Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України

РОСЛИК Ірина Геннадіївна

УДК: 621.762.

РОЗРОБКА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ

ТЕХНОЛОГІЇ Одержання ЗАЛІЗНОГО ПОРОШКУ ЗАСОБОМ КОМБІНОваного ВІДНОВЛЕННЯ ДИСПЕРСНОЇ ОКАЛИНИ З ВИКОРИСТАННЯМ СИНТЕТИЧНОГО ЧАВУНУ

Спеціальність 05.16. 06 – "Порошкова металургія та

композиційні матеріали"

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державній металургійній академії України

Міністерства освіти України та на Казенному заводі порошкової металургії (м. Бровари)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

ОСТРИК Петро Миколайович,

Державна металургійна академія України, завідувач кафедрою порошкової металургії і захисту металів.

Офіційні опоненти:

чл.-кор. НАНУ, доктор технічних наук,

професор БОНДАРЕНКО Борис Іванович, Інститут газу НАНУ, завідувач відділом газотермічних процесів в металургії;

кандидат технічних наук, доцент САНІН Анатолій Федорович, Дніпропетровський Державний університет України, завідувач лабораторією фізики і технології спікання.

Провідна установа: Національний технічний університет України “КПІ”, кафедра високотемпературних матеріалів і порошкової металургії, Міністерство освіти України, м.Київ.

Захист відбудеться “_27___” ___вересня_______1999 р. о _14 .00___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.207.03 в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича Національної академії наук України за адресою: 252142, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства Національної Академії Наук України за адресою: 252142, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

Відзив на автореферат у двох примірниках, засвідчений гербовою печаткою установи, просимо надсилати за адресою 252142, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України,

спецрада Д 26.207.03.

Автореферат розісланий “_23__” ___липня_____1999 року.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 26.207.03, д.т.н. Р.В. Мінакова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливою задачею у галузі металургії є підвищення якості порошків та порошкових матеріалів, а також зниження їхньої собівартості. Вихідні металеві порошки можуть бути одержані безпосередньо із руд, концентратів та відходів металургійного виробництва (окалини, стружки). Від методу одержання і виду вихідної сировини у чималій мірі залежать властивості порошків та область їхнього застосування. У нинішній час виробництво залізних порошків на Україні ведеться шляхом розпилення розплавів сталей водою високого тиску, здійснене на Казенному заводі порошкової металургії (КЗПМ), в минулому Броварський Державний завод порошкової металургії. Цей метод високопродуктивний, забезпечує високу відповідність хімічного складу і структуру порошків. Проте такий порошок мало придатний для одержання виробів складної форми із-за низької формівності порошку. Тому однією з основних задач одержання залізних розпилених порошків є наближення їхньої форми до дендритної при загальному поліпшенні ущільненості та формівності. Такий порошок може бути одержаний комбінованим методом відновлення оксидів заліза. У нинішній час на Україні відсутнє промислове виробництво залізного порошку даним методом. Аналіз сировинної бази України, вибір перспективних джерел сировини та опрацювання технології одержання залізного порошку методом відновлення є однією з актуальних задач порошкової металургії України, розв'язування якої дозволить задовольнити потреби країни в продукції даного виду.

Зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відповідності з наказом Міністерства освіти України №68 від 31.03. 92 р. у рамках Програми №21 Мінвузу України " Розробка нових конструкційних металевих матеріалів і технологій їх виробництва на основі енерго- та ресурсозберігаючих одностадійних процесів з використанням сировинної бази та техногенних відходів України".

Мета та задачі дослідження. Розробка наукових основ технології одержання залізних порошків методом комбінованого відновлення прокатної окалини дисперсним низькокремністим чавуном з метою одержання відновленого залізного порошку, утилізації відходів прокатного виробництва; дослідження процесів, що протікають при спільному відновленні прокатної окалини воднем та вуглецем, що вноситься дисперсним чавуном.

Наукова новизна. Вивчені кінетичні закономірності комбінованого відновлення оксидної залізорудної сировини вуглецем дисперсного низькокремністого чавуну. Запропонований та обговорений механізм відновлення оксидів заліза цементитом у присутності відновної газової фази. Розроблена технологія одержання відновленого залізного порошку комбінованим методом із використанням у якості вихідних матеріалів прокатної окалини та дисперсного чавуну. Обгрунтовано оптимальний склад шихтових матеріалів. Показана можливість застосування розробленого залізного порошку для одержання спечених виробів із підвищеними фізико-механічними властивостями.

