Экзотермический брикет для легирования и раскисления чугуна Советский патент 1985 года по МПК C22C35/00 

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при производстве чугунных отливок, особенно при плавке его в вагранках. Цель изобретения - повышение извлечения марганца и кремния, стабильности чугуна по содержанию этих элементов и понижение темпера туры плавления первичных шлаков. Скорость и полнота взаимодействия оксидов марганца по реакциям МпОг + 4/ЗА1 Мп + 2/3AljO, (1) MnOj + Si Mn + SiOj (2 наряду с теснотой смешения составляющих, определяется скоростью и полнотой разделения продуктов взаи модействия. При любой тесноте смеш ния исходных вещес: реакции (1) и (2) протекают до конца лишь в том случае, когда образующийся 1Епак быстро отделяется от металла и твер дого концентрата. Оксиды, образуюпщеся по реакциям (1) и (2), тугоплавки. Их быстрое отделение от металла и от; исходного концентрата возможно лишь в том случае, когда они ошлаковываются, например, известью, с той же скоростью, с како протекают реакции (1) и (2). В это случае процесс может быть описан с следующими реакциями: MnOj+ 4/ЗЛ1 + 2/ЗСаО Мп,, + + 2/3 СаА1,0(,,., (3 Мп02+ Si + СаО ) CaSiOj -C Это возможно только при весьма тесном смешении флюсов с марганцевым концентратом. Кристаллический известняк трудн дробится. Поэтому при любых мерах дроблению его и по смешению с концентратом и с восстановителем известняк в брикетах сохраняет фазовые границы. Замена кристаллического известняка на амфотерный мел дает значительные преимущества. Мел значительно легче и тоньше размалывается. При смешении мела с составляющими брикета он размазывается на поверхности более твердых частичек марганцевого концентрата и восстановителя. В результате замена известняка на мел позволяет добиться более тонкого смешения флюса .с составляющими брикета и при введении брикетов в чугун повысить скорость ошлакования продуктов реакций (1) и (2). В результате этого содержание МпО в шпаке снижается до 3,5-7,5% против 12-15% МпО при использовании известняка, а извлечение марганца из руды повьш1ается до 88-93,4%, Оптимальный расход мела составляет 5-10,5%. Введение оснований разжижает кислые шлаки и способствует более полному протеканию процессов восстановления. При меньшем, чем 5,0% расходе мела, шпаки становятся неустойчивыми, малоподвижными. При большем, чем 10,5% расходе мела, в процессе легирования чугуна брикетами происходит излишне бурное выделение углекислоты, тогда как вязкость и температура плавления шлаков практически не изменяется. В качестве окислителя в брикете используется предварительно прокаленный марганцевый концентрат, получаемый преимущественно флотацией. Подобные концентраты не |Требуют специального дробления. Эти концентраты при современном способе подготовки руд к плавке находят ограниченное применение из-за их тонины. Концентрат, перед введением в брикет прокаливается примерно в течение 1 ч в окислительной атмосфере при 350-450 0. В результате этого из концентрата удаляется п-здратная влага, что очень важно для качества чугунных отливок. Также, за счет перевода оксидов в перекись, повьш1ается термичность брикетов, что облегчает их 1спользование для легирования чугунов с температурой на вьшуске 1350-1400 С. При прокаливании концентрата при температуре более низкой, чем 350 С, не всегда удаляется гидратная влага. Прокаливание же при более высоких, чем 450 температурах может привести к понижению термичности брикетов за счет разложения МпОд. Для изготовления брикетов могут использоваться марганцевые концентраты I и II сорта с содержанием после прокалки 48-53% Мп, 40-70% MnOg, 6-20% SiO и 2-5% СаО. Дпя изготовления брикетов, предназначенный для легирования обычного (невысокопрочного) чугуна. 3 могут использоваться концентраты с высоким содержанием фосфора (до 2-3%), которые в настоящее время вообще для плавки ферросплавов не могут использоваться. Для легирования высокопрочного чугуна можно использовать концентраты как с обычным (0,18-0,20%), так и с повьпиенным (,5%) содержанием фос фора. Последнее связано с тем, что брикетами вносится в чугун фосфора примерно в 2 раза меньше, чем ферросплавами, выплавляемыми из обычных руд. / Оптимальный расход прокаленного марганцевого концентрата составляет 20-31%. При меньшем, чем 20% расходе концентрата снижается термичность брикетов, растут потери марганца, а также снижается жид коподвижность шпака. Это не позволяет использовать такие брикеты для легирования чугуна при выпуске его в ковш. Особенно большие трудности возникают при использовании таких брикетов для легирования чугуна в ковшах небольшой емкости для мелких отливок. При большем, чем 31% расходе прокаленного марга цевого концентрата повьпиается крат ность шлака. Также возрастают поте ри марганца и кремния. В качестве восстановителя в брикетах используется комплексный сплав алюминия, кремния и железа с содержанием 45-65% Si, 3-5% А1 и 28-50% Fe. Применение подобного комплексного сплава вместо смеси порошка алюминия и порошка ферросилиция позволяет ликвидировать местные пе регревы, обычно наблюдающиеся при взаимодействии кремния и особенно алюминия по реакциям (1) и (2) и дымовые и пьшевые выбросы в атмосферу цеха, С другой стороны, подобньм комплексный сплав при его разливке в толстые слитки самопроизвольно рассыпается в тонкий порошок. Это позволяет избежать затрат на приготовление металлических порошков. Кроме того, при рассыпании сплавы кремния образуют поро ки сравнительно равномерной крупности (в основном 0,5-1,0 мм). При дроблении ферросилиция, используе мого для раскисления и легирования до крупности 1,0 мм сплав сильно 82 переизмельчается, В нем наряду с зернами оптимального размера появля- ется более 30% фракции О,1 мм. Этот порошок сильно окисляется при прокаливании брикетов и при введении их в ковш. В результате этого полезное использование кремния ферросилиция снижается ниже 80%. Содержание кремния 45-65% в комплексном сплаве является оптимальным. При меньшем и большем содержании кремния уменьшается склонность сплава к самопроизвольному рассыпанию. Кроме этого, сплавы с меньшим, чем 45%, и большим, чем 65% Si рассыпаются неравномерно. В них наряду с мелкими кристаллами лебоита появляются крупные зерна монрсилицида (в сплгве с 45% Si) или кристаллы кремния (в сплаве с 65% Si). С дургой стороны, сплавы с меньшим содержанием кремния затрудняют применение брикетов для легирования чутунов, так как соотношение между концентрацией кремния и марганца в них снижается и становится меньшим, чем 2:1. При использовании комплексного сплава с большим, чем 65% содержанием кремния, увеличиваются его потери вследствие того, что продукты его взаимодействия имеют удельный вес меньше, чем 4,5 г/см, что затрудняет отделение их от шлака и вызывает повьш1енные потери и марган- . ца и кр емния. Наиболее хорошие показатели получаются при использований сплава с содержанием 52-58% Si. Этот сплав при кристаллизации на 100% превращается в лебоит. В нем равномерно распределяются ликваты, не образуется крупных кристаллов кремния и моносилицидов. Удельный вес металла при спекании брикетов с использованием подобного сплава составляет 5-5,5 г/см. Оптимальное содержание алюминия в комплексном сплаве составляет 3-5%. При меньшем содержании алюминия в сплаве понижается тер1чичность брикета и повьпиается температура плавления шлака. При большем, чем 5% содержании алюминия в комплексном сплаве также интенсивно повьшгается вяз кость и температура плавления шлака, В результате и при большем, чем

