Шихта для получения лигатуры для легирования и раскисления никель-кобальтсодержащих сплавов

 

Сущность изобретения: шихта содержит, мас.%: окалина сплава 29НК 10,0 - 55,0; пыль силовой обработки поверхности металла 29НК 7,5 - 58,0; техническая закись никеля 2,5 - 27,4; титановые отходы 0,8 - 2,6; ферромарганец 1,4 - 10,4; ферросилиций 1,2 - 12,0; алюминий 1,2 - 10,0. При использовании шихты степень утилизации легирующих элементов из отходов составляет 52 - 64%, время плавки сплава - 141 - 178 минут. 2 табл.

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано для получения материалов, необходимых для легирования и раскисления прецизионных никелькобальтсодержащих сплавов.

В условиях значительного спада металлургического производства и повышения цен на легирующие материалы и металлопродукцию резко обострилась проблема выплавки прецизионных сплавов, крайне необходимых для производства специального оборудования. Дефицит металлических легирующих материалов осложнил проблему и привел к существенному сокращению выпуска сплавов специального назначения. Наращивание ресурсно-сырьевого потенциала традиционными экстенсивными методами в настоящее время практически исчерпало свои возможности. Единственным направлением выхода из сложившегося в настоящий период положения является разработка принципиально новых технологических условий специальной электрометаллургии с максимально возможным вовлечением в производство легирующих материалов отходов и получением качественно новых лигатур, использованием их в собственном производстве. Настоящее техническое решение подтверждает целесообразность и высокую эффективность выбранного направления в наиболее сложном случае при выплавке прецизионных сплавов.

Известна шихта для выплавки бескобальтовых магнитотвердых сплавов [1] содеpжащая, мас.

железо 5 10 алюминий 10 14 медь 3 8 ферроникель 68 82 Шихта обеспечивает снижение расхода никеля при сохранении заданных магнитных свойств сплавов. К числу недостатков шихты следует отнести высокое содержание меди, которое может обеспечить только целевое использование сплавов, что ограничивает область ее применения и исключает возможность утилизации легирующих элементов из отходов; высокий расход "свежих" легирующих материалов и раскислителей, а следовательно, высокую себестоимость выплавки сплавов.

Известна шихта для выплавки магнитотвердых сплавов типа ЮНДК [2] содержащая, мас.

возврат сплава 28,89 74,79 алюминий 2,08 5,94 кобальт 5,98 17,44 никель 3,29 9,9 медь 0,62 2,44 титан 0,04 0,28
серный колчедан 0,09 0,52
кремний 0,05 0,56
железо остальное
Шихта обеспечивает максимальное магнитное произведение сплавов.

Недостатки шихты следующие: наличие высокой концентрации меди и серы резко ограничивает область использования сплава и его отходов; относительно высокая стоимость выплавки сплава. Повышенная концентрация металлического кобальта и никеля удлиняет время плавки за счет низкой скорости растворения их в расплаве сплава.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является шихта для выплавки прецизионного сплава 29НК (Н29К18) [3] которая содержит компоненты в следующем соотношении, мас.

возврат сплава 29НК не более 70
никель электролитический, не уступающий по классу марке Н-1 по ГОСТ 849-70, с содержанием свинца не более 0,0004 мас. 8,85 22,8
кобальт, по качеству не ниже марки К-1А по ГОСТ 123-78 5,10 14,4
алюминиевый порошок первичный, кусок по качеству не ниже марки А-7 по ГОСТ 11069-74 0,2 0,6
марганец металлический 0,5 0,9
титан металлический брикеты губчатого титана 0,1 0,2
ферросилиций ФС65 или ФС75 0,4 0,8
никельмагниевая лигатура с содержанием магния 10-20% 0,15 0,25
силикокальций с содеpжанием кальция не менее 25% 0,20 0,35
Мягкое железо типа "Армко" по ТУ 14-101-139-78 с содержанием углерода н. б. 0,03% молибдена н.б. 0,05% кислорода 0,03% остальное
Шихта обеспечивает получение прецизионного сплава для производства холоднокатаных лент, использование которых обеспечивает отсутствие гамма-альфа превращений при эксплуатации в режиме низких температур (до -70^oС).

Однако данная шихта для выплавки сплава имеет ряд недостатков, к числу которых относятся:
использование для выплавки значительного количества дорогостоящих металлических легирующих материалов и лигатур с РЗМ удорожает целевой продукт;
низкая степень утилизации легирующих элементов из металлических отходов исключает возможность возвращения легирующих элементов из окалины и шлифовальных пылей, стружки;
длительное время плавки;
низкая степень утилизации никеля и кобальта из оксидных и загрязненных вредными примесями мелкодисперсных металлических отходов.

Целью изобретения является повышение степени утилизации легирующих элементов из отходов, повышение содержания никеля, сокращение времени плавки и снижение себестоимости выплавки сплава.