Практична цінність роботи. Розроблена економічна ресурсо-зберігаюча технологія виробництва залізного порошку методом комбінованого відновлення оксидної залізовмісної сировини (Патент України №17355А від 15.04.97), що дозволяє при утилізації окалини киплячих вуглецевих марок сталі забезпечити одержання залізного порошку і на його основі спечених порошкових матеріалів із підвищеним рівнем фізико-механічних властивостей, економію енергії та сировини, значне зниження вартості кінцевого продукту. Досліджені фізичні, хімічні та технологічні властивості відновленого залізного порошку, а також експлуатаційні характеристики спечених виробів на його основі. Розроблена математична програма, що дозволяє на основі даних хроматографічного аналізу чинити розшифровку складного гетерогенного відновного процесу.

Реалізація результатів роботи. Здійснене дослідницьке - промислове випробування розробленої технології одержання залізного порошку в умовах Казенного заводу порошкової металургії, вироблені та випробувані спечені вироби типу "статор" на основі відновленого порошку із додатками вуглецевого ферохрому. Наведена у дисертації технологія покладена за основу при проектуванні УКРДІПРОМЕЗом цеху залізних порошків на Кіровському заводі виробів з металевих порошків.

Особистий внесок автора. Усі дослідження та практичні експерименти проведені при безпосередній участі автора або під його керівництвом. Узагальнення результатів роботи проведене автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні результати та положення дисертації докладені та обговорені на Всесоюзних науково-технічних конференціях "Інтенсифікація металургійних процесів і підвищення якості металів та сплавів" (м. Тула, 1990), "Проблеми теорії та технології підготовки залізорудної сировини для доменого процесу та безкоксової металургії" (м. Дніпропетровськ, 1990), Міжнародної конференції "Новітні процеси і матеріали у порошковій металургії " (м. Київ, 1997).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 4 роботи, одержано один патент.

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків та додатків. Містить 163 сторінки, включно 138 сторінок машинописного тексту, 46 рисунків, 13 таблиць, 4 додатки і бібліографічний список з 92 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність питання одержання залізних порошків методом комбінованого відновлення. Сформульована мета роботи та основні положення, що виносяться до захисту. Показана наукова новизна і практична цінність роботи.

АНАЛІЗ СТАНУ ПИТАННЯ ТА ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ

Вивчений стан питання та проведено аналіз робіт щодо дослідження термодинаміки та кінетики відновлення оксидної залізовмісної сировини газами та твердим вуглецем. Показано, що одним із перспективних способів одержання залізних порошків є метод комбінованого відновлення який дозволяє одержувати хімічно чисті залізні порошки із задовільними технологічними властивостями. Проведено аналіз різноманітних промислових технологій одержання залізних порошків. Показано, що використання чавуну у якості твердого вуглецевого відновника дозволяє одержувати однорідну сипку шихту із добрим газопроникненням, при цьому усувається потреба її брикетування. Дисперсний чавун у порівнянні з твердими відновниками , що використовувалися раніше (сажа, деревне вугілля) є нетоксичним матеріалом із досить низькими показниками пилоутворення. Усе це приводить до зниження шкідливого впливу на обслуговуючий персонал та навколишнє середовище.

Аналіз результатів досліджень по кінетиці відновлення оксидів заліза газами та твердим вуглецем свідчить про значні кінетичні переваги комбінованого способу у порівнянні з суто газовим чи вуглецевотермічним відновленням. При комбінованому способі відновлення спостерігається прискорення процесу внаслідок розвитку реакції газифікації вуглецю водяним паром та утворення нових молекул водню та монооксиду вуглецю, приймаючих активну участь у відновленні оксидних фаз.

На підставі проведених теоретичних досліджень запропоновано використання у складі вихідних шихт для одержання відновлених залізних порошків у якості залізовмісної сировини - прокатну окалину, в якості твердого відновника -низькокремністий чавун.

