Способ получения чугунных мелющих тел Российский патент 2024 года по МПК C22B1/242 C22B1/248 C21C1/08 B02C17/20 C22B7/02 

Предлагаемое изобретение относится к производству чугунных изделий, в частности к получению чугунных мелющих тел (шаров и цильбепсов) и их составу, и может использоваться для утилизации пыли ЭДП.

Изобретение относится к производству чугунных изделий, в частности к получению чугунных мелющих тел, и может использоваться для утилизации отходов металлургического производства, а именно пыли электродуговых печей (ЭДП). Изобретение позволяет перерабатывать пыль ЭДП или металлизованный клинкер после вельцевания и получить прочные износостойкие мелющие тела.

Известно, что переработка пыли ЭДП ведется в небольшом объеме процессом вельцевания для извлечения цинка из пыли, после вельцевания остаётся металлизованный клинкер, который, в свою очередь, содержит железо до 40 – 50%.

Большую часть пыли ЭДП перерабатывают гидрометаллургическим методом; основная информация представлена в патенте РФ. Способ переработки цинксодержащей пыли электродуговых печей. №2017109657 по кл. С22В 19/38, заявл. 23.03.2017, опубл. 08.05.2018 г. Основная суть метода: пирометаллургические и гидрометаллургические методы переработка цинксодержащей пыли, использование флюсующих добавок и коксика при переработке. Основной недостаток метода - это дорогостоящее двухстадийное извлечение цинка пирометаллургическим и гидрометаллургическим методом, а также использование коксика и флюсующих компонентов. В результате данного метода переработки складируется железосодержащий клинкер.

Брикетирование методом жесткой экструзии. В связи с тем, что пыль ЭДП находится в мелкодисперсном состоянии, её необходимо брикетировать для удобной транспортировки и дальнейшей работы. Согласно проанализированным данным существуют различные методы окускования шихты.

Известно техническое решение - брикет для выплавки металла, имеющий правильную геометрическую форму и приготовляемый из мелкодисперсных железосодержащих отходов, тонкоизмельченного углеродсодержащего материала и связующего, в качестве которого используется механическая смесь природных материалов - суглинка, глины или полевого шпата и карбоната натрия [Патент РФ №2154680, С22В 1/243, 7/00, 2000, БИПМ №23]. Брикет для выплавки металла по известному техническому решению получают путем прессования смеси указанных материалов, увлажненной водным раствором жидкого стекла, с последующей сушкой полученного брикета. Недостатком данного известного технического решения является то, что брикет для выплавки металла, получаемый по описанной технологии, не обладает достаточной горячей прочностью, что не позволяет его использовать в качестве компонента шихты в шахтных или рудотермических печах.

Указанный недостаток устраняется в другом известном техническом решении, которым является железосодержащий кусковый материал, приготовляемый из смеси мелких железосодержащих отходов металлургического производства, измельчённого углеродсодержащего материала и глиноземистого цемента путем изготовления из этой смеси бетона и дробления его на куски необходимой крупности для загрузки в металлургическую печь [DE 3727576, МКИ С22В 1/243 от 19.08.1987]. Мелочь, образующуюся при дроблении бетона, используют в агломерационной шихте. Недостатком данного технического решения является многоступенчатость и низкая производительность процесса изготовления кускового материала, а также значительный выход мелкой фракции, которую нужно утилизировать по другой технологии.

Недостатки данного технического решения устраняются в брикетах для производства хромистых ферросплавов, изготовляемых известным способом [Патент РФ №2000345, МКИ С22В 1/243. 29.06.1992 г. Опубликован 07.09.1993. Бюл. №33-36].

Другим известным техническим решением является брикет для выплавки ферросплавов, изготовляемый на валковых прессах из шихты, включающей природные и техногенные металлосодержащие дисперсные материалы, углеродсодержащие материалы и связующее в виде водного раствора лигносульфаната и жидкого стекла [Патент РФ №2201976, МКИ С22В 1/242, 17.04.2001. Опубликован 10.04.2003].

Недостатком данного известного брикета для выплавки ферросплавов является применение связующего, содержащего нежелательные элементы (щелочи и серу) и, не обеспечивающего горячую прочность брикетов.