cMiтимальная концентрация алюминия (3-5%), и при меньшем его содержании noBbnuarotcH потери марганца и, вследствие повьшгения температуры плавления шлака, затрудняется использование брикетов для легирования чугуна в ковше. Соотношение между составляющими брикета является оптимальным./При меньшем, чем 52% расходе восстановителя (комплексного сплина) соотношение между концентрациями кремния и марганца получается столь низким, что не позволяет использовать брикеты для легирования чугунов. При большем чем 64% расходе комплексного сплава снижается термичность брикетов. С другой стороны соотношение между концентрацией кремния и марганца в продуктах спекания становится излишне высоким, что увеличивает потери металла и затрудняет легирование чугуна, так как для получения стандартного по марганцу-чугуна потребуется дополнительно легировать его ферромарганцем.

Введение в брикет плавикового шпата в количестве 4-6% понижает температуру начала окисления алюминия и температуру плавления шлаков, особенно первичных, насьш енкык глиноземом. При меньшем, чем 4,0% расходе шпата повьш1ается температура плавления первичных шлаков, что ухудшает и извлечение марганца и использование кремния. При большем, чем 6,0% расходе плавикового шпата показатели использования марганца и кремния из брикетов практически не изменяются, тогд как расходы на изготовление брикетов сильно растут. С другой стороны, повышенный расход плавикового шпата увеличивает выбросы фтористых соединений в атмосферу цеха образующихся по реакции

ZCaFj + Si02 2СаО + .., (3)

Количество связующего в брикетах составляет 2-6%. В качестве связующего для изготовления брикетов используется борный ангидрид или жидкое стекло. При использовании борного ангидрида оптимальное количество связующего составляет . Оптимальный расход жидкого стекла составляет 4-6%..Характер

связующего определяется условиями и длительностью хранения брикетов перед введением их в ковш для легирования чугуна. Так, если брикеты будут использоваться сразу после их изготовления, в качестве связующего можно использовать дешевое жидкое стекло. Если брикеты не могут использоваться сразу после их изготовления, то в качестве связующего лучше использовать . Подобные брикеты, например, можно хранить без насьш ения их влагой

5 в течение 3-4 недель.

Экзотермические брикеты для легирования и раскисления чугуна готовятся следующим образом.

В руднотермической электропечи

0 выплавляют сплав Fe-Si с содержанием 45-65% Si. Повьшенное содержание алюминия достигается либо за счет введения в шихту высокоглиноземистых материалов (высокозольный

5 полукокс, кварцит с содержанием 3-4% AljOg и т.п.), или путем легирования металла при выпуске в ковш, например отходами силумина. Металл разливают в слитки толщиной

0 до 200 мм и охлаждают в остьшочном отделении до полного рассыпания Для этого требуется выдержка сплава 1-7 сут. Марганцевый концентрат прокаливают при 350-450 С в печи КС

5 и размалывают в порошок крупностью 1,0 мм. На отдельных бегунах до той же крупности размальшают мел и плавиковый шпат.

