Способ выплавки чугуна и способ выплавки стали

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНА И СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Автор Гарост Александр Иванович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) 1. Способ выплавки чугуна, включающий загрузку шихтовых материалов, плавление,введение в расплав легирующих и модифицирующих присадок, в том числе углеродсодержащих, и скачивание побочного продукта, отличающийся тем, что в качестве присадок в расплав вводят помещенные в закрытые емкости из сплавов черных металлов, Фиг. 1 11641 1 2009.02.28 скрепленные в брикеты биологически поврежденные или подвергнутые старению материалы из пластических масс или помещенные в закрытые емкости из сплавов черных металлов, скрепленные в брикеты непригодные к регенерации эластомеры, при этом соотношение материалов из пластических масс к массе расплава составляет 1(20-45), а соотношение непригодных к регенерации эластомеров к массе расплава составляет 1(15-35). 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пластических масс используют не склонные к образованию кокса при термической деструкции полиолефины, алифатические полиамиды или склонные к образованию кокса полифенилены, полиимиды, полибензимидазолы. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве эластомеров используют силиконовые, акриловые резины, резины на основе этиленпропиленовых, хлоропреновых, полисульфидных каучуков, бутилкаучуков, полиуретаны, а также резинотехнические изделия, содержащие корд, проволоку. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скачивание побочного продукта, а именно технического углерода, осуществляют в отдельные емкости. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в брикеты дополнительно вводят оксиды, ,ипри их соотношении к массе биологически поврежденных или подвергнутых старению пластических масс или к массе непригодных для регенерации эластомеров около 1,41. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в брикеты дополнительно вводят отходы в виде окалины, получаемой при термообработке, и/или шлифовочных отходов при соотношении отходов к общей массе шихтовых материалов (0,5-0,8)1 и в качестве связующего вводят цемент. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в брикеты дополнительно вводят оксиды металлов, окалину и шлифовочные отходы. 8. Способ выплавки стали, включающий загрузку шихтовых материалов, плавление,введение в расплав легирующих и модифицирующих присадок, в том числе углеродсодержащих, и скачивание побочного продукта, отличающийся тем, что в качестве присадок в расплав вводят помещенные в закрытые емкости из сплавов черных металлов,скрепленные в брикеты биологически поврежденные или подвергнутые старению материалы из пластических масс или помещенные в закрытые емкости из сплавов черных металлов, скрепленные в брикеты непригодные к регенерации эластомеры, при этом соотношение материалов из пластических масс к массе расплава составляет 1(70-300), а соотношение непригодных к регенерации эластомеров к массе расплава составляет 1(45-200). 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в качестве пластических масс используют не склонные к образованию кокса при термической деструкции полиолефины, алифатические полиамиды или склонные к образованию кокса полифенилены, полиимиды, полибензимидазолы. 10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в качестве эластомеров используют силиконовые, акриловые резины, резины на основе этиленпропиленовых, хлоропреновых, полисульфидных каучуков, бутилкаучуков, полиуретаны, а также резинотехнические изделия, содержащие корд, проволоку. 11. Способ по п. 8, отличающийся тем, что скачивание побочного продукта, а именно технического углерода, осуществляют в отдельные емкости. 12. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в брикеты дополнительно вводят оксиды, ,ипри их соотношении к массе биологически поврежденных или подвергнутых старению пластических масс или к массе непригодных для регенерации эластомеров около 1,41. 2 11641 1 2009.02.28 13. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в брикеты дополнительно вводят отходы в виде окалины, получаемой при термообработке, и/или шлифовочных отходов при соотношении отходов к общей массе шихтовых материалов (0,5-0,8)1 и в качестве связующего вводят цемент. 14. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в брикеты дополнительно вводят оксиды металлов, окалину и шлифовочные отходы. Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам легирования и модифицирования сталей и чугунов, когда в качестве добавок применяются непригодные к переработке углеродсодержащие органические высокомолекулярные полимерные материалы синтетического происхождения, которые в огромных количествах находятся на свалках и наносят значительный экологический вред природе. Так, например, масса непереработанных автомобильных шин на свалках Республики Беларусь составляет 400 тыс. тонн, причем ежегодное прибавление составляет около 60 тыс. тонн. Значительная часть изделий из углеродсодержащих органических высокомолекулярных полимерных материалов содержит текстильные или металлические армирующие материалы. В качестве примера можно привести современную автомобильную шину, в которой текстильные материалы (корд) составляют 15-35 массы. Совсем не пригодны для изготовления регенерата высокополимерные материалы, подвергавшиеся сильному старению, особенно под действием солнечных лучей и атмосферных условий, т.