащий материал и связующее, причем в качестве связующего используется смесь диоксида кремния, оксида кальция, оксида натрия и оксида алюминия, а в качестве углеродсодержащего материала - электродный бой.

Известен брикет, содержащий кремнийсодержащие остатки (варианты), и способ его получения. Брикет по этому изобретению содержит кремнийсодержащие остатки в качестве добавок для металлургических целей, при этом он состоит по сухому весу из 1-10% по весу картонной фибры, 5-40% по весу гидравлического цемента, а остальное кремний (Патент РФ №2124058, МПК С 22 В 1/242).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту являются модифицирующие брикеты для синтетического чугуна, содержащие ферросилиций ФС-75, связующее и карбюризатор, в качестве карбюризатора выступает кокс, в качестве связующего - 40% водный раствор твердого осадка технических лигносульфонатов при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Ферросилиций ФС-75 5,0-8,0

Коксик 80,0-85,0

40% водный раствор твердого осадка

технических лигносульфонатов 10,0-12,0

(А.С. СССР №1574667, С 22 С 35/00. Бюл. №24, 1990 г.)

Состав указанных брикетов обеспечивает только донауглероживание расплава и снижение отбела тонкостенных отливок.

Технической задачей данного изобретения является достижение качественного улучшения состава брикета путем замены ферросилиция карбидом кремния металлургическим при определенных количественных соотношениях всех компонентов, что приводит к получению более высоких технических результатов - повышения прочностных характеристик железоуглеродистых сплавов и улучшения технологического процесса производства отливок из синтетических чугунов за счет их одновременного донауглероживания и модифицирования.

Брикеты, заявляемые данным изобретением (четыре варианта), могут быть использованы в процессах производства железоуглеродистых сплавов, а также серых и легированных чугунов на базе синтетического расплава, который имеет низкую способность к графитизации.

В первом варианте поставленная задача решается тем, что брикет для производства железоуглеродистого сплава, включающий кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, содержит в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбид кремния металлургический и углерод - кремнистую смесь, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 59-62

Углеродкремнистая смесь 21-25

Цемент 13-20

Во втором варианте брикет для производства железоуглеродистого сплава включает кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, содержит в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбид кремния металлургический и углеродкремнистую смесь, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 44-48

Углеродкремнистая смесь 36-39

Цемент 13-20

В третьем варианте брикет для производства железоуглеродистого сплава включает кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, содержит в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбид кремния металлургический и углеродкремнистую смесь, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 18-21

Углеродкремнистая смесь 62-66

Цемент 13-20

В четвертом варианте брикет для производства железоуглеродистого сплава включает кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, содержит в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбид кремния металлургический и углеродкремнистую смесь, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 1-5

Углеродкремнистая смесь 79-82

Цемент 13-20

Признаком, общим для указанных для всех вариантов заявляемых брикетов и у прототипа, является наличие кремнийсодержащего материала, углеродсодержащего материала и связующего.

Отличительным признаком для первого варианта является содержание в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбида кремния металлургического и углеродкремнистой смеси, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 59-62

Углеродкремнистая смесь 21-25

Цемент 13-20

Отличительным признаком для второго варианта является содержание в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбида кремния металлургического и углеродкремнистой смеси, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 44-48

Углеродкремнистая смесь 36-39

Цемент 13-20

Отличительным признаком для третьего варианта является содержание в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбида кремния металлургического и углеродкремнистой смеси, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 18-21

Углеродкремнистая смесь 62-66

Цемент 13-20

Отличительным признаком для четвертого варианта является содержание в качестве кремнийсодержащего и углеродсодержащего материалов карбида кремния металлургического и углеродкремнистой смеси, в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 1-5

Углеродкремнистая смесь 79-82

Цемент 13-20

Введение в состав смеси металлургического карбида кремния обеспечивает замену ферросилиция. Карбид кремния используется как компонент шихты, обеспечивая необходимое содержание в чугуне кремния и частично углерода. Использование карбида кремния металлургического более экономично в сравнении с ферросилицием и способствует снижению склонности жидкого чугуна к отбелу, а также к более равномерному распределению включений шаровидного графита в высокопрочном чугуне и более стабильному содержанию кремния во всех чугунах, что значительно улучшает технологические характеристики железоуглеродистого расплава и механические свойства чугуна.

Влияние карбида кремния металлургического совместно с углеродкремнистой смесью обеспечивает достаточность процесса науглероживания. Карбид кремния содержит меньшее количество неметаллических включений и примесей цветных металлов, чем ферросилиций, меньшее содержание газов и способствует выделению элементарного углерода, образует в жидком расплаве центры графитизации.

Углеродкремнистая смесь - вторичный продукт химико-термических реакций с соотношением Ссвяз.: Ссвоб. = 1:7, обеспечивает насыщение расплава частицами углерода, которые являются активными центрами графитизации и также являются источником кремния в виде SiC.