Известен патент РФ БРИКЕТ ЭКСТРУЗИОННЫЙ (БРЭКС) МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ №2012113386/02 по кл. C22B 1/243, заявл. 09.04.2012, опубл. 27.12.2013 г. В указанном патенте описан способ получения брикетов методом жёсткой экструзии. Основной недостаток, выявленный в ходе лабораторных экспериментов - это применение портландцемента в качестве связующего. Данное связующее имеет довольно высокую скорость снижения пластичности; в ходе экспериментов часть брикетируемой массы затвердевает на стенках экструдера и фильеры в процессе брикетирования, что в свою очередь усложняет процесс продавливания массы через фильеру.

Известно, что при производстве чугунных мелющих тел для получения необходимых эксплуатационных свойств вводят различные легирующие добавки, изменяющие структуру металла и, улучшающие показатели износостойкости и ударостойкости (Гиршович Н.Г. Чугунное литье. Учебное пособие. Л. - М.: Машгиз, 1949).

Введение таких добавок усложняет технологию и удорожает продукцию.

Одними из применяемых легирующих добавок является марганец и хром. Известно, что введение марганца и хрома повышает твердость и пластичность металла, что положительно сказывается на показателях износостойкости мелющих тел. Наиболее удачное легирование хромом и марганцем рассмотрено в патенте РФ. Белый чугун для мелющих тел. №4780427 по кл. С22С 37/06, заявл. 01.09.1990, опубл. 28.02.1992 г. в данном патенте рассмотрен белый чугун составом: Углерод 2,0-2,9; Кремний 0,2-0,9; Марганец 4,0-6,0; Хром 15-20; Редкоземельные элементы 0,001-0,090; Сурьма 0,001-0,060; Алюминий 0,3-1,0; Висмут 0,001-0,020; Железо остальное. Основной недостаток данного метода - это долегирование чугуна дорогостоящими компонентами, такими как марганец и хром.

Известен способ получения мелющих тел, в котором используют чугун, содержащий 13-19% Cr, 0,3-0,5 Ni и др. При этом полученные изделия обрабатывают по определенному режиму (Патент СРР N 89094, кл. С 22 В 35/00, 1986).

Известен метод получения мелющих тел, в котором применяют для их отливки чугун, в котором присадка хрома достигает 12,5%, а никеля 3-5% ("Slevarenster", 1981, N 5, с.186-190).

Для получения мелющих тел также применяют хромистый чугун (10-15% хрома), содержащий молибден до 3% (Нестеров Д.К., Клименко А.Н. и др.). Производство литых мелющих тел за рубежом, "Черная металлургия", 1986, N 10, с. 22-24).

Введение в чугун большого количества хрома и молибдена является технологически трудоемкой операцией, требующей существенного перегрева расплава чугуна и, значительно удорожающей производство изделий.

Наиболее близким по технической сущности к заявленным средствам является патент РФ Способ получения чугунных мелющих тел №2634535 по кл. C21С 1/08, заявл. 23.08.2016, опубл. 31.10.2017 г. в данном патенте рассмотрен способ получения чугунных мелющих шаров из шлаков медеплавильного производства. Сущность данного метода подготовка шихты, содержащей в своем составе отходы медеплавильного производства, ее плавление с получением чугуна, разливку его в формы и извлечение из них чугунных отливок в виде мелющих тел. В качестве исходных материалов шихты используют смесь из шлака от медеплавильного производства, содержащую медь и углеродистый восстановитель; из полученной массы изготавливают окатыши, которые высушивают и обжигают в восстановительной среде до получения металлизированных окатышей, которые загружают в дуговую печь и плавят с получением чугуна. Основные недостатки данного метода; повышенное содержание серы приводит к образованию газовых раковин внутри отливки, низкий выход металла в результате разделительной плавки.

Технической задачей и результатом изобретения является утилизация отходов металлургического производства и обеспечение высокой износостойкости получаемых из чугуна мелющих шаров за счет использования шихты, состоящей из пыли ЭДП.

