RU2262415C1

RU2262415C1 - Method of producing iron alloy from production waste

Info

Publication number: RU2262415C1
Application number: RU2004107033/02A
Authority: RU
Inventors: А.Т. Евтушенко (RU); А.Т. Евтушенко; О.А. Лебедева (RU); О.А. Лебедева; С.С. Торбунов (RU); С.С. Торбунов
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2005-10-20

Abstract

FIELD: metallurgy; powder metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to methods of production of iron alloys from iron-containing waste. Proposed method includes preparation of mixture of powders and self-propagating high-temperature synthesis. According to proposed method, 74-76 mass % of iron scale is mixed with aluminium powder to get thermit mixture. In process of mixing, titanium carbide is added in amount of 15-20% of mass of thermit mixture. Amount of aluminium powder is equal to difference in mass of thermit mixture and iron scale.

EFFECT: increased hardness.

1 ex

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения сплавов железа из железосодержащих отходов производства.The invention relates to powder metallurgy, in particular to methods for producing iron alloys from iron-containing waste products.

Известен способ получения сплава железа в высокотемпературной индукционной печи путем загрузки передельного чугуна, стального и чугунного лома, возврата, брикетов стружки, а также ферросилиция и ферромарганца в количестве 1,0-2,5 мас.%, последующего нагрева до температуры плавления и выдержки при этой температуре (Чугун. Справочное издание / Под. ред. Л.Д.Шермана, А.А.Жукова. - М.: Металлургия, 1991, с.143 (прототип).A known method of producing an iron alloy in a high-temperature induction furnace by loading pig iron, steel and cast iron scrap, return, briquettes of chips, as well as ferrosilicon and ferromanganese in the amount of 1.0-2.5 wt.%, Subsequent heating to the melting temperature and holding at this temperature (Cast iron. Reference edition / Under the editorship of L.D. Sherman, A.A. Zhukov. - M.: Metallurgy, 1991, p.143 (prototype).

Описанный способ получения сплава железа в высокотемпературной индукционной печи имеет следующие недостатки: большой расход электроэнергии из-за применения высокотемпературной печи; низкая твердость - 10 HRC - получаемого сплава железа; высокая стоимость готовой продукции; неполная утилизация отходов, так как в высокотемпературной печи не используют окалину; низкая защита окружающей среды, так как при плавлении в печах выделяется большое количество дыма и продуктов сгорания в атмосферу. Кроме того, способ получения сплава железа длителен во времени из-за больших временных затрат на процессе плавления (длительность плавления несколько часов).The described method for producing an iron alloy in a high temperature induction furnace has the following disadvantages: high energy consumption due to the use of a high temperature furnace; low hardness - 10 HRC - obtained alloy of iron; high cost of finished products; incomplete disposal of waste, since no scale is used in a high-temperature furnace; low environmental protection, as during melting in furnaces a large amount of smoke and combustion products is released into the atmosphere. In addition, the method of producing an iron alloy is time-consuming due to the large time spent on the melting process (melting time of several hours).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ получения сплава железа из отходов производства, включающий смешивание железной окалины в количестве 74-76 мас.%, железосодержащего порошка в количестве 10-15 мас.% и алюминиевого порошка в количестве 15-20 мас.% с получением термитной смеси, загрузку этих компонентов в тигель и плавление сплава железа самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (патент RU 2192478, МПК7 C 21 B 15/00, B 22 F 3/23).The closest in technical essence and the achieved result to the proposed invention (prototype) is a method for producing an alloy of iron from industrial wastes, comprising mixing iron oxide in an amount of 74-76 wt.%, Iron-containing powder in an amount of 10-15 wt.% And aluminum powder in the amount of 15-20 wt.% to obtain a thermite mixture, loading these components into a crucible and melting the iron alloy with self-propagating high-temperature synthesis (patent RU 2192478, IPC 7 C 21 B 15/00, B 22 F 3/23).

Основным недостатком этого способа является узкая сфера использования, так как получаемый сплав железа можно применять только в качестве шихты для дальнейшего производства легированных сплавов с дополнительной термообработкой из-за его низкой твердости, составляющей 10 HRC.The main disadvantage of this method is the narrow scope, since the resulting iron alloy can only be used as a mixture for the further production of alloyed alloys with additional heat treatment due to its low hardness of 10 HRC.

Предлагаемым изобретением решается задача расширения сферы использования путем обеспечения возможности получения легированных сплавов с заранее заданными составами и необходимыми свойствами, применяемых в качестве напайки для повышения стойкости ударного или режущего инструмента.The present invention solves the problem of expanding the scope of use by providing the possibility of obtaining alloyed alloys with predetermined compositions and the necessary properties used as soldering to increase the resistance of a percussion or cutting tool.