Таким образом, в заявляемом брикете комбинация углеродсодержащих компонентов обеспечивает графитизацию чугуна за счет комплексного влияния и одновременно обеспечивается синергетический принцип их действия.

Выбор цемента в качестве связующего позволяет изготовить брикеты достаточно высокой прочности, благодаря чему существенно снижаются потери компонентов при их хранении и транспортировке.

Границы содержания компонентов в составе брикета по первому варианту обосновываются следующим.

Карбид кремния (СТП 002222-162-99). При содержании в пределах 59-62 мас.% обеспечивается устранение отбела в чугуне, обеспечивается необходимое содержание кремния. При содержании менее 59 мас.% - содержание кремния в чугуне не отвечает марочному. При содержании более 62 мас.% - время реагирования брикетов значительно увеличивается при малом донауглероживающем эффекте (ухудшается модифицирующая способность брикета, ухудшается форма графита и, как следствие, механические свойства отливок).

Углеродкремнистая смесь (ТУУ 322-00196204.005-99). Количество углеродкремнистой смеси в брикетах в пределах 21-25 мас.% обеспечивает стабильную науглероживающую способность брикетов. При содержании в брикете углеродкремнистой смеси менее 21 мас.% науглероживающая способность их недостаточна, а при содержании ее более 25 мас.% появляется избыток углерода в сравнении с марочным составом.

Цемент (ГОСТ 30515-97), например, марки М-400 обеспечивает необходимую прочность брикетов. Но при содержании в составе брикета менее 13 мас.% цемента они имеют недостаточную прочность, увеличенное рассыпание. При содержании более 20 мас.% ухудшаются механические свойства чугуна, увеличивается количество шлака.

Границы содержания компонентов в составе брикета по второму варианту обосновываются следующим.

Карбид кремния (СТП 002222-162-99). При содержании в пределах 44-48 мас.% обеспечивается устранение отбела в чугуне, увеличение количества феррита в чугуне и обеспечивается необходимое содержание кремния. При содержании менее 44 мас.% содержание кремния в чугуне не отвечает марочному. При содержании более 48 мас.% появляется избыток кремния, вследствие чего снижаются прочностные характеристики чугуна из-за неоднородности структуры металлической матрицы.

Углеродкремнистая смесь (ТУУ 322-00196204.005-99). Количество углеродкремнистой смеси в брикетах в пределах 36-39 мас.% обеспечивает высокую и стабильную науглероживающую способность брикетов. При содержании в брикете углеродкремнистой смеси менее 36 мас.% науглероживающая способность их низкая, при содержании ее более 39 мас.% ухудшается форма, размеры и распределение включений графита, что ухудшает качество отливок.

Цемент (ГОСТ 30515-97), например, марки М-400. В заявляемом количестве обеспечивает необходимую прочность брикетов. Но при содержании в составе брикета менее 13 мас.% цемента они имеют недостаточную прочность, увеличенное рассыпание. При содержании более 20 мас.% ухудшаются механические свойства чугуна, увеличивается количество шлака.

Границы содержания компонентов в составе брикета по третьему варианту обосновывается следующим.

Карбид кремния (СТП 002222-162-99). При содержании в пределах 18-21 мас.% обеспечивается необходимое содержание кремния, достижение эффекта графитизирующего модифицирования, устраняется отбел. При содержании менее 18 мас.% содержание кремния в чугуне не отвечает марочному. При содержании более 21 мас.% появляется избыток кремния, вследствие чего снижаются прочностные свойства из-за неоднородности структуры металлической матрицы.

Углеродкремнистая смесь (ТУУ 322-00196204.005-99). При содержании в пределах 62-66 мас.% обеспечивается достаточность процесса науглероживания. При содержании в брикете углеродкремнистой смеси менее 62 мас.% не обеспечивается марочный состав чугуна по углероду, а при содержании ее более 66 мас.% ухудшается форма, размеры и распределение включений графита, что ухудшает качество отливок.

Цемент (ГОСТ 30515-97), например, марки М-400. В заявляемом количестве обеспечивает необходимую прочность брикетов. Но при содержании в составе брикета менее 13 мас.% цемента они имеют недостаточную прочность, увеличенное рассыпание. При содержании более 20 мас.% ухудшаются механические свойства чугуна, увеличивается количество шлака.

Границы содержания компонентов в составе брикета по четвертому варианту обосновываются следующим.

Карбид кремния (СТП 002222-162-99). При содержании в пределах 1-5 мас.% обеспечивается достижение эффекта графитизирующего модифицирования, снижение количества структурно свободного цементита. При содержании более 5 мас.% в чугуне появляется избыток кремния, вследствие чего снижаются прочностные свойства из-за неоднородности структуры металлической матрицы.

