Инновационная технология изготовления стального порошка Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.19

В.Е. Овсянников, канд. техн. наук, (3522-56-10-33), [email protected] (Россия, Курган, КГУ),

В.А. Фролов, канд. техн. наук, (3522-41-10-12), у1к9 [email protected] (Россия, Курган, КГУ),

Ю.Г. Гуревич, д-р техн. наук, проф., (3522-41-10-12), [email protected] (Россия, Курган, КГУ)

ИННОВАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАЛЬНОГО ПОРОШКА

Рассмотрены теоретическое обоснование и вопросы практической реализации новой технологии изготовления стального порошка на основе диффузионного окисления порошка серого чугуна при взаимодействии с железной окалиной при нагреве.

Ключевые слова: окалина, стальной порошок, чугун, диффузионное окисление.

Стальной порошок широко используется в порошковой металлургии, однако традиционные методы его получения [1] достаточно сложные в своей технической реализации, т.к. они основаны на использовании печей со специальной атмосферой (отжиг порошка производится в среде водорода), кроме того, процесс отжига порошка занимает значительное время. Широко известно то, что проблема переработки стружки является довольно существенной в практике машиностроения, и имеющиеся на сегодняшний день технические решения в данной области зачастую экономически нерентабельны.

Целью настоящей работы является разработка простой, надежной и экономически эффективной технологии изготовления стального порошка, основанной на применении отходов металлообрабатывающей промышленности.

В работе [2] было установлено, что содержащая кислород сталь при нагреве без доступа воздуха склонна к сильному поверхностному обезуглероживанию, причем в процессе обезуглероживания большое участие принимает кислород, входящий в состав включений ^еО). Исходя из этого, было сделано предположение, что в случае нагрева порошка чугуна в контакте с железной окалиной будет происходить окисление углерода, марганца и кремния, входящего в состав основы чугуна.

С целью теоретического обоснования возможности осуществления процесса был произведен термодинамический анализ взаимодействия элементов основы чугуна с железной окалиной. В системе должны протекать следующие реакции:

^]т + 2FeOт = SiO2т + 2Feт, (1)

^еО)т + [Мп]т = Feт + (МпО)т, (2)

FeOт + [С]т = Feт + СОг. (3)

314

Выражения для определения значений констант равновесия для реакций (1) - (3) имеют вид [3]

18К1 = \yT_2 _ 2,317, (4)

1В K 2 = 6^ - 0,496, (5)

1В K 3 =- + 7,849. (6)

Результаты расчета термодинамической вероятности окисления элементов основы чугуна в контакте с железной окалиной при температурах 1173... 1373 К приведены в табл. 1.

Таблица 1

Термодинамическая вероятность окисления элементов основы чугуна

№ реакции Т, К 18 K ДG, Дж/моль

1 1173 14,416 -3.23105

1273 13,102 -3.19105

1373 11,979 -3.15105

2 1173 4,934 -1.11105

1273 4,507 -1.09105

1373 4,143 -1.08105

3 1173 1,236 -2.77-104

1273 1,755 -4.27104

1373 2,199 -5.77-104

Как можно видеть из табл. 1, значения энергии Гиббса (ДG) имеют большие отрицательные показатели для всех рассматриваемых реакций в заданном диапазоне температур.

Полученные данные были проверены экспериментально. Для экспериментов был использован порошок серого чугуна СЧ20 (химический состав чугуна, %: С-3,6; Si-2,2; Мп-0,7; S-0,12; Р-0,15). Исходный порошок был получен измельчением чугунной стружки, полученной в производственных условиях в шаровой мельнице и предварительным отжигом в течение 30 мин с целью удаления смазочно-охлаждающей жидкости.

