автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Регулирование процессов восстановления оксидов при получении и диспергировании металла

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Способы получения дисперсных металлических частиц восстановлением оксидов

1.2. Восстановление и спекание исходных оксидных материалов и промежуточных фаз реагирования

1.3. Влияние параметров технологического процесса на свойства дисперсных металлических частиц.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОЛУ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1, Исходные материалы и подготовка образцов.

2.2. Методы исследования процессов восстановления и ^ спекания и физико-химических свойств оксидов и дисперсных частиц металла

3. ВЗАИМОСВЯЗЬ КИНЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДОВ И СПЕКАНИЯ.

3.1. Восстановление и спекание при металлизации оленегор-ского суперконцентрата.

3.2. Кинетика уплотнения оксидных материалов.

3.3. Вязкое течение материала под действием изменяющегося поверхностного натяжения

4. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ГУБЧАТОГО ЖЕЛЕЗА

НА СВОЙСТВА ДИСПЕРГИРОВАННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ.

4.1. Оценка свойств железных порошков.

4.2. Прочность металлизованных окатышей и её изменение в ходе восстановления.

4.3. Регулирование процесса восстановления оксидов в условиях конвейерной машины.

5. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКСИДНЫХ ПЛЁНОК ПРИ СПЕКАНИИ ПОРОШКОВОЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЖ Р6М

5.1. Восстановление оксидных плёнок на частицах порошка Р6М

5.2. Кинетика процесса спекания прессовок из порошков стали Р6М

5.3. Термодинамический расчёт газовой атмосферы, являющейся равновесной по углероду к стали Р6М5.

5.4. Применение полученных результатов в опытно-промышленных условиях и разработка рекомендаций по их использованию.

6. ВЫВОДА

В решениях ХУ1 съезда КПСС определено, что одним из основных направлений развития металлургии является повышение качества металла, увеличение выпуска эффективных видов металлопродукции, внедрение безотходных и малоотходных технологий. Предусматривается резкое увеличение производства металлических порошков, в том числе восстановлением руд и концентратов, а также переработкой отходов машиностроения и станкоинструментальной промышленности.

В настоящее время в металлургических агрегатах по прямому получению металла для дальнейшего диспергирования металл получают углетермическим (на Сулинском металлургическом заводе) и комбинированным восстановлением ( на Днепровском алюминевом заводе и в НПО Тулачермет). В качестве твёрдого восстановителя используются различные виды материалов ( нефтекокс, термоштыб и др.). Газообразный восстановитель - конвертированный природный газ.

Получение диспергированного металла методом восстановления из руд требует регулирования структуры и качества металлизован-ного продукта. В первую очередь они определяются параметрами процесса металлизации и свойствами исходных оксидов. Качество продукта также в значительной мере зависит от спекаемости исходного материала и промежуточных фаз реагирования при высокотемпературных .процессах восстановления. В частности, спекание является процессом, определяющим структуру и физико-химические свойства металлизованной губки, что, в свою очередь, влияет на параметры размола и качество диспергированного металла. Поэтому, необходимо знание закономерностей спекания оксидов и металлической губки и взаимного влияния процессов спекания и восстановления друг на друга для управления формированием структуры и качества готового продукта.

Другой метод получения дисперсного металла - это дробление стружковых отходов машиностроения и инструментальной промышленности. Такой способ переработки позволяет избежать угара легирующих элементов, неизбежного при переплаве. В настоящее время дроблением стружки быстрорежущей стали и дальнейшей переработкой получаемого порошка на Ленинградском заводе "Инструмент" изготавливают резцы для станкоинструментальной промышленности. При получении и хранении порошка быстрорежущей стали частицы покрываются слоем оксидов. Знание закономерностей угле-термического восстановления оксидных слоёв при спекании прессовок даст возможность оптимизировать процесс и улучшить свойства режущего инструмента.

Настоящая работа посвящена определению параметров процессов восстановления металла из оксидов и характера влияния этих параметров на свойства получаемых дисперсных частиц железа; определению количественных связей между параметрами восстановления оксидов и процессами спекания их при высоких температурах; установлению закономерностей довосстановления вторичных оксидных плёнок и спекания металлических дисперсных частиц ( в том числе и легированных), полученных различными методами; оптимизации технологических процессов получения металлических порошков с целью повышения качества готового продукта и увеличением производительности промышленных агрегатов.

Результаты работы показали, что наибольшие скорости металлизации достигаются при оптимальном соотношении интенсивнос-тей химических цроцессов и спекания исходных материалов и промежуточных фаз реагирования. Установлена аналитическая связь между параметрами восстановления и спекания. Разработаны оптимальные условия довосстановления и спекания окисленных с поверхности порошков быстрорежущей стали. Разработан метод определения кинетических констант материала и скорости процесса спекания, что позволяет регулировать структуру металлической губки и качество металлизованного цродукта. Установлено влияние физико-химических свойств дисперсных частиц железа на качество прессованных и спечённых изделий из них.