Углеродкремнистая смесь (ТУУ 322-00196204.005-99). При содержании в пределах 79-82 мас.% обеспечивается насыщение расплава частицами углерода, которые являются активными центрами графитизации. При содержании в брикете углеродкремнистой смеси менее 79 мас.% не обеспечивается достаточная степень, а при содержании ее более 82 мас.% приводит к выходу графита с жидкого чугуна в виде спели, что ухудшает качество отливок.

Цемент (ГОСТ 30515-97), например, марки М-400. В заявляемом количестве обеспечивает необходимую прочность брикетов. Но при содержании в составе брикета менее 13 мас.% цемента они имеют недостаточную прочность, увеличенное рассыпание. При содержании более 20 мас.% ухудшаются механические свойства чугуна, увеличивается количество шлака.

Проведенный заявителем поиск по научно-техническим и патентным источникам информации и выбранный из перечня аналогов прототип позволяет выявить вышеприведенные отличия в предлагаемом техническом решении.

Итак, предлагаемое техническое решение “Брикет для производства железоуглеродистого сплава” (четыре варианта) отвечает критерию изобретения - новизна.

Проведенный дополнительный анализ известных технических решений для определения в них признаков, аналогичных признаками отличительной части формулы изобретения заявляемого технического решения, показал, что эти признаки не найдены среди известных решений.

Таким образом заявляемое техническое решение, отвечает критерию изобретения - изобретательский уровень.

Примеры конкретного выполнения.

1. Брикеты по первому варианту используются при производстве синтетического чугуна из шихты, состоящей из 27% стального лома, 63% литейных или передельных чугунов, 10% брикетов, по заявляемому изобретению, например, для чугуна ЧС5Ш (ГОСТ 7769-82).

Для проведения сравнительных исследований брикетов для плавки чугуна как объект исследований выбран чугун ЧС5Ш следующего химического состава, %: углерод 2,7-3,5; кремний 4,5-5,5; марганец ≤ 0,8; фосфор ≤ 0,10; сера ≤ 0,03; хром до 0,2; титан 0,1-0,3; железо остальное.

Плавку синтетического чугуна проводили в индукционной печи ЛПЗ-57 с кислой футеровкой. В качестве металлической шихты использовали 27% стального лома марки 1А (ГОСТ 2787-88), 63% передельного чугуна марки ПЛ2 (Ст СЭВ 3288-92). Расплав перегревали до 1450°С и вводили 10% брикетов.

Исследованные составы брикетов и результаты исследований приведены в табл.1.

2. Брикеты по второму варианту используются при производстве синтетического чугуна из шихты, состоящей из 45% стального лома, 45% литейных или передельных чугунов, 10% брикетов, по заявляемому изобретению, например, для чугуна СЧ10 (ГОСТ 1412-85), АЧС-5 (ГОСТ 1585-85).

Для проведения сравнительных исследований брикетов для плавки чугуна как объект исследований выбран чугун АЧС-5 следующего химического состава, %: углерод 3,5-4,3; кремний 2,5-3,5; марганец 7,5-12,5; фосфор не более 0,20; сера не более 0,06; хром до 0,2; железо остальное.

Плавку синтетического чугуна осуществляли в индукционной печи ЛПЗ-57 с кислой футеровкой. В качестве металлошихты использовали 45% стального лома марки 1А (ГОСТ 2787-88), передельного чугуна марки ПЛ2 (Ст СЭВ 3288-92). Расплав перегревали до 1450°С и вводили 10% брикетов.

Исследованные составы брикетов и результаты исследований приведены в табл.1.

3. Брикеты по третьему варианту используются при производстве синтетического чугуна из шихты, состоящей из 63% стального лома, 27% литейных и передельных чугунов, 10% брикетов, по заявляемому изобретению, например, для чугуна СЧ 30-35 (ГОСТ 1412-85), АСЧ-2 (ГОСТ 1585-85).

Для проведения сравнительных исследований брикетов для плавки чугуна как объект исследований выбран чугун СЧ35 следующего химического состава, %: углерод 2,9-3,0; кремний 1,2-1,5; марганец 0,7-1,1; фосфор ≤ 0,2; сера ≤ 0,12; железо остальное.

Плавку синтетического чугуна осуществляли в индукционной печи ЛПЗ-57 с кислой футеровкой. В качестве металлической шихты использовали 63% стального лома марки 1А (ГОСТ 2787-88), 27% передельного чугуна марки ПЛ2 (Ст СЭВ 3288-92). Расплав перегревали до 1450°С и вводили 10% брикетов по заявляемому изобретению.

Исследованные составы брикетов и результаты исследований приведены в табл.2.

4. Брикеты по четвертому варианту используются при производстве синтетического чугуна из шихты, состоящей на 90% из стального лома и 10% брикетов по заявляемому изобретению, например, для чугуна ЧС17 (ГОСТ 7769-82).