Техническая задача достигается за счет того, что способ получения чугунных мелющих тел, включающий подготовку шихты, содержащей в своем составе отходы производства, плавление шихты с получением чугуна, разливку его в формы и извлечение из них чугунных отливок в виде мелющих тел, согласно изобретения, в качестве исходных материалов шихты используют отходы электродуговых печей в виде пыли, содержащей от 20 до 50 мас.% железа и от 12 до 30мас.% цинка, причем пыль смешивают с углеродистым восстановителем и связующем, осуществляют брикетирование указанной смеси методом жесткой вакуумной экструзии, полученные брикеты жёсткой экструзии высушивают и помещают во вращающуюся печь с восстановительной атмосферой для извлечения цинка и металлизации железа, металлизованные брикеты загружают в дуговую печь и плавят с получением чугуна.

Предлагаемый способ получения чугунных мелющих тел заключается в следующем.

Способ включает подготовку шихты в виде брэксов, содержащих в своем составе пыль ЭДП, их восстановление и плавление с получением чугуна, разливку его в формы и извлечение из них чугунных отливок в виде мелющих тел. В качестве исходных материалов шихты используют смесь из пыли ЭДП, углеродистого восстановителя и связующего.

Отличие предлагаемого способа от прототипа это использование иных шихтовых материалов, способ окускования и более высокий выход годного по металлу. Состав шихты в виде брикета варьируется в пределах: восстановитель от 0 до 19 мас. %, связующее от 2 до 8%, пыль электродуговых печей остальное. Исходная пыль ЭДП в основном состоит из следующий элементов: Fe от 20 до 50мас.%; Zn от 12 до 30мас.%; Ca от 1 до 8мас.%; Cl от 4 до 12мас.%; Pb от 1 до 3мас.%. В качестве углеродистого восстановителя выбран антрацит фракцией от 0,2 мм до 0,16 мм, количество восстановителя варьируется от 0 до 19мас. % от массы навески. В качестве связующего используется бентонит или портландцемент в пределе от 2мас.% до 8мас.% от массы навески. Для выбора связующего проводились лабораторные испытания; прочностные характеристики брикета остаются одинаковы при применении как первого, так и второго связующего. Однако, при использовании портландцемента происходит налипание и застывание брикетируемой массы в процессе экструзии; при применении бентонита улучшается способность брикетирования данного материала. Из полученной массы изготавливают брикеты жесткой экструзии (БРЭКСы), которые высушивают на воздухе или в сушильных печах. В известном методе окускование шихты проводят окатыванием, из литературных данных и практических исследований можно сделать вывод, что брикетирование методом жесткой экструзии является наиболее предпочтительным способом окускования для вращающихся печей. У брикетов, полученных по данной технологий более прочная структура без дополнительно обжига, что в свою очередь увеличивает сопротивление истиранию и прочность при сбрасываниях. Далее брикеты помещаются во вращающуюся печь с восстановительной атмосферой для извлечения цинка и металлизации железа; металлизованные брикеты загружают в дуговую печь и плавят с получением чугуна.

В заявляемом методе переработка шихты ведётся пирометаллургическим процессом, что существенно удешевляет технологию получения цинка, использование дешевого каменного угля при работе во вращающейся печи. В результате гидрометаллургической и комбинированной переработки пыли ЭДП известными методами теряется железосодержащий клинкер. Мы предлагаем: при вельцевании получать клинкер в виде металлизованных БРЭКсов. Для этого необходимо окусковывать исходную пыль по технологии жесткой экструзии, восстанавливать БРЭКсы во время возгонки цинка в вельц-печах с последующим переплавом металлизованных БРЭКсов и разливкой чугуна в кокиль с получением чугунных мелющих тел, что решает проблему переработки клинкера и позволяет получать готовые изделия из побочного продукта производства. Изобретение позволяет перерабатывать пыль ЭДП или металлизованный клинкер после вельцевания и получить прочные износостойкие мелющие тела.

Пример. Исходный материал: пыль ЭДП Первоуральского новотрубного завода высушивалась до постоянного веса в сушильном шкафу при температуре 110°С. Уголь измельчался в дисковой мельнице до фракции 0,2 мм до 0,16 мм, после чего пыль, уголь и связующее смешивались. Количество восстановителя в смеси составляло 18,5%. К полученной смеси добавлялось сухое связующее (бентонит) в количестве 5%. Из полученной массы на лабораторном экструдере изготавливались брикеты (диаметром 10 мм и длиной от 40 мм до 50 мм) с добавлением 18% воды.

