Спосіб виготовлення кускового легованого скрапу із сталевих порошкових відходів

Спосіб виготовлення кускового легованого скрапу із сталевих порошкових відходів, що вклю 3 Цей спосіб має основний недолік, що обумовлений використанням спеціально виготовленого легованого пластичного розпиленого порошку і проведенням операцій пресування та спікання. Відомий спосіб виготовлення легованих шихтових зливків за допомогою переплаву стружки у дугових електропечах (В.Ф. Волобуев, И.И. Довгий, Н.В. Анкудинов. Заготовка и переработка вторичных металлов. М.: Металлургия, 1980. - С. 299310). Цей спосіб має такі основні недоліки: необхідність спеціалізованого плавильного обладнання, великий угар, як легуючих елементів стружки, так і загальний. За технічною суттю і досягнутому ефекту, найбільш близьким до способу, що заявляється є спосіб, що включає сушку металоабразивного шламу, магнітну сепарацію, змішування шламу з вуглецем, переважно з коксом та брикетування (Авторське свідоцтво СРСР, № 1406192, кл. С22В1/248, Бюл. № 24, 1988. Способ утилизации мелкофракционного металлоабразивного шлама легированных сталей. И.П. Габриелов, Г.Г. Макаева, Е.С. Туровская). З метою повного збереження легуючих елементів, у попередньо очищений шлам додають вуглець у кількості 1-2 % від загальної маси. Суміш брикетують та спікають у засипці оксиду алюмінію при 1150-1250 °С протягом 40-50 хв. Цей спосіб дозволяє виготовити оплавлені спеки легованої сталі. Подальший переплав спеків-зливків сталі Р6М5 реалізують із зниженим угаром легуючих і підвищеним загальним виходом сталі. Цей спосіб має наступні недоліки: проведення операції магнітної сепарації, окислювання верхньої частини отриманих спеків-зливків внаслідок недостатніх ізоляційних властивостей порошку оксиду алюмінію. Задачею корисної моделі є розробка способу утилізації частини відходів виробництва, яка в даний час не утилізується, у вигляді щільного кускового легованого скрапу для виготовлення чавунів і сталей необхідного хімічного складу. Суть способу, що заявляється, полягає у змішуванні порошкового шламу сталі ШХ-15 з 3-5 мас. % вуглецевого матеріалу та введенні в суміш ініціаторів плавлення у кількості 2-10 мас. %, що розташовують у верхньому, нижньому шарах та в центрі залежно від об'єму утилізованих відходів, ущільненні отриманої суміші з подальшим спіканням до температури вище евтектичної. Спосіб реалізують наступним чином. Використовують сухі порошкові відходи, що утворюються в результаті шліфування, фрезерування, легованих конструкційних і інструментальних сталей: ШХ-15, X13, Р6М5, Р18, ХВГ, 5ХНМ та інших (Шишков М.М. Марочник сталей и сплавов: Справочник. Изд. 3-е дополненное. - Донецк: Юго-Восток, 2002. - 456 с.), у тому числі і їх суміші з порошком корунду, що утворюється в результаті зношування шліфувальних кругів. Використовують порошки відомих вуглецевих матеріалів: коксів, саж і графітів, переважно відходи графітів. Ці компоненти змішують будь-яким відомим способом, в результаті чого отримують суміш, яка містить 3-5 мас. % вуглецю, що перетворюється у чавун при нагріванні 61562 4 вище евтектичної температури. Оскільки навіть в утрамбованій суміші швидкість утворення розплаву залізо-вуглець мала, використовують ініціатор плавлення суміші. В якості ініціатора плавлення застосовують більш щільний ніж суміш залізовуглецевий матеріал, що плавиться раніше основної суміші. Ініціатор плавлення використовують у вигляді компактних шматків щільних порошкових пресовок, що розміщуються в контакті з сумішшю, що нагрівається, в будь-якій її частині переважно у центральному шарі порошку сталевих відходів, тобто там де нагрівання суміші проходить повільно. Отриману суміш засипають у тигель, що не змочується залізовуглецевим розплавом, в якому проводять її ущільнення утрушуванням і/або утрамбовуванням. Повністю заповнений тигель закривають кришкою і розміщують у сталевий контейнер. На закритий тигель насипають шар засипки, що захищає від окислення, до рівня горловини сталевого контейнера після чого закривають сталевою кришкою. Упакований описаним чином контейнер поміщають в термічну піч з повітряною атмосферою нагріту до температури рідкофазного спікання або плавлення порошкової суміші. При спіканні протікають такі процеси: - випаровування і термічна деструкція парів органічних речовин, що містяться в порошку ШХ15 та