е. затвердевшие, хрупкие. Нерационально подвергать регенерации также изделия, содержащие много текстиля и мало полимера. В то же время по своему химическому составу непригодные к переработке изделия из высокомолекулярных полимерных материалов могут стать перспективной добавкой при выплавке черных металлов (сталей и чугунов) и явиться эффективным заменителем дорогостоящих легирующих и шлакообразующих добавок. Основными способами утилизации изделия из высокомолекулярных полимерных материалов, например автомобильных покрышек, а также иных отходов, является химическая и физико-химическая переработка. Физико-химическая переработка направлена на вторичное использование отходов - производство новых изделий, но этот путь сопряжен с высокими производственными затратами, к тому же зависит от качества исходного сырья. Химический способ переработки отходов в основном реализуется путем непосредственного сжигания полимера в топках котлов. Сжигание, например, резинотехнических отходов, особенно с примесью металлокорда и пластических масс, затруднено вследствие неоднородности их состава. В то же время дальнейшее повышение качества сталей и чугунов ограничивается рамками возможностей существующих модификаторов и может быть достигнуто только применением неклассических методов обработки расплавов. В качестве материалов, способных обеспечить достижение максимального эффекта, могут стать непригодные к регенерации высокополимерные соединения, в которых углерод находится как в химически связанном состоянии, так и в структурно свободном состоянии. В настоящее время известно множество способов переработки углеродсодержащих органических высокомолекулярных полимерных материалов синтетического происхождения. Известны способ переработки резиносодержащих отходов и установка для его осуществления 1, при котором осуществляют термодеструкцию отходов при 250-380 С в среде высококипящих углеводородов с образованием парогазовой среды и суспензии деструктированной резины, их разделение и последующее конденсирование парогазовой смеси. Перед термодеструкцией резиносодержащие отходы предварительно и последова 3 11641 1 2009.02.28 тельно обрабатывают продуктом конденсации парогазовой смеси при 35-200 С до достижения степени набухания 5-60 и суспензией деструктированной резины в высококипящих углеводородах. В результате термодеструкции выделяются следующие продукты парогазовая смесь, суспензия деструктированной резины и армирующие элементы (корд,проволока и др.). Предлагаемый процесс требует значительных энергетических затрат, применения сложного и дорогого оборудования и не находит заметного применения. Попытки же эффективного использования полученных продуктов переработки затруднены, например, применение суспензии деструктированной резины в качестве добавки к составам различных строительных и других смесей не может считаться успешным, в первую очередь, из-за нестабильности состава получаемой суспензии и соответственно низкого качества получаемых смесей. Использование других продуктов переработки (парогазовая смесь, корд, проволока и др.) затруднено или даже невозможно. Так, парогазовая смесь содержит в составе бенз(а)пирен, сажу, диоксины, фураны, полиароматические углеводороды, ПХБ, мышьяк, хром и кадмий, которые являются небезопасными с точки зрения охраны окружающей среды. К тому же состав получаемой смеси непостоянен. Применение полученной проволоки, которая в значительной степени подверглась высокотемпературному химическому окислению, даже для переплавки затруднительно, так как это отрицательно скажется на качестве выплавляемых черных сплавов (сталей и чугунов). В этом случае требуется специальная дорогостоящая подготовка проволоки для использования в качестве шихты (например, брикетирование). Корд, выделенный таким способом,не находит технического применения и поступает на те же свалки. Известны способы применения углеродсодержащих материалов для восстановительной плавки сталей. Одним из наиболее известных является способ производства высокохромистой малоуглеродистой нержавеющей стали 2, который включает восстановительную плавку необработанной или частично восстановленной хромистой руды и скрапа. В данном случае используют твердый углеродсодержащий материал в виде кусков или пудры (например,кокс) вместо электроэнергии. Процесс осуществляют в конвертере в две стадии. На 1-й стадии в жидкий металл непрерывно подают хромистую руду предварительно подогретую до температуры, не превышающей 1650 С, углеродсодержащий материал, флюс, окислительный и нейтральный газы, контролируя расход материалов таким образом, чтобы отношение объема газа, образующегося в ванне и приведенного к нормальным условиям, к общей массе жидкого металла и шлака находилось в пределах 100-2500 л/минт. На 2-й стадии добавляют углеродсодержащий материал в количестве, удовлетворяющем отношению свободный углерод/количество шлака 20 кг/т. Главным недостатком данного способа является низкая реакционная активность твердого углеродсодержащего материала (кокса), в котором углерод находится в структурно свободном состоянии. В этом случае требуются значительные временные и энергетические затраты для активации углерода и достижения его высокой реакционной способности. При таких температурах эффективно протекает только процесс косвенного восстановления металлов из оксидов с участием окиси углерода (СО), концентрация которого недостаточна. Для более полного восстановления металлов необходимо обеспечивать прямое восстановление твердым углеродом при более высоких температурах, что приведет к значительным энергетическим затратам, а именно к увеличению расхода топлива. При таком методе восстанавливается не более 60 металла, содержащегося в оксидах,что крайне мало, особенно при переработке руд с содержанием дорогих и дефицитных металлов. Процесс протекает при повышенном шлакообразовании. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому объекту является способ изменения состава шлака в ковше 3. Способ включает выплавку стали в плавильном агрегате, выпуск в ковш и после его закрытия крышкой подачу 4 11641 1 2009.02.28 на поверхность шлака из бункера графита, кокса или других углеродсодержащих материалов при одновременном подогреве с помощью плазменной горелки, опущенной через крышку. Таким методом восстанавливают для повторного использования окислительный шлак и одновременно предотвращают рефосфорацию стали в ковше. Известный способ не позволяет эффективно насыщать сталь углеродом, так как введенные углеродсодержащие материалы будут находиться на поверхности расплава, причем в виде пылевидных или мелкокусковых включений, и при практически полном отсутствии перемешивания. Для науглероживания расплава в этом случае необходимо пользоваться классическим методом, а именно разбавлением. Степень восстановления окисленного шлака в данном случае будет невысокой, что объясняется его низкой температурой и малой реакционной активностью твердого углеродсодержащего материала (кокса), в котором углерод находится в свободном состоянии. Для активации раскислительной способности углерода в данном случае применяют дорогостоящий плазменный подогрев,что приводит к значительному аппаратурному усложнению метода. Более эффективно было бы при использовании плазменного подогрева варьировать составом плазмообразующего газа вместо введения углеродсодержащих материалов. Задача изобретения - разработка высокоэффективного ресурсосберегающего способа выплавки сталей и чугунов с одновременной утилизацией непригодных к переработке углеродсодержащих органических высокомолекулярных полимерных материалов синтетического происхождения, в том числе биологически поврежденных и подвергнутых старению при воздействии климатических факторов и механических напряжений материалов из пластических масс, а также подвергнутых старению и непригодных к регенерации эластомеров, обеспечивающего пиролиз без доступа кислорода воздуха вышеуказанных материалов в расплавах черных металлов и их сплавов с одновременным получением при этом высокоэффективных модифицирующих и легирующих (микролегирующих) присадок, которые и обеспечивают в процессе пиролиза эффективное модифицирование и микролегирование чугуна, а также микролегирование и насыщение углеродом сталей,заменяющее традиционный малоэффективный способ разбавления, недостижимое при использовании традиционно применяемых дорогих и дефицитных легирующих и модифицирующих добавок, что в совокупности обеспечит повышение механических характеристик и понизит стоимость чугунного и стального литья. Для достижения технического результата в способе выплавки чугуна, включающем загрузку шихтовых материалов, плавление, введение в расплав легирующих и модифицирующих присадок, в том числе углеродсодержащих, и скачивание побочного продукта,согласно изобретению, в качестве присадок в расплав вводят помещенные в закрытые емкости из сплавов черных металлов, скрепленные в брикеты биологически поврежденные или подвергнутые старению материалы из пластических масс или помещенные в закрытые емкости из сплавов черных металлов, скрепленные в брикеты непригодные к регенерации эластомеры, при этом соотношение материалов из пластических масс к массе расплава составляет 1(2045), а соотношение непригодных к регенерации эластомеров к массе расплава составляет 1(1535). При реализации способа выплавки стали, включающего загрузку шихтовых материалов, плавление, введение в расплав легирующих и модифицирующих присадок, в том числе углеродсодержащих, и скачивание побочного продукта, согласно изобретению, в качестве присадок в расплав вводят помещенные в закрытые емкости из сплавов черных металлов, скрепленные в брикеты биологически поврежденные или подвергнутые старению материалы из пластических масс или помещенные в закрытые емкости из сплавов черных металлов, скрепленные в брикеты непригодные к регенерации эластомеры, при этом соотношение материалов из пластических масс к массе расплава составляет 1(70300), а соотношение непригодных к регенерации эластомеров к массе расплава составляет 1(45200). 5 11641 1 2009.02.28 При реализации предлагаемого способа выплавки чугуна и способа выплавки стали в качестве пластических масс используют не склонные к образованию кокса при термической деструкции полиолефины, алифатические полиамиды или склонные к образованию кокса полифенилены, полиамиды, полибензимидазолы. Способ предусматривает использование в качестве эластомеров силиконовых, акриловых резин, резин на основе этиленпропиленовых, хлоропреновых, полисульфидных каучуков, бутилкаучуков, полиуретанов, а также резинотехнических изделий, содержащих корд, проволоку. Способ также предусматривает возможность получения побочного продукта, а именно технического углерода, при этом операцию скачивания побочного продукта осуществляют в отдельные емкости. При реализации предлагаемого способа выплавки чугуна и способа выплавки стали в брикеты дополнительно вводят оксиды , ,ипри их соотношении к массе биологически поврежденных или подвергнутых старению пластических масс или к массе непригодных для регенерации эластомеров около 1,41, с использованием в качестве связующего цемента. Способ предусматривает ввод в брикеты дополнительно отходов в виде окалины, получаемой при термообработке, и/или шлифовочных отходов при соотношении отходов к общей массе шихтовых материалов (0,50,8), с использованием в качестве связующего цемента. В брикеты предусматривается одновременный ввод оксидов металлов, окалины и шлифовочных отходов с использованием в качестве связующего цемента. Способ выплавки стали и чугуна во всех приведенных выше вариантах его реализации благодаря применению легирующих и модифицирующих присадок с оптимальным химическим и структурным составом, в которых углерод содержится как в химически активном (находящимся в химически связанном состоянии в составе органических соединений,которые подвергаются пиролизу в расплаве при относительно невысокой температуре),так и в структурно свободном состоянии (находящимся в виде сажи в