ВИБІР ВИХІДНОЇ СИРОВИНИ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ВІДНОВЛЕНОГО ЗАЛІЗНОГО ПОРОШКУ

Вивчена можливість використання різноманітних сортів окалини, що утворюється при виробництві прокату на провідних металургійних підприємствах України. Наведені результати обстеження прокатних виробництв металургійних заводів: Дніпровського металургійного комбінату (м. Дніпродзержинськ), ВАТ "Запоріжсталь" (м. Запоріжжя), Криворізського державного гірничо-металургійного комбінату "Криворіжсталь" (КДГМК м. Кривий Ріг), АТ "Завод імені Г. І. Петровського" (м. Дніпропетровськ). На цих підприємствах з відстійників були відібрані партії окалини для подальшого вивчення хімічного складу, фізичних і технологічних властивостей. Встановлено, що найбільш чисту по домішкам окалину дають багатоклітьові стани гарячої прокатки, що прокатують заготівлі з вуглецевих сталей у штрипси, тонкий лист, дрібний сортамент. Такими на підприємствах , що обстежувалися є: тонколистовий стан 550 комбінату "Запоріжсталь" та штрипсовий стан 300 комбінату "Криворіжсталь". На інших виробництвах прокатується значна частка легованих сталей, що ускладнює відбір окалини вуглецевих марок сталей.

З метою вивчення фізико-хімічних властивостей вихідної сировини та вибору оптимальної технологічної схеми її підготовки був зроблений відбір партій прокатної окалини з відстійників тонколистового стана комбінату ВАТ "Запоріжсталь" і штрипсового стана КДГМК "Криворіжсталь". В якості критерію порівняння використовували прокатну окалину, що утворюється при прокатці вуглецевих киплячих марок сталей трубозварювальних цехів Таганрогського трубного заводу, що застосовується при виробництві відновленого залізного порошку на Сулінському металургійному заводі (СМЗ). З отриманих даних випливає, що досліджені окалини суттєво відрізняються по своїм фізико-хімічним властивостям від окалини СМЗ. Насипна щільність для досліджуваних окалин приблизно у 1.4 рази вище, ніж у таганрогській. Частка великих часток у гранулометричному складі цих окалин у 3-3.5 рази вище, ніж у контрольній, що є негативним фактором з точки зору відновлювання прокатної окалини. Зміною гранулометричного складу окалини можна регулювати гранулометричний склад відновленого порошку. Підвищений вміст тонких фракцій в окалині призводить до зміни умов руйнування при дробінні залізної відновленої губки. Її легше розмелювати і на поверхні залізного порошку у меншій мірі утворюється наклеп. У зв'язку з цим окалини, що досліджувались, підлягали додатковому дрібненню. Кінетику розмелювання відібраних на різних заводах проб окалин вивчали у лабораторному кульовому млині. На підставі проведених досліджень запропонована наступна технологічна схема підготовки прокатної окалини, що включає операції сушки, пропікання, розмелу та розсіву. Сушка відбувається на повітрі протягом 10 годин; пропікання при температурі 573 – 773 К протягом двох годин; розмел у кульових млинах протягом 6-12 хвилин в залежності від виду окалини; розсів на віброситах на фракцію менш 0.200 мм.

У якості вуглецевого відновника при виробництві залізного порошку пропонується використовувати низькокремністий чавун. У даній роботі використовували напівпродукт вуглецевий (синтетичний чавун) (ТУ 14-15-42 - 77), що містить менш 0.1% кремнію та до 0.2% інших домішок. Такий чавун можна одержати окислювальною обробкою залізовуглецевого розплаву на металургійних заводах України. Для вибору оптимальної технологічної схеми підготовки чавуну виробляли його дрібнення двома методами: розпиленням та механічним дробінням. Розпилення низькокремністого чавуну здійснювали водою високого тиску на комбінованій установці УкрНДІспецсталі. По другій технології шматки чавуну механічно здрібнювали у потоці, що складався з молоткової дробарки ЛДМ та віброздріблювача. По гранулометричному складу розмолотий чавун надто близький до здрібненого і склав:

розмір часток, мм -0.20 +0.16 -0, 16+0, 05 -0, 05

вміст фракції, % 5.4 57.3 37, 3

Хімічний склад розпиленого та молотого чавуну сильно не відрізняється і склав: С - 3.8-4.0%; O -0.44 - 0.43%; S - 0.029 - 0.028%;

Si - 0.065-0.064%; P - 0.013-0.012%, інше залізо. Методами порозометрії та металографічного аналізу визначали питому поверхню та форму часток. Мікроскопічні дослідження порошків чавуну проводили за допомогою растрового мікроскопу "JSM-35".