На основании результатов исследований усовершенствована технология цроцесса довосстановления оксидных плёнок и спекания прессовок из дисперсных частиц быстрорежущей стали Р6М5 цри получении заготовок режущего инструмента.

выводы

1. Экспериментами на конвейерной машине (КМ) и дилатометрическими измерениями, установлено, что наибольшие скорости металлизации достигаются при оптимальном соотношении интенсив-ностей химических процессов и спекания магнетита, вюстита и плёнки свежевосстановленного желаза. j/

2, На основе решения уравнений теории спекания В.А. Ивен-сена разработан метод определения кинетических констант и скорости процесса спекания исходных и промежуточных фаз реагирования. Разработанный метод позволяет регулировать структуру губки и качество металлизованного продукта.

6. Установлено, что соотношение интенсивностей металлизации на конвейерной машине и спекания наиболее эффективно регулируется скоростью движения ленты и распределением-температур по камерам конвейерной машины.

4. Установлено, что дисперсия, математическое ожидание рас-спределения частиц по размерам и фактор формы частиц являются определяющими характеристиками технологических свойств порошков и механических свойств изделий из них.

5. Установленные корреляции позволяют по параметрам железного порошка прогнозировать свойства изделий из него.

6. Установлена гиперболическая зависимость прочности метал-лизованных окатышей от их пористости, с учётом фазового состава форш и размера частиц. Полученная зависимость даёт возможность контролировать изменение прочности по параметрам процесса спекания.

7. Установлена аналитическая связь (для одноступенчатого восстановления) между параметрами восстановления и спекания, определяемая выражением: обозначения даны в тексте)

8. Разработаны оптимальные условия довосстановления и спекания окисленных с поверхности порошков быстрорежущей стали. Показано, что восстановление оксидной плёнки идёт в две стада! при 630° - 800°С и начиная с 950°С) оптимальной температурой является 1175° и оптимальном скоростью нагрева 20°/глин; при этом достигается максимальная конечная плотность спечённых изделий при максимальном удалении кислорода.

9. Предложенный режим довосстановления и спекания окисленных частиц быстрорежущей стали внедрён на заводе "Инструмент", что позволило оптимизировать технологию и увеличить ресурс работы резцов в 1,6 раза. Годовой экономический эффект при этом составил 72 тыс. рублей.

1. Банков А.А. Восстановление и окисление металлов. Металлург, 1926,с.5 - 24,

2. Гельд П.В., Алямовский С.И., Матвиенко И.И. Уточнение области применимости принципа последовательных превращений А.А.Байкова. В кн.:Физико-химические основы производства стали.-М.: Изд. АН СССР,1961,с.16-21.

3. Z. у. Sojc/astafy, XZe efSsw

4. Ser3 '/t -/te/ab&eep A/evSbrstr. ■ p. 576*.

5. Рыжонков Д.И. Механизм и кинетика взаимодействия окислов железа с углеродом.-Веб.:Научные труды МИСиС № 134.Кинетические закономерности восстановления окисных систем.-41.: Металлургия,I960с.4-11.

6. Радомысельский И.Д, Технологические процессы производства железных и легированных порошков, применяющихся в СССР. В кн.: Современные проблемы порошковой металлургии.-К.: Наукова думка, I970,c.2I 38.

7. Сасковей В.М., Сучков А.Б. Эффективность применения в машиностроении некоторых изделий из металлических порошков. В сб.: Прямое получение железа и порошковая металлургия.-М.: Металлургия, 1978, JB 4, с.78-81.

8. Дьяченко А.В. и др. Экономическое обоснование новых методов и способов получения металлических порошков. УкрНИИНТИ, 1975,6с.

9. Дьяченко А,В. Экономический эффект производства и применения изделий конструкционного и антифрикционного назначения из металлических порошков. Киев. УкрНИИНТИ,1973,5с.

10. Джонс В.Д. Основы порошковой металлургии. Производство металлических порошков.М.:Мир,1964,224 с.

11. Францевич И.Н. ,Радомысельский И.Д.- В кн.:Порошковая металлургия, Ярославль,1956,с,129-152.

12. Махорин К.Е., Тищенко А.Т. Высокотемпературные установки с кипящим слоем.М.Техника,1966,230.с.

13. Князев В.Ф.,Геммельфарб А.И.,Неменов A.M. Бескоксовая металлургия железа.М.: Металлургия,1972,270с.

14. Кожевников И.Ю. Бескоксовая металлургия железа.-М.: Металлургия, 1970,336с.

15. Нечипоренко О.С. Восстановление порошков железных руд в кипящем слое.К.:Наукова думка,1966,272с.

16. Мс /Геи/asr к/.~ JbasfS. /*/&т< S<p<?. J/W^рр зо-^е.18. st/.C., Тес А.1. Л//SO9.20 A/., stS: /Vcs&t'*?^

17. Рыжонков Д.И.,Колчанов В.А.,Костырев С.Б., Бондарчук В.И. Особенности восстановления окислов железа в вихревом магнитном поле.-Известия ВУЗов.Чёрная металлургия,1981, J5 II, с.II 14.