резинотехнических изделиях или в виде кокса, образующегося при термической деструкции полимеров и получающего высокую реакционную способность при температуре, превышающей 1200 С) обеспечивает модифицирующий эффект по двум направлениям. На первом этапе в процессе пиролиза органических высокомолекулярных полимерных материалов углерод, который находится в химически связанном состоянии, мгновенно получает высокую реакционную способность и, образуя ионы С 4, обеспечивает модифицирование расплава. На втором этапе по мере активации структурно свободного углерода, находящегося в виде сажи, и других элементов присадки (, , , , ) усиливается эффективность графитизирующего модифицирования, при этом одновременно присутствует и легирующий эффект. Разработанный способ предполагает использование в качестве легирующих и модифицирующих присадок непригодных к регенерации углеродсодержащих органических высокомолекулярных полимерных материалов синтетического происхождения, которые благодаря присутствию в составе активных добавок изменяют степень дисперсности и морфологию фазовых составляющих чугунов и сталей и обеспечивают в том числе условия для эффективного науглероживания стали. Соответственно фазовым и структурным превращениям существенно изменяются в положительную сторону механические, технологические и служебные свойства выплавленных сплавов. Анализ известных способов выплавки стали и чугуна показал, что признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, представляют собой новую совокупность признаков, так как при анализе не выявлено вариантов использования в качестве легирующих и модифицирующих присадок углеродсодержащих органических высокомолекулярных полимерных материалов синтетического происхождения, когда положительное влияние добавок на качество сплавов реализуется по сложному механизму модифицирования, при котором формируются соединения различной степени устойчивости,способные самостоятельно или в результате последующего своего распада играть роль зародышей фазы. Применение неклассических методов обработки, когда реализация ре 6 11641 1 2009.02.28 сурсосберегающего способа выплавки стали и чугуна обеспечивается использованием биологически поврежденных и подвергнутых старению и непригодных для переработки материалов из пластических масс и непригодных к регенерации эластомеров, позволяет решать одновременно задачу как утилизации данных материалов, так и выплавки высококачественных сплавов, в том числе с применением в качестве шихтовых материалов оксидов металлов, окалины и шлифовочных отходов, что не может быть достигнуто известными способами. Таким образом, отсутствие в известных аналогах отличительных признаков заявляемого способа выплавки стали и чугуна свидетельствует о его соответствии критерию изобретательский уровень. В результате обеспечения оптимальности технологии выплавки и реализации вышеуказанного механизма взаимодействия легирующих и модифицирующих присадок из углеродсодержащих органических высокомолекулярных полимерных материалов гарантируется высокая эффективность утилизации отходов данных материалов, обеспечиваются недостижимый другими способами модифицирующий и легирующий эффект, высокие механические и технологические характеристики выплавляемых сплавов, возможность переработки других отходов машиностроительных предприятий (окалины, шлифовочных отходов), технологий полезного использования которых практически нет. Изобретение поясняется фиг. 1-8, показывающими структуру выплавленных сплавов в соответствии с примерами. Изобретение поясняется примерами. Пример 1. Плавка проводилась в высокочастотной индукционной печи на кислой футеровке (емкость тигля 50 кг). В тигель в качестве шихты загружался чугун (масса загрузки 31,25 кг). После расплавления заливались в сырые земляные формы образцы (стержни диаметром 25 мм и длиной 200 мм), из которых готовились образцы для химического анализа, механических испытаний и исследования структуры. Состав исходного чугуна и его механические характеристики приведены в табл. 1. Структура исследуемых чугунов изучалась в соответствии с ГОСТ 3443-87. При определении графита оценке подлежат форма, распределение, размеры и количество включений. При определении металлической основы оценке подлежат вид структуры, форма перлита, количество перлита и феррита, дисперсность перлита. Исследование графита проводили на нетравленых шлифах, а металлической основы на шлифах после травления. Для травления поверхности шлифа применяли реактив следующего состава 4 мл 3 (плотность 1,4 г/см 3) и 96 мл этилового спирта. Для определения структуры чугуна шлифы просматривали под микроскопом при следующих увеличениях общего представления о структуре - при увеличении от 10 до 200 раз формы, характера распределения, размеров включений и количества графита - при увеличении в 100 раз типа металлической основы - при увеличении в 500 раз количества перлита и феррита - при увеличении в 100 раз дисперсности пластинчатого перлита - при увеличении в 500 раз. Оценка структуры чугуна в соответствии с ГОСТ 3443-87 производилась визуально сопоставлением структуры, видимой в микроскопе, со структурой соответствующей шкалы. Структура исходного чугуна (до ввода модификатора) приведена на фиг. 1 (металлографические исследования (поз. 1 и поз. 2) исследования методом сканирующей электронной микроскопии (поз. 3 и поз. 4), поз. 1 - нетравленый, 100 поз. 2 - травленый,500 поз. 3 - травленый, 100 поз. 4 - травленый, 3000). Характеристики структурных составляющих исходного чугуна приведены в табл. 2. Расплавленный исходный чугун подвергался модифицированию полимером Полиамид 66 (представитель группы не склонных к образованию кокса при термической дест 7 11641 1 2009.02.28 рукции алифатических полимеров), при этом полимер вводился в виде брикетов, помещенных в закрытые металлические емкости из черных сплавов с отверстиями в крышке. Подача емкостей в расплав проводилась дном кверху. Масса введенного модификатора составляла 1,56 кг, что соответствует соотношению 120 к массе расплава. После модифицирования, как и в случае с исходным чугуном, заливались в сырые земляные формы образцы(стержни диаметром 25 мм и длиной 200 мм), из которых готовились образцы для химического анализа, механических испытаний и исследования структуры. Таблица 1 Результаты исследований по вводу отходов углеродсодержащих органических высокомолекулярных полимерных материалов синтетического происхождения в серый чугун Химический состав, мас.