Патент на изобретение №2388831

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ САЖИСТОГО ЖЕЛЕЗА

(57) Реферат:

Изобретение относится к металлургии железа. Железосодержащие отходы в виде чугунной стружки, полученные при механической обработке отливок из серого чугуна, смешивают с техническим углеродом. При нагреве и выдержке смеси в печи с защитной атмосферой чугунная стружка реагирует с техническим углеродом с отложением тонкодисперсного углерода на поверхности, а также в макро- и микропорах в объеме железосодержащих отходов. При этом защитную атмосферу создают за счет подачи в печь азота. Полученное сажистое железо охлаждают в печи. Изобретение позволяет использовать чугунную стружку в качестве ранее не применявшегося исходного материала для получения сажистого железа, эффективно ее утилизировать, сократив затраты на подготовку исходных материалов для получения сажистого железа, и при этом повысить в сажистом железе содержание углерода на 31,0% и снизить содержание кислорода на 57,1%. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии железа, в частности к получению сажистого железа.

Известны способы получения сажистого железа путем термокаталического разложения углеводородов на железной губке или в процессе их взаимодействия с железорудными материалами с отложением тонкодисперсного углерода не только на поверхности, но также в макро- и микропорах в объеме куска.

Наиболее близким является способ получения сажистого железа, в котором для получения сажистого железа в качестве исходного сырья используются следующие виды железосодержащего сырья: восстановленный железный порошок и воздухораспыленный порошок-сырец, а также железосодержащие отходы в виде прокатной окалины. Железосодержащее сырье смешивают с углесодержащим реагентом, в качестве которого используют технический углерод. При нагреве и выдержке смеси в печи, железосодержащие материалы, в том числе прокатная окалина, реагируют с техническим углеродом с отложением высокодисперсного углерода на поверхности, а также в микро- и макропорах в объеме частиц, причем в печи создают защитную атмосферу за счет подачи в печь азота [1].

К числу недостатков использования указанных исходных материалов можно отнести необходимость их предварительной достаточной затратной подготовки, кроме того, железосодержащие отходы в виде прокатной окалины требуют восстановления окислов железа прокатной окалины в процессе получения сажистого железа. В прокатной окалине железо присутствует в окисленнной форме в виде оксидов железа: FeO и Fе₂О₃. Содержание оксидов железа в окалине, по данным (2), составляет: 28, 9-64,2% FeO; 19,4-59,0% Fе₂О₃, 60,4-74,7% Fe_общ. Среднее содержание кислорода в окислах железа прокатной окалины, определенное расчетами по этим данным, составит: О_(FeO) – 10,23%, O(Fe₂O₃) – 11,76%, а общее содержание связанного кислорода: O_связ.=O_(FeO)+O(Fе₂O₃)=22%.

На восстановление закиси железа прокатной окалины по реакции FeO+CO=Fe+CO₂ нужно расходовать окись углерода, которая образуется при протекании реакции газификации технического углерода: С+СO₂=2СО. Газификация производится двуокисью углерода, образующейся при восстановлении закиси железа. Газификация технического углерода уменьшает содержание углерода в сажистом железе. Для обеспечения получения заданного содержания углерода необходимо снижать содержание кислорода в железосодержащих отходах, с тем чтобы реакция газификации технического углерода не получила достаточного развития.

Как показали результаты исследований, содержание кислорода в железосодержащих отходах менее 2,0% не оказывает существенного влияния на величину содержания углерода в сажистом железе.

Задача изобретения состоит в снижении содержания связанного кислорода в железосодержащих отходах, применяемых для производства сажистого железа, с тем, чтобы количество кислорода в них не превышало 2,0%, сокращении затрат на подготовку используемых для получения сажистого железа материалов, а также расширении арсенала средств, применяемых для получения сажистого железа, и при этом эффективной утилизации отходов.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения сажистого железа, включающем смешивание железосодержащих отходов с техническим углеродом с отложением тонкодисперсного углерода на поверхности, а также в макро- и микропорах в объеме железосодержащих отходов при их реагировании с техническим углеродом в процессе нагрева и выдержки смеси в печи с защитной атмосферой, которую создают за счет подачи в печь азота, с охлаждением в печи полученного сажистого железа, в качестве исходного железосодержащего сырья для получения сажистого железа применяют чугунную стружку серого чугуна, которая представляет собой металлосодержащие отходы, образующиеся при механической обработке чугунных отливок.

Источником кислорода в чугунной стружке являются пленки ржавчины, образующиеся за счет протекания процесса атмосферной коррозии при хранении стружки на открытом воздухе или на складах в атмосферных условиях. Пленки ржавчины на железе обычно состоят из трех слоев гидратированных оксидов в виде: FеО×nН₂О; Fе₂O₃×Н₂О; Fe₃O₄×nH₂O разной степени окисления (3). Коррозия железа является достаточно медленно протекающим процессом. Коррозионная стойкость серого чугуна в городской промышленной сфере составляет 0,125 мм в год (4). Такая незначительная глубина проникновения коррозии вглубь изделия определяет и невысокое содержание кислорода в чугунной стружке. Как показали результаты исследований, содержание кислорода в чугунной стружке при ее хранении в течение 15 суток на открытом воздухе в промышленной городской атмосфере составило 0,9-1,1%.

Изобретение поясняется следующим. Проведено опробование получения сажитого железа по предлагаемому способу.