інших відходах; - утворені гази витісняють повітря з об'єму тигля (об'єму суміші) і створюють у ньому захисну атмосферу; - утворені гази і частинки вуглецевої речовини відновлюють оксидну плівку на сталевих частинках, і протікає їх коксування. Ці процеси істотно активують твердофазне спікання сталевих частинок у тому випадку, коли нагрівання протікає нижче температури ліквідус. При проведенні нагрівання вище температури ліквідус протікає рідкофазне спікання і плавлення суміші відповідно, її перетворення в достатньо щільний матеріал легованого залізовуглецевого сплаву - доевтектичного, евтектичного або заевтектичного легованого чавуну. Процеси ущільнення центральної частини суміші відстають від ущільнення периферійної і відповідно, центральна частина гальмує компактування всієї суміші. Тому в якості ініціатора плавлення використовують матеріали, що утворюють рідкометалічну фазу з більшою швидкістю, ніж основна суміш. Кількість ініціатора плавлення становить 2-10 мас. % від об'єму суміші. Доцільним є використання в якості ініціатора плавлення відходи, які також необхідно піддавати утилізації. Крім центрального розміщення використовують і додаткове розміщення ініціаторів - у верхньому і нижньому шарах утилізованої суміші. У результаті використання способу, що заявляється, отримують кусковий легований скрап, який далі переплавляється відомими способами в леговані сталі або леговані чавуни з істотно зниженим угаром легуючих металів. Це зумовлено двома чинниками: низькою питомою поверхнею отриманого скрапу і наявністю в ньому вуглецю. Спосіб, що заявляється, дозволяє переробляти як відходи сталі однієї марки, так і суміші відхо 5 61562 дів сталей різних марок, що, у свою чергу, дозволяє варіювати склад одержуваного скрапу за вмістом легуючих металів. Він також дозволяє переробляти сталеві відходи, що містять абразив, який переходить у шлак при переплавці отриманого скрапу. Переробку сталевих відходів рекомендується проводити при температурах 1180-1200 °С, що дозволяє утилізувати порошкоподібні відходи безпосередньо на підприємствах, що виробляють ці відходи. Суть способу, що заявляється, ілюструють такі приклади. Приклад 1. Вручну готували порошкову суміш складу (мас. %): ШХ-15 - 96,0, графіт марки ГСМ-1 - 3,0, лярд - 1,0. Суміш засипали з утрушуванням в алундовий тигель, який закривали сталевою кришкою і упаковували в сталевий контейнер, на дно якого попередньо поміщали стружку парафіну. Алундовий тигель у сталевому контейнері засипали сумішшю складу (мас. %): пісок прожарений - 98, графіт марки ГСМ-1 - 2. На горловину повністю заповненого контейнера, накладали плоску сталеву кришку з буртом. Тривалість ізотермічної витримки при 1200 °С становила 1 годину. Щільність отриманого 3 спеку-зливку становила 5,75 г/см . В наступних експериментах суміш засипали і утрушували в графітовому тиглі з графітовою кришкою, який потім упаковували в сталевій тигель так, як це описано вище, і нагрівали при 1200 °С протягом 1 години. Було отримано спек-зливок 6 3 щільністю 7,11 г/см не припаяний до тиглю. У повторному експерименті спек-зливок щільністю 7,12 3 г/см був міцно припаяний до дна графітового тигля. Отримані результати показали, що процес спікання-плавлення суміші, яка містить необхідну кількість графіту, не дає стійких значень щільності, проте, мінімальна щільність досить висока. Приклад 2. Для виготовлення сумішей використовували наступні матеріали: порошкові відходи сталі ШХ15, залізний порошок марки ПЖР 3.200.28, графіт марки ГСМ-1, вуглецевий феромарганець. Ручним змішуванням готували три суміші, склад яких наведено в таблиці. Отримані суміші пресували під тиском 700 МПа у роз'ємній пресформі з робочим діаметром 10,0 мм. Для спікання використовували графітовий тигель і засипку з прожареного оксиду алюмінію. У тигель засипали глинозем і в нього вертикально занурювали зразки. Повністю засипаний глиноземом тигель закривали графітовою кришкою і упаковували в сталевий тигель так, як це описано в прикладі 1. Спікання проводили при 1150 °С протягом 1 години в термічній печі з повітряною атмосферою. Описаний експеримент було проведено повторно, але при температурі 1200 °С з використанням в якості засипки оксиду алюмінію та крупки фтористого кальцію, щільність зразків представлена в таблиці. При повторному спіканні у крупці з фтористого кальцію зразків