Влияние соотношения кислорода и углерода в шихте на содержание некоторых элементов в металлизированном вольфрамсодержащем материале
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Влияние соотношения кислорода и углерода в шихте на содержание некоторых элементов в металлизированном вольфрамсодержащем материале

Д.С. Григорьев

В настоящей работе приведены результаты исследований влияния соотношения кислорода и углерода в шихте на состав металлизованного легирующего материала на основе вольфрама. Предложен состав шихты с оптимальным соотношением кислорода и углерода, который при заданном режиме тепловой обработки, обеспечивает высокое содержание тугоплавких легирующих элементов при высокой степени восстановления и допустимом остаточном содержании углерода. Рекомендованы некоторые виды связующего для брикетирования шихты, обеспечивающие технологичность получения и требуемое качество целевого продукта.

Введение

Разработанные и внедренные технологии производства легирующих материалов на основе молибдена, вольфрама, хрома и других элементов методами порошковой металлургии и получаемые материалы для легирования сталей выгодно отличаются от технологии производства плавленых ферросплавов на основе тугоплавких и редких металлов ресурсо- и энергосбережения, гибкостью и, что наиболее важно, высокой сквозной эффективностью получения их и использования [1-6]. Целесообразность развития данного направления в металлургии редких и тугоплавких легирующих материалов подтверждается результатами последних работ [7-9].

Постановка задачи

Целью работы было повышение эффективности производства и использования тугоплавких легирующих материалов, а настоящих исследований – разработка состава шихты для восстановления смеси окалины быстрорежущей стали с добавлением шеелитового концентрата с оптимальным соотношением кислорода и углерода, выбор и обоснование связующего для компактирования исходных компонентов шихты.

Основная часть

Дальнейшее развитие исследований в экспериментальной части получило направление оптимизации состава шихты, их технологического режима восстановления смеси на основе техногенных отходов и шеелитового концентрата, кинетические кривые этой части опытов приведены на рис.1. Показано, чтобы достичь остаточного содержания углерода в металлизованном продукте (2,5…4,5)% мас. при остаточном содержании кислорода (4,2…6,2)% мас. необходимо, чтобы соотношение О/Сакт находилось в пределах 1,1…1,5. При этом, при восстановлении предложенной шихты при соответствующих технологических параметрах (рис.1) содержание вольфрама в карбидизированном продукте с сопутствующими в окалине легирующими элементами (Cr, V) будет находиться в пределах (46…47)% масс. Такой металлизованный в гетерогенной системе материал может использоваться в качестве легирующей добавки при выплавке быстрорежущей стали, о чем будет сказано ниже.

Известно, что скорость и полнота восстановления металлооксидных соединений в значительной мере зависит от совершенства контакта реа-гентов [10]. Одним из наиболее распространенных способов улучшения их контакта в порошковой металлургии является компактирование ингредиентов шихты [11]. При получении железной губки или губчатого молибдена (металлизованного молибденового концентрата – КММ) [2] одним из наиболее применяемых и распространенных способов технологических операций является брикетирование шихты. При разработке параметров брикетирования исследователями уделяется большое внимание выбору связующего, которое должно удовлетворять требованиям его технологичности и экономической целесообразности.

Из множества известных видов связующих компонентов шихты в настоящей работе исследованы пять видов связующих веществ и одно их совместное сочетание. Пресс-форма для брикетирования шихты имела ячейки, размером 60х60х80 м*10-2 яйцеобразной формы, которые применяются на бандажных прессах.

Результаты прочностных характеристик приведены на рис.2, из которого видно, что наивысшая прочность сырых и металлизованных брикетов достигнута при использовании фенол-формальдегидной смолы (кривые 2, 2'), низшая прочность брикетов установлена при использовании сульфид-спиртовой борды (кривые 3, 3'), промежуточное значение занимают кривые 1, 1', 4, 4', 5, 5' и 6, 6', соответствующие связующим: смоле СПП, каменноугольному пеку и смеси смолы СПП и фенол-формальдегидной смолы.