Поставленная цель достигается тем, что шихта, включающая металлические отходы сплава 29НК, кобальт, марганец, титан, алюминий, ферросилиций, дополнительно содержит окалину сплава 29НК и техническую закись никеля, а в качестве металлических отходов сплава 29НК пыль силовой обработки поверхности металла, в качестве титана и марганца титановые отходы и ферромарганец, при следующем соотношении компонентов, мас.

окалина сплава 29НК 10 55
пыль силовой обработки поверхности металла 29НК 7,5 58
техническая закись никеля 2,5 27,4
титановые отходы 0,8 2,6
ферромарганец 1,4 10,4
ферросилиций 1,2 12,0
алюминий 1,2 10,0
Заявляемая шихта для получения лигатуры для легирования и раскисления никелькобальтсодержащих сплавов отличается от прототипа тем, что она в своем составе дополнительно содержит окалину сплава 29НК и техническую закись никеля, а в качестве металлических отходов сплава 29НК пыль силовой обработки поверхности металла, в качестве титана и марганца титановые отходы и ферромарганец. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

По отличительным признакам был проведен поиск по патентной документации по классам С21 С 5/52-5/56, C 22 B 4/06, C 22 B 7/00, C 22 B 9/00, C 22 B 23/00, C 22 C 1/00-1/04, C 22 C 3/00, C 22 C C 19/00, C 22 C 19/03, C 22 C 19/07, C 22 C 28/00, C 22 C 33/00-33/06, C 22 C 35/00, C 22 C 38/02, C 22 C 38/04, C 22 C 38/08, C 22 C 38/10, C 22 C 38/14 и научно-технической литературе. Аналогичных технических решений не выявлено.

Принципиальным отличием заявляемой шихты для получения лигатуры для легирования и раскисления никелькобальтсодержащих сплавов является наличие высокого содержания оксидных отходов и загрязненных металлических отходов (окалины и пыли силовой обработки поверхности металла), технической закиси никеля, из которых восстанавливаются легирующие элементы за счет повышенного оптимального сочетания раскислителей (марганец, алюминий, титан, кремний). Только путем получения лигатуры можно утилизировать никель и кобальт из отходов, которые в связи с высокой ответственностью сплава 29НК не могли утилизироваться при его получении. Вместо дорогостоящего электролитического никеля открываются возможности использовать никель в сплавах, к которым предъявляются высокие требования. Для получения лигатуры исключается необходимость использования дорогостоящих лигатур с РЗМ, что удешевляет процесс получения целевого продукта при тех же достигнутых показателях качества. Следовательно, заявляемое техническое решение удовлетворяет критерию "существенные отличия".

Окалина сплава 29НК, пыль силовой обработки поверхности металла 29НК и закись никеля являются поставщиками никеля и кобальта в лигатуру. Снижение содержания окалины ниже 10 мас. уменьшает концентрацию никеля и в значительной степени кобальта в лигатуре за предельно допустимые значения и приводит к необоснованному восполнению их при выплавке сплава металлическими материалами особой чистоты, что удорожает передел выплавки сплава. Ввиду низкой насыпной плотности окалины и низкой теплопроводности превышение ее содержания за 55 мас. приводит к чрезмерно интенсивному реагированию с комплексом раскислителей и может стать причиной выбросов расплава металла из плавильного агрегата.

Содержание пыли силовой обработки поверхности металла 29НК 7,5 58,0 мас. является оптимальным как с точки зрения внесения в лигатуру никеля и кобальта, так и с точки зрения степени рафинирования от вредных примесей серы и фосфора. Снижение или превышение содержания пыли силовой обработки поверхности металла за нижний и верхний граничные пределы приводит к критической массе жидкой фазы (недостаточный прогрев всего объема шихты и локальное протекание реакций восстановления металла) и к "загрязнению" лигатуры примесями серы и фосфора выше допустимых для прецизионных материалов значений.

Техническая закись никеля в составе шихты является регулятором концентрации никеля в лигатуре и является относительно легирующих материалов на основе никеля дешевым компонентом шихты. Однако превышение ее содержания за верхний граничный предел 27,4 мас. приводит к избыточному содержанию кислорода в жидкофазной системе, что является причиной избыточного шлакообразования и пироэффекта. Снижение содержания технической закиси никеля за нижний граничный предел 2,5 мас. не оказывает заметного влияния на технологические характеристики процесса выплавки лигатуры и экономическую эффективность извлечения и утилизации легирующих элементов из отходов и концентратов.

В качестве одного из элементов глубинного раскисления в состав шихты вместо титановой губки особой чистоты введены титановые отходы (стружка механической обработки титана) с некоторым избыточным содержанием относительно прототипа, что исключает необходимость использования металлического титана при выплавке прецизионного сплава и снижает его себестоимость. Содержание титановых отходов в шихте 0,8 2,6 мас. является оптимальным. Снижение или превышение его содержания за граничные пределы требует дополнительного использования металлического титана для раскисления при получении сплава с лигатурой или ограничивает разовые порции (объемы) введения лигатуры в процессе выплавки сплава соответственно.