Розпилений чавун складається з часток здебільше сферичної форми з питомою поверхнею 338 см2/г, частки молотого чавуну мають сильно розгалужену форму із питомою поверхнею 524 см2/г (рис. 1). З точки зору відновної здібності більша перевага надається механічно здрібненому чавуну.

ДОСЛІДЖЕННЯ КІНЕТИКИ КОМБІНОВАНОГО ВІДНОВЛЕННЯ

ДИСПЕРСНОЇ ОКАЛИНИ ІЗ ВИКОРИСТАННЯМ СИНТЕТИЧНОГО ЧАВУНУ

Наведені результати кінетичних досліджень по комбінованому відновленню прокатної окалини із додатками дисперсного чавуну в ізотермічних та не ізотермічних умовах.

В якості вихідних матеріалів використовували прокатну окалину ВАТ "Запоріжсталь", що містить 75.1% Fe, 0.18% C, 0.08% Si, 0.01% S, 0.012% P, та молотий низькокремністий чавун, що містить 4.0% С та 0.064% Si. Вихідні шихти готували для наступних відношень кисню до вуглецю (О/С): 1.8; 2.0 та 2.2.

Проведені експерименти у середовищі аргону в не ізотермічному режимі зі швидкістю нагрівання 6 оС / хвил. Одержані дані показали, що початок відновлення для всіх шихт знаходиться у інтервалі 823 К – 873 К, що добре погодиться з виконаними термодинамічними розрахунками по відновленню магнетиту до вюститу вуглецем цементитної фази. При досягненні 1273 К для усіх шихт спостерігалося прискорення відновно – зневуглецьовувального процесу.

Проведене ізотермічне відновлення вихідних шихт при 1273 К. Найбільш повне вилучення кисню і вуглецю спостерігалося через 0.5 години від початку досліду для шихт із відношенням О/С рівним 1.8 та 2.0. Різниця у кінетиці відновлення шихт із О/С рівним 1.8 та 2.0 невелика. Для промислової перевірки рекомендоване співвідношення О/С рівне 2.0, що дозволяє поряд із забезпеченням достатньої швидкості процесу економити твердий відновник, ціна якого більш ніж у 10 раз вище ціни на окалину. Підвищений вміст вуглецю, крім зниження економічних показників, може призвести до підвищення вуглецю у кінцевому продукті.

У лабораторних умовах досліджена кінетика вуглецевотермічного та комбінованого відновлення прокатної окалини дисперсним чавуном шихти з співвідношенням О/С, рівним 2.0, у діапазоні температур 1173-1323 К. Порівнювальний аналіз кінетичних даних щодо відновлення у середовищі водню та аргону показав, що при проведенні процесу в атмосфері водню спостерігається збільшення

Рис. 1 Форма часток розпиленого водою чавуну (а) і

роздрібненого (б), РЕМ, х260.

а)

б)

швидкості відновлення у порівнянні з вуглецевотермічним відновленням. Тривалість відновлення скорочується на 30-35% при зростанні максимальної швидкості відновлення у 2-3 рази.

Вихідні матеріали та проби залізного порошку з різним ступенем відновлення досліджували на дифрактометрі ДРОН - 3М у К- випромінюванні заліза із монохроматором (рис. 2). Встановлено, що особливістю комбінованого відновлення є зниження інтенсивності дифракційного максимуму FeO у початковій стадії при відносній постійності пика Fe3C. Це свідчить про переважне відновлення за рахунок водню. Далі спостерігається розпад цементиту і відновлення вюститу карбідом та вуглецем аустеніту. Відновлений залізний порошок має практично повністю лінії характерні - Fe, що свідчить про повноту відновлювально-зневуглецьовувального процесу.