Для проведения сравнительных исследований брикетов для плавки чугуна как объект исследований выбран чугун ЧС17 следующего химического состава, %: углерод 0,3-0,5; кремний 16,1-18,0; марганец ≤ 0,8; фосфор ≤ 0,10; сера ≤ 0,07; железо остальное.

Плавку синтетического чугуна осуществляли в индукционной печи ЛПЗ-57 с кислой футеровкой. В качестве металлошихты использовали 90% стального лома марки 1А (ГОСТ 2787-88). Расплав перегревали до 1450°С и вводили 10% брикетов.

Исследованные составы брикетов и результаты исследований приведены в табл.2.

Для всех плавок:

Чугуны выдерживали в течение 10 мин и доводили до необходимого химического состава присадками ферросплавов и необходимых легирующих элементов.

После удаления шлака заливали стандартные технические пробы ⊘ 30 мм для исследования механических свойств чугуна, определения химического состава металла.

Как видно из таблиц 1, 2, предлагаемые брикеты обеспечивают увеличение прочностных характеристик на 7-13% для чугунов своей группы, при более технологичном процессе производства чугуна - одновременном донауглероживании и модифицировании.

Предлагаемые составы брикетов могут быть легко воспроизведены и использованы для производства высококачественных железоуглеродистых расплавов.

Таким орбразом, заявляемое техническое решение (четыре варианта) отвечает критерию изобретения - промышленная применимость.

Таблица 1Брикет для обработки чугунаПределы содержания ингредиентовСостав брикетов, мас.%Содержание углерода в базовом расплаве, %Содержание углерода в чугуне после обработки брикетами, %Эффект донауглероживанияВременное сопротивление чугунов при растяжении, МПАКарбид кремния металлургическийФерросилицийУглеродкремнистая смесьСвязующееГОСТОпытИзвестный СЧ-25Средний 7,083,010,02,743,310,208252252Предлагаемый брикет по первому варианту ЧС5Ш ГОСТ 7769-82Нижний59-21131,92,70,421290316Средний60,5-2316,51,93,10,631290316Верхний62-25201,93,50,969285308Ниже нижнего58 20121,92,10,105310347Выше верхнего63 26211,93,81270289Предлагаемый брикет по второму варианту АЧС5 ГОСТ 1585-85Нижний44-36131,53,51,33100109Средний46-37,516,51,53,81,53120132Верхний48-39201,54,31,87128140Ниже нижнего43 35121,53,01138155Выше верхнего49 40211,54,82,290102

Таблица 2.Брикет для обработки чугунаПределы содержания ингредиентовСостав брикетов, мас.%Содержание углерода в базовом расплаве, %Содержание углерода в чугуне после обработки брикетами, %Эффект донауглероживанияВременное сопротивление чугунов при растяжении, МПАКарбид кремния металлургическийФерросилицийУглеродкремнистая смесьСвязующееГОСТОпытИзвестный СЧ-25Средний 7,083,010,02,743,310,208252252Предлагаемый брикет по третьему варианту СЧ35 ГОСТ 1412-85Нижний18-62130,82,92,629348379Средний19,5-6416,50,82,952,687350395Верхний21-66200,83,02,75350395Ниже нижнего17-61120,82,82,5305335Выше верхнего22 67210,83,23,0310338Предлагаемый брикет по четвертому варианту ЧС-17 ГОСТ 7769-82Нижний1-79130,10,312,159,567Средний3-80,516,50,10,453,560,067Верхний5-82200,10,504,061,569,5Ниже нижнего0,5 78120,10,281,85560,5Выше верхнего6 83210,10,554,55459

Изобретение относится к черной металлургии. Брикет включает кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее. В качестве кремнийсодержащего материала он содержит карбид кремния металлургический, в качестве углеродсодержащего материала содержит углеродкремнистую смесь, а в качестве связующего - цемент. Изобретение позволит улучшить технологический процесс производства отливок из синтетических чугунов за счет их одновременного донауглероживания и модифицирования. 4 с.п. ф-лы, 2 табл.

1. Брикет, используемый при производстве чугуна, включающий кремнийсодержащий материал, углеродсодержащий материал и связующее, отличающийся тем, что в качестве кремнийсодержащего материала он содержит карбид кремния металлургический, в качестве углеродсодержащего материала содержит углеродкремнистую смесь, а в качестве связующего - цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния металлургический 59-62

Углеродкремнистая смесь 21-25

Цемент 13-20

Карбид кремния металлургический 44-48

Углеродкремнистая смесь 36-39

Цемент 13-20

Карбид кремния металлургический 18-21

Углеродкремнистая смесь 62-66

Цемент 13-20

Карбид кремния металлургический 1-5

Углеродкремнистая смесь 79-82

Цемент 13-20