плавки-0,0205 Состав чугуна после ввода 1,56 кг модификатора (полимера Полиамид 66) и его механические характеристики приведены в табл. 1 (плавка 1). Структура чугуна после ввода 1,56 кг модификатора (полимера Полиамид 66) приведена на фиг. 2 (поз. 5 - нетравленый образец (100), поз. 6 - травленый (100), поз. 7 травленый (500, а характеристики структурных составляющих - в табл. 2 (плавка 1). Примеры модифицирования чугунов другими не склонными к образованию кокса при термической деструкции алифатическими полимерами - полиолефинами - идентичны примеру 1, так как по составу (отклонение по содержанию элементов не превышает 5 ) и по механизму модифицирующего эффекта они принципиально не отличаются. Пример 2. Проводилась плавка чугуна в полном соответствии с примером 1. Масса исходной шихты аналогичного химического состава составляла 31,32 кг. Расплавленный исходный 11641 1 2009.02.28 чугун подвергался модифицированию полимером Полиимид (представитель группы склонных к образованию кокса при термической деструкции полимеров ароматической и гетероциклической структуры), при этом последний вводился в виде брикетов, покрытых материалом, имеющим твердое состояние в эксплуатационном виде и медленно растворяющимся в расплавленной стали, а именно раствором на основе цемента и кремнезема. Масса введенного модификатора составляла 0,7 кг, что соответствует соотношению 145 к массе расплава. Состав чугуна после ввода модификатора Полиимид и его механические характеристики приведены в табл. 1 (плавка 2). Пример 3. Проводилась плавка чугуна в полном соответствии с примером 1. Масса исходной шихты аналогичного химического состава составляла 31,1 кг. Расплавленный исходный чугун подвергался модифицированию полимером Полибензоиленбензимидазол (представитель группы склонных к образованию кокса при термической деструкции полимеров ароматической и гетероциклической структуры), при этом полимер вводился в виде брикетов, помещенных в закрытые металлические емкости из черных сплавов с отверстиями в крышке. Подача емкостей в расплав проводилась дном кверху. Масса введенного модификатора составляла 1,03 кг, что соответствует соотношению 130 к массе расплава. Состав чугуна после ввода 1,03 кг модификатора (полимера Полибензоиленбензимидазол) и его механические характеристики приведены в табл. 1 (плавка 3). Структура чугуна после ввода 1,03 кг модификатора (полимера Полибензоиленбензимидазол) приведена на фиг. 3 (поз. 8 - нетравленый образец, поз. 9 - травленый (100),поз. 10 - травленый (500), а характеристики структурных составляющих - в табл. 2 (плавка 3). Примеры модифицирования чугунов другими склонными к образованию кокса полимерами ароматической и гетероциклической структуры - полифениленами - идентичны примерам 2 и 3, так как по составу (отклонение по содержанию элементов не превышает 4 ) и по механизму модифицирующего эффекта они принципиально не отличаются. Таблица 2 Результаты исследований структуры чугуна, в который добавлялись отходы углеродсодержащих органических высокомолекулярных полимерных материалов синтетического происхождения Распреде- Количест- Тип струкФорма Длина Дисперс- Количестление во вклю- туры метал включений включений ность во перлита плавки включений чений лической графита графита перлита и феррита графита графита основы пласт. пря- ПГд 180 Пт 1 Пд 0,5 П 70 Исходн. молиней- (есть места ПГр 1 ПГ 10 Ф Пд 1,0 11641 1 2009.02.28 Пример 4. Проводилась плавка чугуна в полном соответствии с примером 1. Масса исходной шихты аналогичного химического состава составляла 31,25 кг. Расплавленный исходный чугун подвергался модифицированию непригодным к регенерации эластомером, в качестве которого использовались резинотехнические изделия на основе бутилкаучуков. Изучение рецептуры и химического состава каждого из компонентов таких изделий показало,что в резиновой составляющей содержится около 35,7 химически связанного углерода,30,7 структурно свободного углерода в виде сажи, 17,2 водорода, 1,5 серы, 1,6 цинка, а также включения меди, титана, алюминия, кобальта, свинца, железа и других металлов. Взвешенные в необходимой пропорции куски резинотехнического изделия вводились в виде брикетов, помещенных в закрытые металлические емкости из черных сплавов с отверстиями в крышке. Подача емкостей в расплав проводилась дном кверху. Масса введенного модификатора составляла 2,08 кг, что соответствует соотношению 115 к массе расплава. Перед разливкой модифицированного чугуна проводилось скачивание шлака. В данном случае после остывания шлак состоит из 100 технического углерода, при этом в шлаковойсоставляющей отсутствуют оксиды металлов. Для очистки полученного технического углерода требуется только просеивание от инородных включений, которые случайно могли попасть в состав шлаковой массы. Масса полученного высококачественного технического углерода составила 380 г. Состав чугуна после ввода модификатора Полиимид и его механические характеристики приведены в табл. 1 (плавка 4). Пример 5. Проводилась плавка чугуна в полном соответствии с примером 4. Масса исходной шихты аналогичного химического состава составляла 31 кг. Расплавленный исходный чугун подвергался модифицированию непригодным к