Результати термодинамічних розрахунків, рентгенофазового, хроматографічного та кінетичного аналізів дозволили запропонувати наступний механізм відновлення прокатної окалини вуглецем цементиту. Водень газової фази шляхом взаємодії з цементитом на поверхні та в порах утворює метан. Останній може взаємодіяти з газоподібними продуктами відновлення (СО2, Н2О) з утворенням активних відновлювальних газів (СО, Н2), чи підвергатися піролізу. Вуглець розпаду реагує з диоксидом вуглецю по реакції Бела-Бодуара. Каталізатором цих реакцій є свіжовідновлене воднем залізо. Утворені газоподібні відновники дифундують через продукти відновлення у частки окалини до відповідних реакційних зон (FeO Fe і Fe3O4 FeO). Масоперенесення газоподібних продуктів відновлення здійснюється у протилежному напрямку.

Для розшифрування гетерогенного процесу комбінованого відновлення розроблена програма для ЕОМ розрахунку сумарної швидкості відновлення і частки участі водню у відновному процесі. Частка участі водню склала 20-22% для температури 1273 К та 17-20% для температури 1323 К. Ці дані добре корелюють з результатами, що зроблені на основі визначення залишкового вмісту вуглецю.

Результати експериментів були оброблені на ЕОМ за допомогою програм "NUMERY" та "Table curve" з визначенням математичних моделей процесу.

Рис. 2 Дифрактограма вихідної шихти (а) та порошку з різною степеню відновлення (б – 81%, в – 95 %, г – 100%)

Таким чином, проведений комплекс досліджень підтвердив можливість одержання відновлених залізних порошків методом комбінованого відновлення прокатної окалини вуглецем дисперсного чавуну при температурах 1273-1323 К у середовищі водню.

РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОСНОВ ОДЕРЖАННЯ ЗАЛІЗНОГО ПОРОШКУ МЕТОДОМ КОМБІНОВАНОГО ВІДНОВЛЕННЯ

Наведені результати промислового випробування розробленої технології в умовах КЗПМ. На діючому обладнанні у цеху №1 проведене відновлення шихт на основі прокатної окалини із додатком дробленого та розпиленого чавуну. Критерієм порівняння служив порошок - сирець, одержаний розпиленням сталі водою високого тиску. Шихти відновлювали у середовищі технічного водню при температурах 1313-1323 К. По хімічному складу залізні порошки, одержані із використанням дисперсного чавуну, відповідають відновленим порошкам марок ПЖВ3 і містять: С - 0, 013-0, 012%, О - 0.27-0.28%, S - 0.013-0.016%.

Технологічні властивості порошків представлені у таблиці.

Склад

шихти | Насипна густина,

г/см3 | Текучість с/50г | Ущільненість

при 700 МПа, г/см3 | Міцність сирої пресовки при 6,5 г/см3,МПа

Окалина+дрібний чавун | 2,09 | 39 | 6,93 | 38,3

Окалина+розпиле-ний чавун | 2,39 | 32 | 6,94 | 35,9

Порошок-сирець | 2,79 | 28 | 7,08 | 21,6

Порівняння властивостей дослідницького та залізних порошків, які випускаються сьогодні на Україні, показало, що одержаний по розробленій у дисертаційній роботі залізний порошок можна рекомендувати для виготовлення конструкційних та антифрикційних виробів складної форми.

ОДЕРЖАННЯ СПЕЧЕНИХ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ ВІДНОВЛЕНОГО ЗАЛІЗНОГО ПОРОШКУ

Представлені результати комплексних досліджень можливого використання відновленого порошку для виготовлення спечених конструкційних сталей системи залізо-вуглець, залізо-хром-вуглець.

