Способ получения сажистого железа
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% Feобщ. 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: Oсвяз.=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 Feобщ.; 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.
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.