регенерации эластомером, состав которого приведен в примере 4, при этом модификатор вводился в виде брикетов, покрытых материалом, имеющим твердое состояние в эксплуатационном виде и медленно растворяющимся в расплавленной стали, а именно раствором на основе цемента и кремнезема. Масса введенного модификатора составляла 0,88 кг, что соответствует соотношению 135 к массе расплава. Перед разливкой проводилось скачивание шлака, который после охлаждения представляет собой черную спекшуюся массу из графита и оксидов. Состав чугуна после ввода модификатора Полиимид и его механические характеристики приведены в табл. 1 (плавка 5). Пример 6. Проводилась плавка чугуна в полном соответствии с примером 4. Масса исходной шихты аналогичного химического состава составляла 31,3 кг. Расплавленный исходный чугун подвергался модифицированию непригодным к регенерации эластомером, состав которого приведен в примере 4. Взвешенные в необходимой пропорции куски шины вводились в виде брикетов, помещенных в закрытые металлические емкости из черных сплавов с отверстиями в крышке. Подача емкостей в расплав проводилась дном кверху. Масса введенного модификатора составляла 1,3 кг, что соответствует соотношению 124 к массе расплава. Перед разливкой модифицированного чугуна проводилось скачивание шлака. Масса полученного высококачественного технического углерода составила 156 г. Состав чугуна после ввода данного количества модификатора и его механические характеристики приведены в табл. 1 (плавка 6). Структура чугуна после ввода 1,3 кг модификатора приведена на фиг. 4 (поз.11 - нетравленый образец (100), поз. 12 - травленый (100), поз. 13 - травленый (500, а характеристики структурных составляющих - в табл. 2 (плавка 6). 10 11641 1 2009.02.28 Пример 7. Проводилась плавка чугуна в полном соответствии с примером 4. Масса исходной шихты аналогичного химического состава составляла 31,5 кг. Расплавленный исходный чугун подвергался модифицированию непригодным к регенерации эластомером, состав которого приведен в примере 4. Модификатор вводился в виде брикетов, покрытых материалом, имеющим твердое состояние в эксплуатационном виде и медленно растворяющимся в расплавленной стали, а именно раствором на основе цемента и кремнезема. Масса введенного модификатора составляла 0,78 кг, что соответствует соотношению 140 к массе расплава, т.е. ниже оптимальной нормы. Состав чугуна после ввода данного количества модификатора и его механические характеристики приведены в табл. 1 (плавка 7). Структура чугуна после ввода 0,78 кг модификатора приведена на фиг. 5 (поз. 14 - нетравленый образец (100), поз. 15 - травленый (100), поз. 16 - травленый (500, а характеристики структурных составляющих - в табл. 2 (плавка 7). Пример 8. Плавка проводилась в высокочастотной индукционной печи на кислой футеровке (емкость тигля 50 кг). В тигель в качестве шихты загружался стальной лом (масса загрузки 43,0 кг). После расплавления заливались в сырые земляные формы образцы (стержни диаметром 25 мм и длиной 200 мм), из которых готовились образцы для химического анализа, механических испытаний и исследования структуры. Состав исходной стали и ее механические характеристики приведены в табл. 3. Структура исходной стали приведена на фиг. 6 (поз. 17, 500), которая имеет перлитное строение. Расплавленная сталь после заливки исходных образцов подвергалась легированию углеродом, когда в качестве легирующей добавки использовался полимер Полиамид 66(представитель группы не склонных к образованию кокса при термической деструкции алифатических полимеров), при этом последний вводился в виде брикетов, покрытых материалом, имеющим твердое состояние в эксплуатационном виде и медленно растворяющимся в расплавленной стали, а именно раствором на основе цемента и кремнезема. Масса введенной добавки составляла 0,614 кг, что соответствует соотношению 170 к массе расплава. Перед разливкой проводилось скачивание шлака, который после охлаждения представляет собой черную спекшуюся массу из графита и оксидов. Химический анализ полученной стали приведен в табл. 3 (плавка 1). Структура полученной стали приведена на фиг. 6 (поз. 18, 500), которая состоит из массивного мартенсита с включениями перлита в отдельных зернах. Примеры науглероживания стали другими не склонными к образованию кокса при термической деструкции алифатическими полимерами - полиолефинами - идентичны примеру 8, так как по составу (отклонение по содержанию элементов не превышает 5 ) и по механизму легирующего и модифицирующего эффекта они принципиально не отличаются. Пример 9. Проводилась плавка стали в полном соответствии с примером 8. Масса исходной шихты аналогичного химического состава составляла 43,6 кг. Расплавленная исходная сталь подвергалась легированию полимером Полиимид (представитель группы склонных к образованию кокса при термической деструкции полимеров ароматической и гетероциклической структуры), при этом полимер вводился в виде брикетов, помещенных в закрытые металлические емкости из черных сплавов с отверстиями в крышке. 11641 1 2009.02.28 Таблица 3 Результаты исследований по вводу отходов углеродсодержащих органических высокомолекулярных полимерных материалов синтетического происхождения в сталь Химический состав, мас.