Зависимость остаточных углерода, кислорода и содержания легирующих элементов от соотношения кислорода и углерода в шихте при восстановлении брикетированной смеси окалины стали Р18 (Р18Ф2) и шеелитового концентрата (69,3 % мас.)

Рисунок 1 - Зависимость остаточных углерода, кислорода и содержания легирующих элементов от соотношения кислорода и углерода в шихте при восстановлении брикетированной смеси окалины стали Р18 (Р18Ф2) и шеелитового концентрата (69,3 % мас.)

Зависимость прочностей сырых и металлизованных брикетов смеси окалины быстрорежущей стали и шеелитового концентрата от вида и сдержания связующего в шихте (сплошные линии – сырые брикеты (исходная шихта); пунктирные линии – металлизованные брикеты)

Рисунок 2 - Зависимость прочностей сырых и металлизованных брикетов смеси окалины быстрорежущей стали и шеелитового концентрата от вида и сдержания связующего в шихте (сплошные линии – сырые брикеты (исходная шихта); пунктирные линии – металлизованные брикеты).

Удовлетворительные результаты прочности брикетов достигнуты в случае применения сульфид-спиртовой борды, каменноугольного пека петролатума, однако повышенное содержание серы в них (от 0,5 до 4,5% мас.) ограничивает их использование в качестве связующего, так как при металлизации шихты полностью она переходит в легирующий вольфрамсодержащий материал, который имеет жесткие ограничения по этому виду примеси. Наиболее предпочтительные результаты прочности брикетов, технологичности их изготовления на смесильно-прессовом промышленном оборудовании с паровым обогревом смесителя и бандажным прессом типа СМБ-2000, которые обладают высокой производительностью, получены при использовании в качестве связующего смеси смолы СПП и фенол-формальдегидной смолы (кривая 6). Прочность сырых брикетов колеблется в пределах 150…540, а металлизованных от 320 до 370 кг/брикет. Примеси серы в этих ингредиентах не превышают тысячных долей процента. Промышленные испытания, расчеты и анализ полученных результатов подтвердили экономическую целесообразность использования в качестве связующего смеси смолы СПП и фенол-формальдегидной смолы в составе шихты для получения металлизованного легирующего вольфрамсодержащего материала.

С целью защиты продукта металлизации от влияния печной атмосферы при попадании кислорода воздуха разработан способ герметизации капсулы с использованием теплоизоляционной массы ТП4801-02-86 [12], которая применяется при графитизации обожженных заготовок в качестве углеродистой засыпки [10]. При восстановлении шихты в капсулах в двухкамерной нагревательной печи с последующим охлаждением капсулы на открытом воздухе подтвердили целесообразность предложенного способа герметизации – достигнутая степень восстановления окалины с добавками шеелитового концентрата не ниже 90% , максимальное содержание кислорода в приосевой части капсулы не превысило 5% мас. [6].

При выплавке быстрорежущих сталей в порошковом производстве в индукционной печи емкостью тигля 4000 кг согласно действующей технологической инструкции «ТИ ЦПМ – 1 – 87» предусмотрено введение в качестве добавок в шихту отходов собственного производства до 100 кг/т стали. С целью снижения угара тугоплавких легирующих элементов таких как молибден, вольфрам, ванадий, хром в расплав стали дополнительно вводили предварительно металлизованную окалину в капсулах.

После проплавления завалки шихты для заполнения объема тигля даются две подвалки металлизованной окалины, так как плотность последней в два раза ниже плавленой быстрорежущей стали (3,2 – 4,1) и (7,7 – 7,9) г/см3 соответственно. Общая длительность расплавления нового шихтового материала в индукционной печи на 20% выше чем плавленой обрези и кусковых отходов. При расходе металлизованной окалины (150-320) кг/т стали эта разница практически не сказывается на технико-экономических показателях плавки, так как лимитирующим звеном в технологическом цикле является период диспергирования расплава стали.

