PL172073B1 - Metalotermiczna mieszanina reakcyjna PL PL PL PL PL - Google Patents

Abstract

1. Metalotermiczna mieszanina reakcyjna, skladajaca sie z tlenku metalu oraz z metalu mniej szlachetnego wzgledem tlenku metalu i ewentualnie innych dodatków, przy czym poszczególne skladniki wystepuja w postaci malych czastek, znamienna tym, ze co najmniej 20% wagowych tlenku metalu wystepuje w postaci czastek o ksztalcie kulistym lub przynaj- mniej w przyblizeniu kulistym, o wielkosci czastek do 3,0 mm. P L 172073 B 1 PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest metalotermiczna mieszanina reakcyjna składająca się z tlenku metalu oraz z metalu mniej szlachetnego względem tlenku metalu i ewentualnie z innych dodatków, przy czym poszczególne składniki mają postać małych cząstek.

Reakcje metalotermiczne oraz mieszaniny do ich przeprowadzania znane są od ponad 100 lat. Reakcja metalotermiczna polega na redukcji tlenku metalu przez metal mniej szlachetny względem metalu występującego w tlenku metalu, przy czym reakcja, po lokalnym zapłonie mieszaniny reakcyjnej, rozprzestrzenia się mniej lub bardziej szybko, w metalotermicznej mieszaninie reakcyjnej, wytwarzając przy tym ciepło. Mniej szlachetny metal jest przy tym utleniany i wypływa do góry jako roztopiony żużel, natomiast roztopiony szlachetniejszy metal oddziela się od żużla i zbiera się w dolnej części reaktora. Techniczne zastosowanie znalazły tu zwłaszcza aluminotermiczne i kalcjotermiczne mieszaniny reakcyjne służące do wytwarzania wytopów żelaza i stali oraz do wytwarzania metali pozbawionych węgla i do wytwarzania stopów specjalnych.

Przeprowadzanie metalotermicznej reakcji powodowało znaczne trudności pod względem technicznym, ze względu na jej silnie egzotermiczny przebieg. Istotną była propozycja zapoczątkowania reakcji za pomocą punktowego zapłonu reakcji przy pomocy łatwej do zapalenia substancji samozapalnej lub folii magnezowej, jak to zostało opisane po raz pierwszy w opisie patentowym DE-PS 96 317 w 1895 r.

Dla uzyskania stopu stali o określonym składzie, do mieszaniny tlenku żelaza z aluminium muszą być dodawane dodatki stopowe o różnej postaci i składzie. Dodatki stopowe mogą być dodawane do mieszaniny reakcyjnej jako metale w postaci rozdrobnionej lub w postaci swoich tlenków lub innych związków chemicznych. Możliwym jest dodawanie węgla w wolnej postaci karbidu, w celu nawęglenia stali wytworzonej metodą aluminotermiczną. Do mieszaniny reakcyjnej mogą być dodawane środki dla tłumienia reakcji egzotermicznej, np. w postaci odpadów odlewów żeliwnych, odpadów stali konstrukcyjnej lub t.p. We wszystkich tych przypadkach, dla uzyskania powtarzalności produktów reakcji, koniecznym jest, aby aluminotermiczna, lub ogólniej, metalotermiczna reakcja, przebiegała możliwie równomiernie i ażeby ten równomierny przebieg reakcji był powtarzalny. Przy reakcjach różniących się szybkością przebiegu wypałki składników stopu mogą wydalać się w różnym stopniu. Prowadzi to do stopów o różniącym się składzie. Gdy reakcja przeprowadzana jest w tyglu odlewniczym, którego otwór denny

172 073 uszczelniony jest roztapialnym zamknięciem, jak to opisane jest np. w opisie patentowym DE-PS 32 11 831, to stopienie się zamknięcia musi nastąpić po ściśle określonym upływie czasu od zapłonu mieszaniny tak, aby można było być pewnym, że reakcja doszła do punktu końcowego, a żużel oddzielił się zupełnie od roztopionego metalu. Przy zbyt wczesnym przetopieniu się zamknięcia, nie oddzielone jeszcze płynne cząsteczki żużla, mogą zostać porwane wraz z wypływającym roztopionym metalem. Gdy przetopienie zamknięcia nastąpi zbyt późno, to wytop może być już silnie ochłodzony, i przyjąć stan, który przy określonych technicznych sposobach, jest niepożądany.