Усвоениеплавки углерода,Другие-0,00097 Подача емкостей в расплав проводилась дном кверху. Масса введенной добавки составляла 0,145 кг, что соответствует соотношению 1300 к массе расплава. Состав стали после ввода модификатора Полиимид и степень усвоения углерода приведены в табл. 3 (плавка 2). Пример 10. Проводилась плавка стали в полном соответствии с примером 8. Масса исходной шихты аналогичного химического состава составляла 43,2 кг. Расплавленная исходная сталь подвергалась легированию полимером Полибензоиленбензимидазол (представитель группы склонных к образованию кокса при термической деструкции полимеров ароматической и гетероциклической структуры), при этом полимер вводился в виде брикетов,помещенных в закрытые металлические емкости из черных сплавов с отверстиями в крышке. Подача емкостей в расплав проводилась дном кверху. Масса введенной добавки составляла 0,216 кг, что соответствует соотношению 1200 к массе расплава. Состав стали после ввода 0,216 кг модификатора (полимера Полибензоиленбензимидазол) приведен в табл. 3 (плавка 3). Структура стали после ввода 0,216 кг модификатора (полимера Полибензоиленбензимидазол) приведена на фиг. 7 (500) и представляет собой массивный мартенсит с включениями типа карбидов, нитридов. Примеры науглероживания стали другими склонными к образованию кокса полимерами ароматической и гетероциклической структуры - полифениленами - идентичны примерам 9 и 10, так как по составу (отклонение по содержанию элементов не превышает 4 ) и по механизму легирующего и модифицирующего эффекта они принципиально не отличаются. Пример 11. Проводилась плавка стали в полном соответствии с примером 8. Масса исходной шихты аналогичного химического состава составляла 43,25 кг. Расплавленная исходная сталь подвергалась легированию непригодным к регенерации эластомером, состав которого приведен в примере 4. Взвешенные в необходимой пропорции добавки вводились в виде брикетов, помещенных в закрытые металлические емкости из черных сплавов с отверстиями в крышке. Подача емкостей в расплав проводилась дном кверху. Масса введенной добавки составляла 0,96 кг, что соответствует соотношению 145 к массе расплава. Перед разливкой модифицированного чугуна проводилось скачивание шлака. В данном случае после остывания шлак состоит из 100 технического углерода, при этом в шлаковой составляющей отсутствуют оксиды металлов. Для очистки полученного технического углерода требуется только просеивание от инородных включений, которые случайно могли 13 11641 1 2009.02.28 попасть в состав шлаковой массы. Масса полученного высококачественного технического углерода составила 170 г. Состав стали после ввода эластомера приведен в табл. 3 (плавка 4). Пример 12. Проводилась плавка стали в полном соответствии с примером 8. Масса исходной шихты аналогичного химического состава составляла 43 кг. Расплавленную исходную сталь подвергали легированию непригодным к регенерации эластомером, в качестве которого использовались шины для грузовых автомобилей, состав которых приведен в примере 4. Масса введенной добавки составляла 0,215 кг, что соответствует соотношению 1200 к массе расплава, при этом легирующая добавка вводилась в виде брикетов, покрытых материалом, имеющим твердое состояние в эксплуатационном виде и медленно растворяющимся в расплавленной стали, а именно раствором на основе цемента и кремнезема. Состав стали после ввода эластомера приведен в табл. 3 (плавка 5). Пример 13. Проводилась плавка стали в полном соответствии с примером 8. Масса исходной шихты аналогичного химического состава составляла 43,3 кг. Расплавленную исходную сталь подвергали легированию непригодным к регенерации эластомером, состав которого приведен в примере 4. Взвешенные в необходимой пропорции куски эластомера вводились в виде брикетов, помещенных в закрытые металлические емкости из черных сплавов с отверстиями в крышке. Подача емкостей в расплав проводилась дном кверху. Масса введенной добавки составляла 0,360 кг, что соответствует соотношению 1120 к массе расплава. Перед разливкой стали проводилось скачивание шлака. Масса полученного высококачественного технического углерода составила 55 г. Состав стали после ввода данного количества легирующей добавки приведен в табл. 3(плавка 6). Пример 14. Проводилась плавка стали в полном соответствии с примером 8. Масса исходной шихты аналогичного химического состава составляла 43,5 кг. Расплавленная исходная сталь подвергалась легированию непригодным к регенерации эластомером, состав которого приведен в примере 4. Взвешенные в необходимой пропорции куски эластомера вводились в виде брикетов, помещенных в закрытые металлические емкости из черных сплавов с отверстиями в крышке. Подача емкостей в расплав проводилась дном кверху. Масса введенной добавки составляла 1,088 кг, что соответствует соотношению 140 к массе расплава, т.е. выше оптимальной нормы. Перед разливкой стали проводилось скачивание шлака. Масса полученного высококачественного технического углерода составила 170 г. Состав стали после ввода данного количества легирующей добавки приведен в табл. 3(плавка 7), структура которой показана на фиг. 8 (500). Она состоит из мартенсита, пластинчатого перлита и крупных карбидов (светлый цвет). Присутствуют также крупные карбидные выделения, напоминающие ледебурит. Пример 15. Плавка проводилась в высокочастотной индукционной печи на кислой футеровке (емкость тигля 50 кг). В тигель в качестве шихты загружался чугунный лом (масса загрузки 35 кг) следующего химического состава (мас. )- 3,28- 0,62- 2,12- 0,079- 0,090. После расплавления при включенной электрической нагрузке на индукторе для перемешивания расплава в тигель загружают брикет, который состоит из полимера Полиамид 66 (куски размером 10 мм в поперечнике), оксида магнияи цемента в соотношении (мас. ) 35-50-15. В данном случае массовое соотношение полимерного материала и оксида в составе брикета составляет примерно 1,41. Брикеты находятся в сухом состоянии. Масса введенных брикетов составляет 700 г. После модифицирования расплава заливались в сырые земляные формы образцы (стержни диаметром 25 мм и длиной 200 мм), из которых готовились образцы для химического анализа и исследования структуры. 