В качестве железосодержащего сырья применялась прокатная окалина, содержащая (%): 72,20 Fe_общ.; 68,5 FeO; 27,03 Fе₂O₃; 0,12 SiO₂; 0,37 С; 0,38 MgO; 0,016 S и 0,018 Р.

Металлосодержащим сырьем служила чугунная стружка, полученная при механической обработке отливок из серого чугуна следующего химического состава(%): 3,16 С; 2,45 Si; 0,45 Mn; 0,07 S; 0,012 P и 0,64 O₂.

Углеродсодержащим реагентом является технический углерод марки П804 (ГОСТ 7885-86) с содержанием в нем 0,04% золы и 0,20% S. Удельная поверхность технического углерода составила 18 м²/г.

Чугунная стружка, перед ее использованием в процессе получения сажистого железа была подвергнута измельчению в конусной инерционной дробилке КИД-300, работающей в замкнутом режиме совместно с грохотом.

При каждом проходе стружки через дробилку из нее отсевалась фр. – 0,2 мм, фр. + 0,2 мм вновь направлялась на измельчение. Полученная таким образом чугунная стружка фр. – 0,2 мм смешивалась с техническим углеродом в течение 45 минут, в двухконусном смесителе с получением трех смесей, содержащих 20, 25 и 30% технического углерода в своем составе. Для сравнения была изготовлена смесь из прокатной окалины, содержащая 25% технического углерода. В табл.1 приведены составы смесей, а также содержание кислорода в исходном сырье, которое было использовано для получения сажистого железа.

Таблица 1
Исходное железосодержащее сырье для получения сажитого железа	Содержание кислорода в исходном железосодержащем сырье, %	Состав смесей
Исходное железосодержащее сырье, %	Технический углерод, %
Чугунная стружка	0,64	80	20
(предлагаемый способ)		75	25
		70	30
Прокатная окалина (прототип)	23,3	75	25

Полученные смеси загружались в кварцевые лодочки, вместимостью 250 г смеси и помещались в лабораторную трубчатую электропечь СУОЛ-0,4.4/12 – МГ наружным диаметром 40 мм, после чего включался нагрев печи (скорость нагрева 11,7%/мин) с одновременной подачей в печь технического азота марки 1-й сорт (ГОСТ 9293-74), в котором содержание N2 составляло 99,6%. Объемная доля примесей в азоте – кислорода и водяных паров составило не более 0,4% и 0,009% соответственно. По достижению температуры в печи 1050°С делалась выдержка в течение 90 минут, затем нагрев печи отключался и проводилось охлаждение полученного сажистого железа в токе азота до комнатной температуры. Далее сажистое железо подвергалось дроблению, измельчению и рассеву на фракции.

Дробление спека сажистого железа осуществляли на щековой дробилке, а измельчение проводилось на стержневой мельнице в течение 45 минут при соотношении веса загружаемого материала к весу стержней 1:10.

Фракцию -0,2 мм, полученную после дробления на щековой дробилке и измельчения в стержневой мельнице, объединяли, усредняли и считали готовым продуктом. На усредненной пробе был определен химический состав сажистого железа (табл.2).

Таблица 2
Железосодержащее сырье, использованное для получения сажистого железа	Количество технического углерода в исходной смеси, %	Химический состав сажистого железа, %
С	S	O2
Прокатная окалина (прототип)	25,0	19,6	0,02	0,56
Чугунная стружка	20	23,1	0,018	0,26
(предлагаемый способ)	25	28,4	0,022	0,24
	30	33,8	0,025	0,21

Как показали результаты опробования, при одинаковом содержании технического углерода в исходной смеси – 25% сажистое железо, полученное на основе использования чугунной стружки, имело повышенное содержание углерода – 28,4% и пониженное содержание кислорода – 0,24% по сравнению с сажистым железом из прокатной окалины, в котором содержание углерода и кислорода составило 19,6% и 0,56% соответственно (табл.2).

Таким образом, предлагаемый способ получения сажистого железа с использованием в качестве железосодержащих отходов чугунной стружки серого чугуна, являющейся металлосодержащим отходом механической обработки чугунных отливок, позволяет использовать стружку в качестве ранее не применявшегося исходного материала для получения сажистого железа, эффективно ее утилизировать, сократив затраты на подготовку исходных материалов для получения сажистого железа, и при этом повысить в сажистом железе содержание углерода на 31,0% и снизить содержание кислорода на 57,1% по сравнению с использованием железосодержащих отходов в виде прокатной окалины.

Источники информации

1. Патент РФ 2322511, Бюл. изобр. 11, 2008.

2. Теплофизические свойства топлив и шахтовых материалов черной металлургии. Справочник. Бабошин В.М., Кричевцов Е.А., Абалов В.М., Щелоков Я.М. М.: Металлургия, 1982 г., с.142.

3. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику: Пер. с англ. / Под ред. A.M.Сухотина. – Л.: Химия, 1989 г., с.100.

4. Справочник по чугунному литью. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1978, с.60.

Формула изобретения

Способ получения сажистого железа, включающий смешивание железосодержащих отходов с техническим углеродом с отложением тонкодисперсного углерода на поверхности, а также в макро- и микропорах в объеме железосодержащих отходов при их реагировании с техническим углеродом в процессе нагрева и выдержки смеси в печи с защитной атмосферой, которую создают за счет подачи в печь азота, с охлаждением в печи полученного сажистого железа, отличающийся тем, что в качестве металлосодержащих отходов используют чугунную стружку серого чугуна.