Próbowano poprawiać powtarzalność reakcji metalotermicznej przez optymalizację tygla reakcyjnego pod względem jego kształtu (szpiczasty stożek o różnym kącie nachylenia), jego wielkości, rodzaju wyłożenia, przykrycia itp. Uzyskano przy tym określoną poprawę. Jednakże w głównej mierze, na wynik reakcji i jej powtarzalność, wpływały zręczność i doświadczenie osób zatrudnionych przy przeprowadzaniu reakcji.

Niniejszy wynalazek dotyczy technicznego problemu urównomiernienia reakcji metalotermicznej, zwłaszcza aluminotermicznej reakcji tlenku żelaza, w celu poprawy powtarzalności przebiegu reakcji a tym samym czasu reakcji i produktów reakcji. Poprawa ma być przy tym uzyskana przez szczególnie korzystny skład reagującej masy, bez pomijania przy tym znanych możliwości poprawy wynikającej ze zmian w aparaturze.

Metalotermiczna mieszanina reakcyjna według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera co najmniej 20% wagowych tlenku metalu w postaci cząstek o kształcie kulistym i o wielkości cząstek do 3,0 mm. Zwykle do wytwarzania mieszanin metalotermicznych jako tlenek żelaza stosuje się zgorzelinę, która powstaje przy walcowaniu lub ciągnieniu drutu, przy czym w mieszaninie istnieją ukształtowania silnie się od siebie różniące, w postaci pręcików, w postaci płaskiej kwazi prostokątnej lub owalnej, oraz cząstek prawie prostopadłościennej, których mieszanina, nawet przy silnie ograniczonym przedziale wielkości ziarna, zawsze może spowodować różnice w przebiegu reakcji, z następstwem różnych strat ciepła na skutek nierównomiernego wypromieniowywania lub otwarciem zamknięcia tygla odlewniczego w niewłaściwym momencie. Różnice w przebiegu reakcji mogą wpływać również na skład produktu przebiegu reakcji mogą wpływać również na skład produktu końcowego.

Przy zastosowaniu mieszaniny według wynalazku zaobserwowano, że przebieg reakcji ustala się. Bez zawężenia wynalazku, przez przypuszczenia co do możliwych tego powodów, wiele przemawia za tym, że ustalenie się przebiegu reakcji spowodowanejest przez zastosowanie cząstek tlenku metalu o określonym stosunku powierzchni do masy, który dobrany jest przez co najmniej częściowe zastąpienie rozproszonego dotychczas kształtu stosowanych cząstek, przez cząstki w kształcie kulistym. Ma się przy tym możliwość, przez dobór odpowiedniej wielkości ziarna, wytwarzania mieszanin reakcyjnych, które wykazują żądane zachowanie się podczas reakcji. Zaskakującym jest przy tym, że żądane ustalenie reakcji pojawia się już przy zastąpieniu ok. 20% wagowych stosowanych zwykle cząstek metalowych, przez cząstki w postaci kulistej, i zwiększa się stale aż do statystycznie wykazywalnego optimum, przy ok. 90% wagowych cząstek tlenku metalu w postaci kulistej. Cząstki tlenku metalu mogą być sprowadzone do kształtu kulistego znanymi sposobami, np. przez grudkowanie. Cząstki tlenku metalu, np. tlenku żelaza, są przy tym zagęszczane w gniotowniku krążkowym. Cząstki uzyskujące kształt kulisty są następnie odsiewane do żądanej wielkości ziarna. Korzystna mieszanina zawiera kuliste cząstki o wielkości od 0,1 do 2,0 mm. Taka mieszanina reaguje sprawnie i powstające przy reakcji ciepło uwalnia w krótkim czasie. Straty ciepła powodowane wypromieniowaniem są zminimalizowane.

Szczególnym problemem przy wytwarzaniu, transporcie, manipulowaniu oraz przy składowaniu i pobieraniu ze składowiska metalotermicznych mieszanin reakcyjnych, o ile nie są one w postaci zestalonej, jest ich tendencja do odmieszywania się. Powodowane jest to zwłaszcza różnicami w ciężarze właściwym poszczególnych składników metalotermicznej mieszaniny reakcyjnej.