Брикеты высушивались на воздухе первые 72 часа затем в сушильной печи при температуре 110°С.

Высушенные брикеты помещались в трубчатую печь, так же в печь был помещен восстановитель для создания восстановительной атмосферы внутри трубы печи. Скорость вращения трубы была выбрана минимальная для более эффективной возгонки цинка и металлизации железа, скорость вращения варьируется в пределах от 0,1 до 0,15 рад/сек (1,0 – 1,15 об/мин). Температура внутри трубы печи достигает 1100^оС. Экспериментально установлено, что при данной температуре достигается наиболее полная металлизация железа и возгонка цинка.

Плавка металлизованых брикетов осуществляется в индукционной печи в графитовом тигле при температуре 1650°С. Расплав разливали в графитовую изложницу для разделения на металл и шлак. После первой разделительной плавки выход годного металла составил 50%.

Таблица 1 – Хим. состав металла после разделительной плавки.

Fe Si Mn Cr Mo V Ti Cu Al W 93.5 0.2 3.5 1.2 0.17 0.032 0.020 0.5 0.035 0.17

Вторая плавка металла также проводилась в индукционной печи при температуре 1680°С. Во время плавки вводился ферросилиций для улучшения параметра жидкотекучасти чугуна. Разливка осуществлялась в разборный кокиль; диаметр шара составляет 60мм. Проба заливалась отдельно. Условия охлаждения шаров и пробы были одинаковыми. После охлаждения пробу шлифовали и исследовали на оптическом микроскопе. Согласно данным оптического микроскопа весь углерод равномерно распределился в металле и находился в виде глобулей, что свидетельствует о получении высокопрочного чугуна

Таблица 2 – Хим. состав чугунных мелющих шаров

Fe Si Mn Cr Mo V Ti Cu Al W 93.9 0.9 3.5 1.1 0.15 0.032 0.020 0.5 0.035 0.17

Прочность шаров составила 55 HRC, что классифицирует их как «сверхпрочные шары». Проведение испытаний на прочность. Испытания на прочность осуществлялись сбрасыванием чугунных мелющих шаров с высоты 4 метра на металлическую плиту. В ходе испытаний визуальных повреждений шаров не было выявлено, сохранилась прочная структура без сколов. Что может свидетельствовать о достаточной прочности шаров.

Таким образом, достигнут технический результат, а именно получены «сверхпрочные» чугунные мелющие шары из отходов производства (пыли ЭДП) без введения дополнительных легирующих примесей, что, в свою очередь, снижает стоимость производства данных шаров.

Изобретение относится к производству чугунных изделий, в частности к получению чугунных мелющих тел. Осуществляют подготовку шихты, содержащей в своем составе отходы металлургического производства, плавление шихты с получением чугуна, разливку его в формы и извлечение из них чугунных отливок в виде мелющих тел. В качестве исходных материалов шихты используют отходы электродуговых печей в виде пыли, содержащей от 20 до 50 мас.% железа и от 12 до 30 мас.% цинка. Пыль смешивают с углеродистым восстановителем и связующим, осуществляют брикетирование указанной смеси методом жесткой вакуумной экструзии. Полученные брикеты жёсткой экструзии высушивают и помещают во вращающуюся печь с восстановительной атмосферой для извлечения цинка и металлизации железа, металлизованные брикеты загружают в дуговую печь и плавят с получением чугуна. Обеспечивается утилизация пыли электродугового переплава и высокая износостойкость получаемых из чугуна мелющих шаров. 2 табл., 1 пр.

Способ получения чугунных мелющих тел, включающий подготовку шихты, содержащей в своем составе отходы металлургического производства, плавление шихты с получением чугуна, разливку его в формы и извлечение из них чугунных отливок в виде мелющих тел, отличающийся тем, что в качестве исходных материалов шихты используют отходы электродуговых печей в виде пыли, содержащей от 20 до 50 мас.% железа и от 12 до 30 мас.% цинка, причем пыль смешивают с углеродистым восстановителем и связующим, осуществляют брикетирование указанной смеси методом жесткой вакуумной экструзии, полученные брикеты жёсткой экструзии высушивают и помещают во вращающуюся печь с восстановительной атмосферой для извлечения цинка и металлизации железа, металлизованные брикеты загружают в дуговую печь и плавят с получением чугуна.