У якості легуючих елементів використовували графіт олівцевий, що вводили до шихти з розрахунку 0.2; 0.4; 0.6 і 0.8 % вуглецю у матеріалі. Ферохром марки ФХ 800, що містить 66.7% Cr і 8.14 %С, вводили у такій кількості, щоб хромиста сталь містила 1, 3, 5 і 7% хрому. З метою розробки оптимальної технології одержання спечених конструкційних матеріалів на основі відновленого залізного порошку досліджені всі технологічні операції: приготування шихти, пресування, спікання. У процесі приготування шихти визначали насипну щільність (ДГСТ 19440-74) та ущільненість (ДГСТ 25280-82) вихідних шихт. Вихідні шихти пресували на гідравлічному пресі МС-1000 при тиску 400, 500, 600 і 700 МПа. Зразки спікали протягом 2-х годин у середовищі водню на лабораторній установці проточного типу при температурах 1273 К для залізовуглецевих та 1423К для залізохромвуглецевих сталей. Показано, що в процесі спікання відбувається об'ємна усадка залізовуглецевих порошкових матеріалів порядку 1-2% в залежності від тиску пресування та вмісту вуглецю у шихті. Із зростанням тиску пресування об'ємна усадка зразків знижується. Зразки, що містять меншу кількість графіту, підлягають до більшої усадки. Для залізохромістих порошкових сталей спостерігається тенденція до зростання зразків. Особливо вона помітна при введенні 7% хрому.

Досліджені твердість та границя міцності на розрив залізовуглецевих та залізохромвуглецевих сталей. У спечених залізовуглецевих сталей, створених на базі відновленого залізного порошку, показники твердості та границі міцності вище, ніж у аналогічних порошкових сталей.

В умовах КЗПМ на основі відновленого порошку виготовлена дослідницько-промислова партія спечених виробів - статори олійних насосів з матеріалу СП65Х3. Порівняльний аналіз твердості та тимчасового опору при розтягненні показав, що ці показники для виробів, вироблених на основі відновленого порошку, на 10-15% вище, ніж для серійно виробляємих.

ЕКОНОМІЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ НОВОЇ ТЕХНОЛОГІЇ

ОДЕРЖАННЯ ЗАЛІЗНИХ ПОРОШКІВ

Розраховано економічний ефект при виробництві залізного порошку комбінованим відновленням прокатної окалини дисперсним чавуном. Чистий річний прибуток при обсязі виробництва 3 тис. т на рік складе 566978 грн. Собівартість порошку по технології, що пропонується, знижується на 180-190 грн/т (16-20%). Причина зниження собівартості полягає у зменшенні вартості на сировину і енергетичні витрати. Строк окупності витрат складає близько 5.5 років. Економічні розрахунки виконані виходячи з існуючої на КЗПМ ціни на залізний порошок у березні 1998 року. Враховуючи, що якість виробів із застосуванням нового порошку підвищується на 10-15%, можна очікувати на збільшення прибутку на підприємстві за рахунок підвищення ціни на порошок із поліпшеними якісними характеристиками та скорочення строку окупності інвестицій у нову технологію.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

Головним підсумком дисертаційної роботи є розробка, дослідження та промислове випробування нової економічної ресурсозберігаючої технології одержання залізних порошків методом комбінованого відновлення прокатної окалини дисперсним чавуном. Проведений комплекс теоретичних та експериментальних досліджень дозволив зробити ряд узагальнюючих висновків:

1. Проведено аналіз існуючих способів одержання відновлених залізних порошків. Показана перевага метода комбінованого відновлення. Дано обгрунтування використання у якості твердого відновника низькокремністого чавуну, у якості залізорудного компонента - прокатну окалину.

2. Обгрунтовані оптимальні технологічні схеми підготовки окалини та низькокремністого чавуну. Показано, що більш переважно використовувати у якості твердого відновника дисперсний чавун, одержаний методом механічного здрібнювання, який при однаковому гранулометричному складі має приблизно у 1.5 рази більшу питому поверхню у порівнянні з розпиленим і, відповідно, більш високу реакційну здібність.

3.

4. В ізотермічному та не ізотермічному режимі досліджені кінетичні закономірності відновлення окалини із використанням в якості твердого відновника механічно здрібненого чавуну. Встановлено, що оптимальним відношенням між киснем залізорудної частини шихти і вуглецем, який вноситься твердим відновником, є відношення О/С, що дорівнює 1.8-2.0.

5. Запропоновано механізм комбінованого відновлення окалини цементитом дисперсного чавуну і воднем газової фази. Цементит є активним відновником і бере участь у прямому відновленні оксидів заліза до чистого заліза. Крім того, відбувається взаємодія його із воднем газової фази з утворенням метану і заліза. Метан внаслідок своєї деструкції утворює активне відновне середовище, що містить монооксид вуглецю і водень.