Zostało stwierdzone, że temu odmieszywaniu się, przy mieszaninach reakcyjnych według wynalazku można przeciwdziałać. Udaje się to w prosty sposób przez to, że mniej szlachetny metal, na ogół aluminium lub wapń, stosuje się w postaci odbiegającej od kształtu sferycznego,

172 073 przeważnie w kształcie kanciastym o wielkości cząstek do 1,5 mm. Przez kombinację kulistego tlenku metalu o określonej wielkości cząstek z metalem redukującym w postaci kanciastych cząstek o określonej wielkości uzyskuje się maksymalne ustalenie przebiegu reakcji, przy bardzo dużym stopniu pewności, że nie nastąpi odmieszanie się mieszaniny reakcyjnej podczas transportu, manipulacji i składowania.

W metalotermicznej mieszaninie reakcyjnej według wynalazku, tlenkiem metalu jest korzystnie tlenek żelaza, a mniej szlachetnym metalem jest korzystnie aluminium. W razie potrzeby dodane mogą być dodatki stopowe. Kulisty tlenek żelaza może być uzyskany, odpowiednio do opisanego już sposobu, przez zagęszczenie w gniotowniku krążkowym lub innym znanym dla fachowca sposobem nie wymagającym działalności wynalazczej. Stosowane mogą być również cząstki tlenku żelaza uzyskane przy innych sposobach, o ile tylko posiadają one postać kulistą, zwłaszcza takie jakie uzyskiwane są przy wtórnym wykorzystywaniu pozostałości z kąpieli trawiących. W ten sposób, w ekonomiczny i technicznie cenny sposób wykorzystywany jest odpad przemysłowy powstający w większych ilościach.

Poniżej przedstawione są metalotermiczne mieszaniny reakcyjne według wynalazku, odniesione zawsze do aluminotermicznej mieszaniny podstawowej z tlenku żelaza i aluminium o ciężarze całkowitym 1000 g.

Mieszanina 1:

800 g FeO, postać kulista, zakres uziarnienia >0 -3,0 mm

200 g Al, postać kanciasta, zakres uziarnienia > 0 - 1,5 mm

Mieszanina 2:

763 g Fe3O4, postać kulista, zakres uziarnienia > 0 - 3,0 mm

237 g Al, postać kanciasta, zakres uziarnienia > 0 - 1,5 mm

Mieszanina 3:

747 g Fe2C>3, postać kulista, zakres uziarnienia >0-35,0 mm

253 g Al, postać kanciasta, zakres uziarnienia > 0 - 1,5 mm

Mieszanina 4:

572 g Fe3O4, postać kulista, zakres uziarnienia >0 -3,0 mm

191 g Fe3O4, zgorzelina walcownicza, zakres uziarnienia >1-33,0 mm

237 Al, postać kanciasta, zakres uziarnienia > 0 - 1,5 mm

Mieszanina 5:

448 g Fe2O3, postać kulista, zakres uziarnienia >0-3,0 mm

299 g Fe2O3, zgorzelina walcownicza, zakres uziarnienia > 0 - 1,5 mm

253 g Al, postać kanciasta, zakres uziarnienia > 0 - 1,5 mm

Mieszanina 6:

Tak jak mieszanina 5, jednak z dodatkiem 350 g żelazomanganu w postaci cząstek.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 2,00 zł

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Metalotermiczna mieszanina reakcyjna, składająca się z tlenku metalu oraz z metalu mniej szlachetnego względem tlenku metalu i ewentualnie innych dodatków, przy czymposzczególne składniki występują w postaci małych cząstek, znamienna tym, że co najmniej 20% wagowych tlenku metalu występuje w postaci cząstek o kształcie kulistym lub przynajmniej w przybliżeniu kulistym, o wielkości cząstek do 3,0 mm.
2. 2. Metalotermiczna mieszanina według zastrz. 1, znamienna tym, że kuliste cząstki mają wielkość od 0,1 do 2,0 mm.
3. 3. Metalotermiczna mieszanina według jednego z zastrz. 1, znamienna tym, że tlenek metalu jest tlenkiem żelaza.
4. 4. Metalotermiczna mieszanina według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że jako sferyczny tlenek żelaza zawiera produkt uzyskiwany przy wtórnym wykorzystywaniu pozostałości kąpieli trawiących.
5. 5. Metalotermiczna mieszanina według zastrz. 1, albo 2, albo 3, znamienna tym, że tlenek żelaza występuje w postaci zgrudkowanej.