Для достижения этого технического результата в способе получения легированного сплава железа из отходов производства, включающем смешивание железной окалины в количестве 74-76 мас.% и алюминиевого порошка с получением термитной смеси, загрузку и плавление сплава железа самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, при смешивании вводят карбид титана в количестве, равном 15-20% массы термитной смеси, а алюминиевый порошок используют в количестве, равном разности масс термитной смеси и железной окалины.To achieve this technical result, in a method for producing a doped iron alloy from industrial wastes, comprising mixing 74-76 wt% iron oxide and aluminum powder to obtain a thermite mixture, loading and melting the iron alloy with self-propagating high-temperature synthesis, titanium carbide is introduced into the mixture an amount equal to 15-20% of the mass of the thermite mixture, and aluminum powder is used in an amount equal to the difference in mass of the thermite mixture and iron oxide.

Получение легированных сплавов с заранее заданными составами и необходимыми свойствами обусловлено образованием в реакционной зоне при плавлении по заявляемому способу сплава ферротитана, карбида железа и оксида алюминия с твердостью до 55 HRC, который используют как инструментальную сталь без дополнительной термообработки для обеспечения высокой твердости, что необходимо при реализации способа, выбранного в качестве прототипа.The preparation of alloyed alloys with predetermined compositions and the necessary properties is due to the formation of an alloy of ferrotitanium, iron carbide and aluminum oxide with a hardness of up to 55 HRC in the reaction zone when melting according to the claimed method, which is used as tool steel without additional heat treatment to provide high hardness, which is necessary when the implementation of the method selected as a prototype.

Количество алюминиевого порошка, равное разности масс термитной смеси железной окалины и составляющее 24-26 мас.%, является оптимальным, так как обеспечивает наиболее полное горение смеси. При использовании алюминиевого порошка в количестве менее 24 мас.% термитной смеси не происходит выделения достаточного количества тепла в реакционной зоне для проплавления сплава. Использование алюминиевого порошка в количестве более 26 мас.% термитной смеси приводит к появлению пор в металлическом слитке, то есть к отсутствию его монолитности.The amount of aluminum powder, equal to the mass difference of the thermite mixture of iron oxide and amounting to 24-26 wt.%, Is optimal, as it provides the most complete combustion of the mixture. When using aluminum powder in an amount of less than 24% by weight of the thermite mixture, sufficient heat is not generated in the reaction zone to melt the alloy. The use of aluminum powder in an amount of more than 26 wt.% Thermite mixture leads to the appearance of pores in the metal ingot, that is, to the absence of its monolithicity.

Количество карбида титана, составляющее 15-20% массы термитной смеси, является оптимальным, так как повышает скорость горения, температуру реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, увеличивает количество тепла, жидкотекучесть, позволяет получить отливки любой конфигурации, например компактный металлический слиток ферротитана и карбида железа с твердостью до 55 HRC и достаточно высокой вязкостью. При содержании карбида титана менее 15% массы термитной смеси реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза протекает без повышения скорости горения, температуры и количества тепла, а при содержании карбида титана более 20% массы термитной смеси реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза не возникает.The amount of titanium carbide, amounting to 15-20% of the mass of the thermite mixture, is optimal, since it increases the burning rate, the reaction temperature of self-propagating high-temperature synthesis, increases the amount of heat, fluidity, allows you to get castings of any configuration, for example a compact metal ingot of ferrotitanium and iron carbide with hardness up to 55 HRC and fairly high viscosity. With a titanium carbide content of less than 15% of the mass of the thermite mixture, the reaction of self-propagating high-temperature synthesis proceeds without an increase in the burning rate, temperature and amount of heat, and with a titanium carbide content of more than 20% of the mass of the thermite mixture, the reaction of self-propagating high-temperature synthesis does not occur.

Способ получения легированного сплава железа из отходов производства осуществляется следующим образом. Производят дозирование и смешивание в смесителе железной окалины и алюминиевого порошка с получением термитной смеси. Железную окалину используют в количестве 74-76 мас.%, а алюминиевый порошок - в количестве, равном разности масс термитной смеси и железной окалины и составляющем 24-26 мас.%. При смешивании в качестве легирующего элемента вводят карбид титана в количестве, составляющем 15-20% массы термитной смеси. Затем термитную смесь и карбид титана загружают в форму. Инициируют начало реакции и производят плавление легированного сплава железа и титана в режиме горения путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Плавление железа и карбида титана осуществляют за счет тепла химической реакции термосинтеза вышеуказанных компонентов:A method of producing a doped iron alloy from waste products is as follows. Dosing and mixing in the mixer of iron oxide and aluminum powder is carried out to obtain a thermite mixture. Iron scale is used in an amount of 74-76 wt.%, And aluminum powder is used in an amount equal to the mass difference between the thermite mixture and iron scale and 24-26 wt.%. When mixing, titanium carbide is introduced as an alloying element in an amount of 15-20% of the mass of the thermite mixture. Then the thermite mixture and titanium carbide are loaded into the mold. Initiate the onset of the reaction and melt a doped alloy of iron and titanium in the combustion mode by means of self-propagating high-temperature synthesis. The melting of iron and titanium carbide is carried out due to the heat of the chemical reaction of thermosynthesis of the above components:

Fe₂О₃+2Аl+TiC→FeTi+FeC+Al₂O₃ (1)Fe ₂ O ₃ + 2Al + TiC → FeTi + FeC + Al ₂ O ₃ (1)

Образующийся в реакционной зоне легированный сплав скапливается на дне формы, а другие примеси переходят в шлак.The alloyed alloy formed in the reaction zone accumulates at the bottom of the mold, and other impurities pass into the slag.