Ферросилиций, ферромарганец и алюминий в шихте предназначены для восстановления легирующих элементов и железа из оксидной составляющей шихты. Избыточное содержание этих элементов в лигатуре позволяет раскислить сплав металла без дополнительного использования чистых раскислителей и снизить угар легирующих элементов до минимума. Превышение их содержания за верхний граничный предел приводит к превышению предельно допустимых концентраций этих элементов в сплаве (при оптимальном сочетании ведущих легирующих компонентов и расходных коэффициентов использования лигатуры).

Для достижения поставленной цели исключается использование дорогостоящих лигатур с РЗМ, при этом не снижаются технологические характеристики процесса получения лигатуры и качества целевого продукта.

Пример. Испытаны опытные партии заявляемой шихты для получения лигатуры для легирования и раскисления никелькобальтсодержащих сплавов. В качестве компонента, содержащего оксидные отходы легирующих элементов, использовали окалину прецизионного сплава 29НК. Окалина поставлялась с кузнечно-прессового оборудования производства товарных заготовок реализуемых потребителю. Металлическими отходами служила мелкофракционная пыль силовой обработки поверхности товарных заготовок прецизионного сплава 29НК. Концентрацию никеля в лигатуре регулировали в заданных пределах путем изменения содержания технической закиси никеля в составе шихты. Химический состав исходных компонентов шихты приведен в табл.1.

В качестве раскислителей в состав шихты вводили ферромарганец ФМн 05 по ГОСТ 4755-80, ферросилиций ФС65 по ГОСТ 1415-78, стружку от механической обработки заготовок титана и алюминий в чушках.

Выплавку лигатуры из заявляемой шихты проводили в индукционной печи с основной футеровкой тигля. Температура металла перед выпуском 1550 - 1570^oС.

Полученные результаты испытаний предложенной шихты приведены в табл.2.

Как видно из табл.2, предпочтительными являются показатели предложенной шихты по сравнению с известной, так как обеспечивают возможность утилизации легирующих элементов из окалины и "загрязненных" отходов пыли силовой обработки поверхности металла, повышение степени рециркуляции никеля и кобальт из оксидных и мелкодисперсных отходов, снижение себестоимости получения сплава 29НК и сокращение времени его выплавки. Наиболее оптимальными следует считать номера шихты 2-2к, которые отличаются технологичностью использования шихты, заданным химическим составом и качеством лигатуры и оптимальными показателями ее использования при выплавке сплава 29НК.

Испытания заявляемой шихты для получения лигатуры для легирования и раскисления никелькобальтсодержащих сплавов позволили выявить ряд преимуществ по сравнению с известной шихтой:
обеспечивается возможность рециркуляции никеля и кобальта из отходов при получении прецизионных сплавов ответственного назначения за счет предварительной их утилизации при выплавке лигатуры, которая используется при легировании и раскислении расплава металла;
существенно сокращается время плавки прецизионного сплава (с 190 до 141 178 мин) за счет оптимального эвтектоидного соотношения в лигатуре никеля, кобальта и комплекса раскислителей.

Испытания разработанной шихты для получения лигатуры для легирования и раскисления никельмолибденсодержащих прецизионных сплавов позволили выявить ряд преимуществ по сравнению с прототипом:
обеспечить возможность утилизации легирующих элементов из окалины и отходов абразивной зачистки сплава 79НМ за счет использования последних в качестве компонентов шихты в оптимальном сочетании их с раскислителями с последующим применением лигатуры при выплавке прецизионного сплава;
снизить угар молибдена с 8,6 до 1,6 2,1 мас. за счет снижения окислительного потенциала в результате использования металлизованного молибденового концентрата легирующего материала с качественно новыми технологическими свойствами;
сократить время полного растворения молибдена с 42 до 4 10 минут за счет введения в состав шихты легирующего материала на основе тугоплавкого молибдена, имеющего относительно низкую плотность 3,2 3,8 г/см³ (растворение молибдена на границе "шлак металл", губчатую структуру и развитую поверхность реагирования;
снизить себестоимость выплавки сплава за счет легирования и раскисления расплава металла лигатурой относительно низкой себестоимости, полученной на основе отходов различных источников образования;
снизить расход дорогостоящих металлических легирующих материалов и раскислителей и повысить степень утилизации никеля и молибдена за счет введения в состав шихты дополнительно окалины сплава 79НК, отходов абразивной зачистки сплава 79НК и циклонной пыли кремния.

Формула изобретения

Шихта для получения лигатуры для легирования и раскисления никелькобальтсодержащих сплавов, включающая металлические отходы сплава 29НК, кобальт, марганец, титан, алюминий, ферросилиций, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит окалину сплава 29НК и техническую закись никеля, а в качестве металлических отходов сплава 29НК пыль силовой обработки поверхности металла, в качестве титана титановые отходы, а марганца - ферромарганец при следующем соотношении компонентов, мас.

Окалина сплава 29НК 10,0 55,0
Пыль силовой обработки поверхности металла 29НК 7,5 58,0
Техническая закись никеля 2,5 27,4
Титановые отходы 0,8 2,6
Ферромарганец 1,4 10,4
Ферросилиций 1,2 12,0
Алюминий 1,2 10,0