18. Рыжонков Д.И.,Колчанов В.А. Достьгрев С.Б. Восстановление гематита во вращающемся магнитном поле.-В сб.: Научные труды МИСи( № 149. Физико-химические исследования процессов восстановления окисных систем.-М.: Металлургия,1983,с.32-36.

19. Акименко В.Б.,Буланов В.Я.,Рукин В.В. и др. Железные порошки. Технология, состав, структура, свойства, экономика.М.: Наука, 1932, 264с.

20. Нечипоренко О.С. Современные методы производства металлических порошков.- Порошковая металлургия, 1979, .'> 9,1-10.

21. Строковский Л.Х. Производство железных порошков за рубежом.-Бюллетень института Черметинформация,1970,}£ 4, с.3-13.

22. Похвиснев А.И., Кожевников И.Ю.,Спектор А.Н,, Ярко Е.Н.,Внедо-менное получение железа за рубежом.-М.: Металлургия,1964,31с.a?/ Jsw jzfrwa&s- ^м^е ^г/

23. Тимошенко Н.Н. Прямое восстановление железных руд.-ВШГТИ АН СССР, 1959,с.17-20.29. IS//, /Zee^^:Я:, ^- ^ S.

24. Бондаренко Б.И. Восстановление окислов металлов в сложных газовых системах.К.: Наукова думка,1980,386с.

25. Князев В.Ф., Лурье И.Л.,Тимошенко II,И. Технология производства и качество железного порошка Сулинсиого металлургического завода. -В кн.: Порошковая металлургия, Ярославль, 1956.

26. Князев В.Ф.,Крашенинников Е.А.-В кн.: Порошковая металлургия.-Минск.: Высшая школа,1966,59 63.

27. Тимофеев Е.П.Дратепшшников Е.А.-В кн.:Порошковая металлургия. Мин ск.: Высшея школа,1966 , 51-5 9.

28. Галушкина Е.Д.Итоги производства губчатого железа и железногопорошка на СМЗ. -Бюллетень ЦНИИЧМ,1958, '/> 18,с. 50-51.

29. Князев В.Ф.,Лурье К.Л.,Тимошенко Н.Н.,Галушкина Е.Д. Производство железного порошка с использованием твёрдого восстановителя. В кн.: Порошковая металлургия.М.: Металлургия, 1970,с.42-44.

30. Францевич И.Н., Р адомы с ельский И.Д. Бюллетень института Черметинформация, 1958,18, с46-48.

31. Дешко В.Г., Попиченко Э.Я., Куранцева В.Г. Технология получения .железных порошков на БЗПМ. Порошковая металлургия, 1967, J2 8, с.89-96.

32. Матвеев В.А., Филимонцев Д.П., Радомысельский И.Д., Францевич И.Н. Порошковая металлургия, 1964, J3 6, с.89-95.

33. Острик П.Н., Артеменко С.А., Попов А.Н., Колесник Н#Ф. Комбинированное восстановление железной окалины в вертикальных муфельных печах непрерывного действия. Порошковая металлургия, 1966, гё 12, с.1-8.

34. Могутнов Б.М., Томилин И.А., Шварцман Л.А. Термодинамика желе-зоуглистых расплавов.М.: Металлургия, 1972, 828 с,

35. Острик П.Н., ^остовцев С.Т. Термодинамика процессов окисления и науглероживания металла в системе Те -<?-// с.-в кн.: Термическая и химико-термическая обработка в порошковой металлургии, К.: Наукова душа, 1969,с. 16-32.

36. Поздняк Н.З. Порошковая металлургия на Украине. -Вестник машиностроения, 1964, В 12,с.79-80.

37. Сорин С.Б. Закономерности получения легированного продукта присовместном восстановлении оксидов.Дисс.на соиск. канд.степ.-м 1982,250с.

38. Андрюшин В.И., Чупигина В.В.,Левина В.В. Комбинированное восстановление богатых железнорудных концентратов.-В ст.:Научные труды МИСиС J' 149. Физико-химические исследования процессов восстановления окисных систем.-М. :Металлургия, 1983, с.24-29.

39. Гачегов В.И.,Жбанов А.М.,Макуров А.В. и др. Способы производства железных порошков, выпускаемых НПО Тулачермет их сравнительные характеристики. -Порошковая металлургия,1979, В 3,с. 79-82.48. //игМ?1/е/1 Т. Tw/7 /?<?*/&£/* /^е~ /?/>ese/r/~ /и^е . ^У^ ^

40. Zust/eV /Ve/. /Р^ £ ■ So Wes-A^e, /у? &T-SY

41. Вегман Е.Ф. Теория и технология агломерации.М.: Металлургия, 1974,288с.

42. Гегузин Я.Е. Физика спекания.М.: Наука,1967,360с.

43. Su//H£e& cYs/f/y ^ .у/жс&гсУ ге^^У62. f/st./ezssty -/ tsfa*^ ^^ st/J-^/o63. ^Л?у y?/ Mats64. ***** PS&bdfo, ж*Л758.