Пример конкретного выполнения способа получения легированного сплава из отходов производства. Для экспериментальной проверки предлагаемого технического решения использовали молотую железную окалину, отходы кузнечного производства, дисперсность которой определяли проходом через сито 0,16 мм, порошок алюминия АСД-1 и порошок карбида титана с дисперсностью 0,063 мм.An example of a specific implementation of the method for producing alloy alloy from industrial wastes. For experimental verification of the proposed technical solution used ground iron oxide, forging waste, the dispersion of which was determined by passing through a sieve of 0.16 mm, aluminum powder ASD-1 and titanium carbide powder with a dispersion of 0.063 mm.

Порошки дозировались в заданном соотношении на аналитических весах с точностью до 0,001 г, механически смешивались всухую в атмосфере воздуха в смесителе типа «пьяная бочка» партиями по 200 г в течение 4 часов. Полученные образцы шихты загружали в керамические формы и инициировали реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с помощью кратковременного теплового импульса. Под действием тепла химической реакции, необходимого для плавления образцов шихты из смеси железной окалины, порошков алюминия и карбида титана, происходило плавление легированного сплава в режиме горения.The powders were dosed in a predetermined ratio on an analytical balance with an accuracy of 0.001 g, mechanically mixed dry in an air atmosphere in a drunk barrel mixer in batches of 200 g for 4 hours. The obtained samples of the charge were loaded into ceramic molds and initiated the reaction of self-propagating high-temperature synthesis using a short-term thermal pulse. Under the influence of the heat of the chemical reaction necessary for melting the samples of the mixture from a mixture of iron oxide, powders of aluminum and titanium carbide, the alloy was melted in the combustion mode.

Реакция (1) протекала бурно с достаточной температурой и количеством тепла, чтобы вступил в реакцию карбид титана. Температура, скорость горения, количество выделяемой теплоты при реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза были достаточными для получения по заявляемой технологии легированного сплава. Жидкий металл выливали в металлическую форму. Оксид алюминия и другие примеси переходили в шлак. Получали комплексный металлический слиток сплава ферротитана, карбида железа и оксида алюминия с твердостью до 55 HRC. Выход годного слитка составил 50%. Легированный сплав, изготовленный по заявляемой технологии, можно использовать без дополнительной термообработки в качестве напайки для повышения стойкости ударного или режущего инструмента.Reaction (1) proceeded vigorously with sufficient temperature and amount of heat so that titanium carbide reacted. The temperature, burning rate, and the amount of heat released during the reaction of self-propagating high-temperature synthesis were sufficient to obtain a doped alloy according to the claimed technology. The liquid metal was poured into a metal mold. Alumina and other impurities passed into the slag. A complex metal ingot of an alloy of ferrotitanium, iron carbide and alumina with a hardness of up to 55 HRC was obtained. The yield of the ingot was 50%. Alloyed alloy made by the claimed technology can be used without additional heat treatment as a solder to increase the resistance of a percussion or cutting tool.

Таким образом, использование предлагаемого способа получения легированного сплава железа из отходов производства обеспечивает получение сплава заданного состава с определенными свойствами при высокой твердости, полноту утилизации производственных отходов, улучшение экологической обстановки, достаточно низкий расход электроэнергии, сокращает длительность процесса до 20-120 сек, снижает стоимость готовой продукции вследствие отсутствия дополнительной термообработки для получения высокой твердости.Thus, the use of the proposed method for producing a doped alloy of iron from industrial wastes provides an alloy of a given composition with certain properties at high hardness, completeness of utilization of industrial wastes, improvement of the environmental situation, fairly low energy consumption, reduces the duration of the process to 20-120 sec, reduces the cost finished products due to the lack of additional heat treatment to obtain high hardness.

Claims

A method of producing a doped iron alloy from waste products, including mixing iron oxide in an amount of 74-76 wt.% And aluminum powder to obtain a thermite mixture, loading and melting the iron alloy with self-propagating high-temperature synthesis, characterized in that titanium carbide is introduced in the amount equal to 15-20% of the mass of the thermite mixture, and aluminum powder is used in an amount equal to the difference in mass of the thermite mixture and iron oxide.