складу 1, значення щільності зраз3 ків склало 7,53 г/см . Таблиця Номер та склад (мас. %) сумішей 1 2 3 ШХ-15 - 47,5, Fe - 90, ШХ-15 - 95,0, Fe - 45, графіт - 4,8, графіт - 5,0 феромарганець - 2,5, феромарганець - 5,0, графіт - 5,0 сажа - 0,2 3 Теоретична щільність (г/см ) / висота (мм) зразків 6,96/20,6 6,92/18,7 6,94/15,8 3 Щільність (г/см ) / пористість (%) вихідних зразків 4,36/37,37 5,29/23,80 6,27/9,43 Висота (мм) спечених при 1150°С, 1 год. зразків ~19,5, ~15,5 ~12,5 3 Щільність (г/см ) спечених при 1200 °С, 1 год. зразків в засипці Аl2О3 7,24 7,38 7,39 3 Щільність (г/см ) спечених при 1200 °С, 1 год. зразків в засипці CaF2 7,23 7,34 7,46 Дані, представлені в таблиці свідчать, що пористість і висота зразків зменшуються від першого до третього складу. Зразки розрізали уздовж вертикальної осі і оцінювали їх стан по вертикальному шліфу. Зразки третього складу практично без пор і не містять каверн. Зразки другого складу мали кілька малих раковин у верхній частині. Зразки першого складу мають велику раковину у верхній частині і під нею розташовуються декілька малих раковин. Отримані дані дозволили зробити наступні висновки. - Спочатку більш щільний зразок третього складу утворює більш щільний спек-зливок. - В якості матеріалу тигля, що контактує із залізовуглецевим розплавом, що утворюється, фтористий кальцій краще, ніж оксид алюмінію, ймовірно, через більшу хімічну інертність фтористого кальцію. 7 61562 - Можливе використання графітових тиглів захищених антиадгезійним покриттям на основі фториду кальцію або оксиду алюмінію. Приклад 3. Суміш складом (мас. %): ШХ-15 - 95, графіт марки ГСМ-1 - 5 насипали у тигель та піддавали утрушуванню. Тигель упаковували у стальний контейнер так, як це описано у прикладі 1 і спікали при 1200 °С протягом 1 год. Щільність отриманого 3 спека-зливка склала - 7,27 г/см . Таким чином, у стані утрушування була отримана досить висока щільність. Суміш порошків складу (мас. %): ШХ-15 - 90, графіт марки ГСМ-1 - 5, оксид алюмінію - 5, піддавали спіканню ідентичним образом в результаті 3 отримали спек-зливок щільністю ~ 7,6 г/см . Зливок розрізали вертикально; аналіз отриманого шліфа показав перерозподіл оксиду алюмінію, який концентрувався у верхній частині зливка. Приклад 4. Для виготовлення ініціаторів плавлення використовували такі матеріали: а) чавун марки СЧ-00; б) суміш складу (мас. %): дисперсний відсів порошку заліза - 0,063 мкм, що утворюється при виробництві порошку заліза марки ПЖР 3.200.28 95,0, графіт марки ГСМ-1 - 4,3; стеарат цинку - 0,7; в) суміш складу (мас. %): відсів порошку заліза - 40,0, відходи сталі ШХ-15 - 53,5, графіт марки ГСМ-1 - 4,5, феромарганець - 2,0. Чавун використовували у вигляді циліндрів діаметром 10,0 і висотою 14,0 мм, виточених з компактного чавуну. Порошки складу "б, в" піддавали Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 8 пресуванню під тиском 700 МПа у нероз'ємній і роз'ємній прес-формах відповідно з робочим діаметром 10,0 мм. Маса циліндричних ініціаторів плавлення складала ~ 8 г. Сухим змішуванням в барабані виготовляли суміш складу (мас. %): ШХ-15 - 95,0, графіт марки ГСМ-1 - 4,0, порошок прожареного оксиду алюмінію - 1,0. В алундовий тигель засипали половину суміші. В центрі розміщали наполовину занурений ініціатор плавлення і досипали залишком суміші. Таким чином, ініціатор плавлення розміщувався в центральній частині суміші. Тигель закривали кришкою, утрушували і упаковували в сталевий контейнер так, як це описано в прикладі 1 з розміщенням стружки парафіну на дні як тигля, так і контейнера. Температура спікання-плавлення становила 1160 °С, тривалість - 1,0 год. Щільність 3 зливків становила (г/см ): - без ініціатора плавлення - 5,9; - з ініціатором плавлення "а" - 7,23; - з ініціатором плавлення "б" - 7,26; - з ініціатором плавлення "в" - 7,19. Промислова придатність способу, що заявляється, передбачає виготовлення кускового легованого скрапу з метою утилізації тієї частини відходів, що утворюються в результаті шліфування, фрезерування, легованих конструкційних і інструментальних сталей, які неможливо або недоцільно використовувати для виготовлення виробів методом порошкової металургії для переробки у леговані хромом, вольфрамом, молібденом та іншими дефіцитними і дорогими металами чавуни та сталі. Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601