6. Термодинамічними розрахунками показано, що безпосереднє відновлення оксидів заліза цементитом може протікати при температурах вище 858 К для магнетиту та вище температури 914 К для вюститу.

7. Досліджені із використанням рентгенофазового методу аналізу склад вихідних шихтових матеріалів, кінцевого та проміжних продуктів відновлення. Встановлено, що при рекомендованих умовах відновлення вуглець цементиту практично повністю витрачується на відновний процес.

8. Розроблено програма для розшифровки кінетики комбінованого та вуглецевотермічного відновлення оксидів окалини на підставі складу газоподібних продуктів реакції та розходу відновного газу. Результати розрахунків показали, що частка участі вуглецю цементиту у відновному процесі при рекомендованих режимах складає не менш ніж 80%.

9. На підставі виконаних досліджень розроблений технологічний процес одержання залізного порошку методом комбінованого відновлення прокатної окалини дисперсним низькокремністим чавуном у середовищі технічного водню. Визначені його оптимальні параметри: гранулометричний склад вихідних матеріалів, режим змішування, температурний режим відновлення - обезвуглецьовування.

10. В умовах КЗПМ проведене промислове апробування розробленої технології одержання відновленого залізного порошку. Отримана дослідницько-промислова партія відновленого залізного порошку. Визначені його технологічні властивості (насипна густина 2.1-2.2 г/см3, текучість 39 с/50г, міцність сирої пресовки 38,3 МПа, ущільненість 6.93 г/см3) та фізичні властивості. Проведені дослідження показують, що такий порошок може бути успішно використаний при виробництві конструкційних, антифрикційних та інших виробів із підвищеними міцністними характеристиками.

11. Розрахований економічний ефект при виробництві залізного порошку комбінованим відновленням прокатної окалини дисперсним чавуном складає 180-190 грн/т. Зниження собівартості залізного порошку досягнуте за рахунок зменшення видатків на сировину та енергетичні витрати. Строк окупності витрат складає 5.5 року. Економічні розрахунки виконані виходячи із існуючої на КЗПМ ціни на залізний порошок у березні 1998 року.

12. В умовах КЗПМ отримана дослідницька партія деталей типу статор СП 65Х3 із використанням відновленого порошку. Для дослідницьких деталей твердість склала 1300-1400 НВ (для заводських деталей-1100-1200 НВ); тимчасовий опір при розтягненні склав 400-450 МПа (для заводських деталей - 350-400 МПа).

Основний зміст дисертації опубліковано у таких роботах:

1.

1.

1.

1.

1.

АНОТАЦІЯ

Рослик І.Г. Розробка та дослідження технології одержання залізного порошку засобом комбінованого відновлення дисперсної окалини з використанням синтетичного чавуну. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.06 – Порошкова металургія та композиційні матеріали, - Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 1999.

Дисертація присвячена питанням одержання залізного порошку методом комбінованого відновлення прокатної окалини і спечених матеріалів на його основі. Проведен аналіз сировинної бази України та вибрана вихідна сировина для виробництва залізного порошку засобом комбінованого відновлення. Розроблені технологічні схеми підготовки вихідної сировини та визначені оптимальні параметри процесу. Досліджені кінетика та механізм відновлення прокатної окалини дисперсним низькокремністим чавуном у середовищі водню. Визначені оптимальні параметри процесу відновлення і проведене дослідницько-промислове випробування розробленої технології одержання відновленого залізного порошку.

На основі відновленого залізного порошку виготовлені низьколеговані спечені сталі, проведена оптимізація їхнього виготовлення. Результати випробувані у промислових умовах.

Ключові слова: відновлення, залізний порошок, прокатна окалина, дисперсний чавун, кінетика, властивість, леговані сталі.

ABSTRACT

Roslik I.G. Development and research of technology of deriving of an iron powder by a method of the combined restoration mill scale with the use of synthetic pig iron. - Manuscript.

Thesis for an engineering science candidate's degree by speciality 05.16.06 - Powder metallurgy and composite materials. Frantsevich Institute for Problems of Materials Science, Ukraine, Kiev, 1999.