Степень сквозного извлечения легирующих элементов из металлизованной смеси окалины быстрорежущей стали с добавками шеелитового концентрата в порошковом производстве быстрорежущей стали составила (в среднем), % мас: вольфрама 94,1, хрома 89,7, ванадия 84,9. Наблюдалось несколько повышенное шлакообразование для переплавного способа получения порошковой быстрорежущей стали, однако, имело доспустимые нормы согласно требованию технологической инструкции.

Выводы

Для интенсификации процесса и повышения полноты восстановления смеси окалины стали Р18 и Р18Ф2 с добавками шеелитового концентрата для компактирования оптимального состава отобраны наиболее предпочтительные виды связующего. Учитывая жесткие требования к химическому составу легирующего материала по сопутствующим вредным примесям, таким как сера, предложено в качестве связующего использовать смесь смолы СПП и фенол-формальдегидной смолы (85+15% мас. соответственно), в количестве (7,0 … 13,0)% мас. шихты, которое обеспечивает усилия на раздавливание сырых брикетов в пределах 150…540, а металли-зованных от 320 до 370 кг/брикет. Эти прочностные характеристики сырых и металлизованных брикетов удовлетворяют требованиям шахтных нагревательных и индукционных печей для осуществления технологии получения губчатых легирующих материалов.

Полученные результаты использования нового легирующего материала в порошковом производстве быстрорежущих сталей, разработанного на основе металооксидных отходов, подтверждают необходимую его технологичность в сталеплавильном производстве и экономическую целесообразность.

Список литературы

  1. Острик П.Н., Гасик М.М., Пирог В.В. Металлургия губчатых и порошковых лигатур. Киев.: Техника, 1992. – 128 с.
  2. Получение металлизованного молибденового концентрата из брикетированной шихты и его использование при выплавке сталей / С.М. Григорьев, П.Н. Острик В.Б.Акименко и др.// Сталь. – 1983. - № 8. – С.71-81.
  3. Григорьев С.М., Карпунина М.С., Москаленко А.С. Разработка ресурсосберегающей технологии получения хромсодержащих брикетов для легирования стали //Сталь.- 1999. -№9.- С.32-35.
  4. Григорьев С.М., Григорьев Д.С., Карпунина М.С. Термодинамические особенности восстановления вольфрама и математическая модель в системе W-O-C применительно к технологии получения губчатого ферровольфрама //Черные металлы.- 2006. -№2.- С.49-55.
  5. Григорьев С.М. Совершенствование способов переработки и повышение степени утилизации окалины быстрорежущих сталей //Сталь.-1997.-№10.-С.75-78.
  6. Григорьев С.М., Рябенко А.Е. Карпунина М.С. Разработка технологических пара-метров получения металлизованных паспортных брикетов для выплавки легированных сталей //Черная металлургия. -1999. -№9.- С.15-18.
  7. Григорьев С.М. Технико-экономические показатели развития металлургии губчатых и порошковых лигатур на примере металлизованного молибденового концентрата. //Черные металлы.- 2005. -№3.- С.26-29.
  8. Пивень А.Н., Григорьев С.М. Эффективность ресурсосбережения при использова-нии молибденсодержащих материалов //Цветные металлы.- 1992. -№11.- С.10-12.
  9. Пивень А.Н., Григорьев С.М. Экономическая эффективность утилизации редких металлов из окалины быстрорежущих сталей //Цветные металлы.- 1993. -№3.- С.10-11.
  10. Железные порошки. Технология, состав, структура, свойства, экономика /В.Б.Акименко, В.Я.Буланов, В.В.Рукин и др.-М.:Наука.-1982.-264с.
  11. Развитие бескоксовой металлургии / Н.А.Тулин, В.С.Кудрявцев, А.С.Пчелкин и др.-М.: Металлургия, 1987.-328 с.
  12. Искусственный графит / В.С.Островский, Ю.С. Вигрильев, В.И.Костиков и др. М.: Металлургия, 1986.-272 с.

Рецензент д.т.н., проф. А.Н. Смирнов

© Д.С. Григорьев