Затем комплексный сплав алюминия, кремния и железа, прокаленный марганцевый концентрат, мел, плавиковый шпат и связующее загружают в емкость для тщательного перемешивания .Перемешивание завершается на бегунах. Приготовленную массу брикетируют с использованием вальцевого преса. После сушки и минерализации . на воздухе брикеты прокаливают при 150-300С. При этом брикеты с жид0 КИМ стеклом прокаливают при 150180 С, а брикеты с борной кислотой при 250-ЗОО С,

Пример. Приготавливают три серии брикетов оптимального состава и две серии с избытком и недостатком прокаленного марганцевого концентрата. Для изготовления их ffcпользуюу комплексный сплав алюминия, кремния и железа с содержание 45 и 65% кремния н 3-5% алюминия, плавиковый шпат, мел (СаСО 90-97% Si02+ влага 2% в качестве связующего - борньй ангидрид (серии I, II и III), жидкое стекло (серия IV и V). В качес ве окислителя используют прокаленный при 400°С марганцевый концентрат следующего состава, %: Мп 52,3 МпОз 44,3; ЗЮз .16,0; СаО 4,48. Составляющие брикета дробят до крупности 1,0 мм и тщательно перемешивают. Брикеты прессуют в виде таблеток диаметром см и толщиной 2-3 см на лабораторном прессе с усилием . Брикеты испытывают: путем присадки отдельных брикетов на зеркало чугуна; путем нагрева брикетов до 1500-1550 С в печи Таммана и выдержки их при указанной температуре в течение 5 мин; путем введения брикетов на зеркало чугуна в печи Таммана; путем введения брикетов в ковш при выпуске чугуна из 60 кг индукционной печи. В результате опытов устанавливают что экзотермические реакции в брикете начинаются немедленно после подачи брикета на зеркало чугуна и продолжаются 25-30 с; в чугун из брикетов оптимального состава извлекается ,1-93,4% марганца и 77-83,6% кремния; темТаблица 1 псратура чугуна н ковше при введении брикетов по сравнению с чугуном, легированным в печи, не понижается; при использовании брикетов оптимального состава кратность шлака 0,35-0,45 кг/кг, шпаки легкоплавкие. Содержание закиси марганца составляет 3,5-7,5% . при содержании SiO 43%. Состав брикетов и результаты испытания брикетов оптимального состава (серии II-IV) в сравнении с брикетами, состав которых выходит за пределы оптимального и известными брикетами для легирования и раскисления чугуна, приведены в табл. 1 и 2, По сравнению с известными брикетами использование брикетов предлагаемого состава обеспечивает повьш1ение извлечения как марганца (88,,4%), так и кремния (77,3-83,6%), тогда как при применении известных брикетов извлечение кремния составляет v 70%, в результате чего Si необходимо вводить ферросилицием. Кроме того, растет стабильность сплава по кремнию (to,04% Si от среднего его содержания) и по марганцу (iO,015% Мп от среднего его содержания), тогда как при использовании известных брикетов концентрация кремния колеблется в пределах ±0,2% от его среднего содержания.

1. ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИЙ БРИКЕТ ДЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ И РАСКИСЛЕНИЯ ЧУГУНА, включающий комплексный сплав алюминия, кремния и железа, окислитель, основной флюс, плавиковый шпат и связующее, отличающийся тем, что, с целью повышения извлечения марганца и кремния, стабильности чугуна по содержанию этих компонентов и понижения температуры плавления первичных- Шлаков, в качес1ве окислителя он содержит прокаленный марганцевый концентрат, а в качестве основного флюса - мел, при следующем соотношении компонентов, нас. %: Комплексный сплав алюминия, кремния и железа 52,0-64,0 Прокаленный марганцевый концентрат 20,0-31,0 Мел5,0-10,5 Плавиковый . шпат4,0-6,0 Связующее 2,0-6,0 2. Брикет по п. 1, отличающийся тем, что в качестве компексного сплава алюминия, кремния ч железа он содержит саморассыпающийся комплекс1{ый сплав следующего состава, мае. %: 45-65 Кремний х Алюминий 3-5 Э) 9) X) Остальное Железо О

50,0 52,0

33,0 31,0 т

12,0 10,5

46

58,0 64,0 67,0

20,0 18,0

26

34

8,0 5,0 4,0

3,0 4,0

2,0 2,5 Извлечение кремния в чугун, % 77,0 77,3 Извлечение марганца 82,5 88,1 из окислителя, % Содержание МпО в 9,5 7,4 шпаке, % Температура плавления шлака,.с 1350 1280

9,0 6,0 5,0 5,0 4,0

2,0

6,0 6,0 7,0 83,6 82,8 78,5 70,0 93,4 92,08 86,5 78,8 3,6 7,8 плохо 12,0 отделяется1250 1280 1450 1500