The thesis is devoted to problems of deriving of an iron powder by a method of restoration and sintered constructional materials on its basis. The analysis of a source of raw materials of Ukraine is conducted and the initial raw materials for production of an iron powder by a method of the combined restoration are chosen. The technological circuits of its preparation are developed and the optimum parameters of process are determined. The kinetics and mechanism of restoration rolling scale by disperse pig iron in a hydrogen atmosphere are investigated. The optimum parameters of process of restoration are determined and the trial approbation of the developed technology of deriving of a restored iron powder is conducted.

Low carbon sintered steels are made on the basis of the restored iron powder. The optimisation of their deriving is conducted. The outcomes of researches are tested in industrial conditions.

Key words: restoration, iron powder, rolling scale, disperse pig-iron, kinetics, property, alloy steels.

АННОТАЦИЯ

Рослик И.Г. Разработка и исследование технологии получения железного порошка методом комбинированного восстановления дисперсной окалины с использованием синтетического чугуна. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы, Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев, 1999.

Диссертация посвящена вопросам получения железного порошка методом комбинированного восстановления прокатной окалины совместно углеродом дисперсного чугуна и восстановительной газовой средой. Дано обоснование использования в качестве твердого восстановителя малокремнистого чугуна, в качестве железорудного составляющего – прокатную окалину.

Разработаны оптимальные технологические схемы подготовки окалины и малокремнистого чугуна. Показано, что предпочтительней в качестве твердого восстановителя использовать дисперсный чугун, полученный методом механического измельчения, который при одинаковом гранулометрическом составе имеет примерно в 1,5 раза большую удельную поверхность по сравнению с распыленным и, соответственно, более высокую реакционную способность.

С целью определения источника железорудного сырья, проведен анализ сырьевой базы Украины. Выполнено комплексное изучение свойств окалин чистовых клетей прокатных станов ведущих металлургических предприятий страны: ОАО "Запорожсталь" (г. Запорожье), Криворожского государственного горно - металлургического комбината "Криворожсталь" (г. Кривой Рог), АО "Завод имени Г.И.Петровского (г. Днепропетровск), Днепровского металлургического комбината (г. Днепродзержинск). Установлено, что наиболее пригодными по химическому составу и физическим характеристикам является чистовая окалина, образующаяся в достаточном объёме для организации промышленного производства железного порошка комбинатов " Криворожсталь" и "Запорожсталь".

На основе термодинамических расчётов, рентгенофазового и хроматографического анализа предложен механизм комбинированного восстановления прокатной окалины углеродом дисперсного чугуна в восстановительной атмосфере.

Разработана программа для расшифровки кинетики комбинированного и углетермического восстановления оксидов окалины на основании состава газообразных продуктов реакции и расхода восстановительного газа с использованием ПЭВМ. Результаты расчетов показали, что доля участия углерода цементита в восстановительном процессе при рекомендованных режимах составляет не менее 80 %.

На основании выполненных исследований разработан технологический процесс получения железного порошка методом комбинированного восстановления окалины дисперсным малокремнистым чугуном в среде технического водорода. Определены его оптимальные параметры: гранулометрический состав исходных материалов, режим смешивания, температурный режим восстановления - обезуглероживания.

В условиях КЗПМ проведено промышленное опробование разработанной технологии получения восстановленного железного порошка. Получена опытно-промышленная партия восстановленного железного порошка. Определены его технологические свойства (насыпная плотность 2.1-2.2 г/см3, текучесть 39 с/50г, уплотняемость 6,93 г/см 3, прочность сырой прессовки 38.3 МПа) и физические свойства.

На основе восстановленного железного порошка изготовлены низкоуглеродистые спеченные стали, проведена оптимизация их получения. Результаты исследований опробованы в промышленных условиях. Показано, что эксплуатационные характеристики повышаются на 10-15%.

Рассчитан экономический эффект при производстве железного порошка комбинированным восстановлением прокатной окалины дисперсным чугуном и составил 180-190 грн/т. Причина снижения себестоимости состоит в уменьшение сырьевых и энергетических затрат.

Ключевые слова: восстановление, железный порошок, прокатная окалина, дисперсный чугун, кинетика, свойство, легированные стали.