Порошки окалины и серого чугуна с размерами частиц 8ср < 0,063 мм в течение 15 мин смешивались в шаровой мельнице, помещались в контейнер и нагревались до температур 1173...1373 К. Содержание углерода, марганца и кремния в сплаве после выдержки 4 и 8 часов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Содержание углерода, марганца, кремния в сплаве

Т, К т, ч С,% Мп,% Si,%

1173 8 0,137 0,18 1,9

1273 4 0,100 - -

1273 8 0,022 0,12 1,5

1373 4 0,015 - -

1373 8 0,014 0,12 1,4

Как следует из приведенного расчета, кремний, марганец и углерод могут практически полностью окисляться окалиной и превращать чугун в сталь. Механизм процесса состоит в том, что диффундирующий вглубь кислород окисляет диффундирующие ему навстречу марганец, кремний и углерод. Эксперименты показали, что содержание углерода после окисления соизмеримо с равновесным, а содержание марганца и кремния гораздо больше равновесного. Результаты эксперимента подтвердили, что поверхность чугуна может превратиться в углеродистую сталь.

Вывод

Разработанный способ окисления элементов основы серого чугуна и основанная на этом сравнительно простая технология получения стального порошка открывают новые возможности расширения области использования отходов металлообрабатывающей промышленности с целью подготовки исходного сырья для порошковой металлургии. Результаты определения технико-экономических характеристик разработанной технологии, проведенные в работе [4], показывают, что предлагаемые решения более чем на 50 % эффективны по сравнению с существующими аналогами.

Работа представлена на Международной Интернет-конференции по металлургии и металлообработке, проведенной ТулГУ 1 - 30 июня 2011 г.

Список литературы

1. Способ подготовки порошка на основе железа: патент 2196659 Рос. Федерация.

2. Гудремон Э. Специальные стали. Т.1 пер. с нем. М.: Научно-техн. изд-во. по черной и цветной металлургии, 1959. 952 с.

3. Германюк Н.В. Термодинамический анализ процесса хлорирования окислов железа и хрома // Теория и технология процессов порошковой металлургии. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1978. С.37-41.

4. Гуревич Ю.Г., Овсянников В.Е., Фролов В.А. Разработка инновационной технологии поверхностного упрочнения деталей из серого чугуна // Инновационные технологии в автоматизированном машиностроении

316

и арматуростроении: материалы международной научно-технической конференции (Курган, 8-10 декабря 2010 г). Курган, Изд-во Курганского гос. ун-та, 2010. С. 195-201.

V.E. Ovsyannikov, V.A. Frolov, Ju.G. Gurevich

INNOVATIVE MANUFACTURING TECHNIQUES OF THE STEEL POWDER The theoretical substantiation and questions ofpractical realisation of new manufacturing techniques of a steel powder on the basis of diffusive oxidation of a powder of grey cast-iron cooperating with a ferrous dross at heating are considered Key words: dross, steel powder, cast-iron, diffusive oxidation.

Получено 26.12.11

УДК 669-1

А.Н. Тюрин, асп., (4872) 55-78-93, 1ех-опе 1 @таП.ги (Россия, Тула, ТулГУ),

С.Г.Мурат, зам. нач. производственно-технического отдела,

(4872) 45-60-87 (Россия, Тула, ОАО «Тулачермет»),

А.А. Протопопов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 33-17-85, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЧУГУНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАСПЛАВ

Рассмотрен способ получения композиционных материалов на основе передельного чугуна с использованием электромагнитного перемешивания в условиях разливочной машины. Приведены преимущества электромагнитного воздействия на расплав чугуна.

Ключевые слова: электромагнитное перемешивание, композиционные материалы, расплав чугуна, разливочная машина, мульда, наполнитель.

Главными направлениями развития современной металлургии являются исследование и разработка получения сплавов повышенного качества за счет внедрения новых технологических методов выплавки, внепеч-ной обработки, оценки качества шихтовых материалов.

Одними из наиболее набирающих популярность видов сырья для сталеплавильного производства являются композиционные материалы на основе передельного чугуна с добавлением в него при разливке наполнителя, что позволяет заранее задать целый комплекс необходимых свойств сталеплавильной шихте. Для обеспечения качества такого материала необходимо, чтобы наполнитель был равномерно распределен по всему объему слитка.