14 11641 1 2009.02.28 Исследование структуры полученного чугуна указывает на наличие преимущественно шаровидных включений графита. Таким образом, углеродсодержащие органические высокомолекулярные полимерные материалы синтетического происхождения эффективно восстанавливают магний изи обеспечивают эффект сфероидизирующего модифицирования. Примеры модифицирования чугунов другими углеродсодержащими органическими высокомолекулярными полимерными материалами синтетического происхождения совместно с оксидами металлов идентичны примеру 15, так как по составу вышеуказанные полимеры (отклонение по содержанию элементов не превышает 5 ) и по механизму модифицирующего эффекта принципиально не отличаются. Пример 16. Плавка проводилась в высокочастотной индукционной печи на кислой футеровке(емкость тигля 50 кг). В тигель в качестве шихты загружался стальной лом (масса загрузки 15 кг) следующего химического состава (мас. )- 0,525- 0,250 - 1,17- 0,0198- 0,0280- 1,72. После расплавления в тигель при включенной электрической нагрузке на индукторе для перемешивания расплава загружают брикеты, состоящие из непригодных к регенерации эластомеров (их состав приведен в примере 4), в качестве которых используют резинотехнические изделия на основе бутилкаучуков (куски размером 10 мм в поперечнике), оксидов железа 23 и цемента в соотношении (мас. ) 3550-15. Брикеты находятся в сухом состоянии. Масса введенных брикетов составляет 25 кг. После доводки расплава по температуре заливались в сырые земляные формы образцы(стержни диаметром 25 мм и длиной 200 мм), из которых готовились образцы для химического анализа и исследования структуры. Затем металл разливался в специально заготовленные формы. Взвешивание металла после охлаждения показало, что получено 24,9 кг качественной стали следующего химического состава (мас. )- 0,62- 0,235- 1,08- 0,0173- 0,0312- 1,68. Результаты данной плавки показывают, что углеродсодержащие органические высокомолекулярные полимерные материалы синтетического происхождения эффективно восстанавливают железо из 23, при этом выход железа из оксида составляет около 80 . В этом случае соотношение металлической составляющей оксида примерно в 1,2 раза превышает полученную легирующую дозу металла, в данном случае железа. Пример 17. Плавка проводилась в высокочастотной индукционной печи на кислой футеровке (емкость тигля 50 кг). В тигель в качестве шихты загружался стальной лом (масса загрузки 25 кг) следующего химического состава (мас. )- 0,525- 0,250- 1,17- 0,0198- 0,0280- 1,72. После расплавления в тигель при включенной электрической нагрузке на индукторе для перемешивания расплава загружают брикеты, состоящие из непригодных к регенерации эластомеров, состав которых приведен в примере 4 (куски размером 10 мм в поперечнике), окалины, шлифовочных отходов стали 45 и цемента в соотношении (мас. ) 35-25-25-15. Брикеты находятся в сухом состоянии. Масса введенных брикетов составляет 25 кг, что составляет 0,5 от общей массы шихтовых материалов. После расплавления всей загрузки тигля и доводки по температуре проводят скачивание шлака. Взвешивание металла после охлаждения показало, что получено 37,4 кг качественной стали следующего химического состава (мас. )- 0,613- 0,238- 1,41- 0,0162- 0,0291- 1,67. Таким образом, углеродсодержащие органические высокомолекулярные полимерные материалы синтетического происхождения эффективно восстанавливают железо из 23,при этом выход железа из оксида составляет около 80 . В этом случае соотношение металлической составляющей оксида примерно в 1,2 раза превышает полученную легирующую дозу металла, в данном случае железа. 15 11641 1 2009.02.28 Пример 18. Плавка проводилась в полном соответствии с примером 17. Отличие состояло только в том, что масса исходной загрузки стального лома 10,0 кг, а введенных брикетов 40 кг(состав соответствует примеру 17), что составляет 0,8 от общей массы шихтовых материалов. Взвешивание металла после охлаждения показало, что получено 26,4 кг качественной стали следующего химического состава (мас. )- 0,633- 0,235- 1,53- 0,0173- 0,0309- 1,69. Выход железа из оксида в данном примере составляет около 80 . Пример 19. Плавка проводилась в полном соответствии с примером 17. Отличие состояло только в том, что масса исходной загрузки стального лома 5,0 кг, а масса введенных брикетов того же состава 45 кг, что составляет 0,9 от общей массы шихтовых материалов. Взвешивание металла после охлаждения показало, что получено 19,1 кг качественной стали следующего химического состава (мас. )- 0,627- 0,229- 1,64- 0,0168-0,0312- 1,67. Выход железа из оксида в данном примере составляет около 60 . Результаты данной плавки показывают, что увеличение общей массы брикетов более,чем 0,8 от общей массы загрузки приводит к заметному снижению эффективности восстановления оксидов. Пример 20. Плавка проводилась в высокочастотной индукционной печи на кислой футеровке (емкость тигля 50 кг). В тигель в качестве шихты загружался стальной лом (масса загрузки 25 кг) следующего химического состава (мас. )- 0,525- 0,250- 1,17- 0,0198- 0,0280- 1,72. После расплавления в тигель при включенной электрической нагрузке на индукторе для перемешивания расплава загружают брикеты, состоящие из непригодных к регенерации эластомеров (куски размером 10 мм в поперечнике), состав которых приведен в примере 4, окалины, шлифовочных отходов стали 45, оксидов ванадия и цемента в соотношении (мас. ) 35-25-20-5-15. Брикеты находятся в сухом состоянии. Масса введенных брикетов составляет 25 кг, что составляет 0,5 от общей массы шихтовых материалов. После расплавления всей загрузки тигля проводят скачивание шлака, масса которого составила 2,7 кг. Взвешивание металла после охлаждения показало, что получено 21,6 кг качественной стали следующего химического состава (мас. )- 0,613- 0,238- 1,41- 0,0162- 0,0291- 1,67- 0,82. Из данного примера видно, что углеродсодержащие органические высокомолекулярные полимерные материалы синтетического происхождения позволяют эффективно перерабатывать промышленную окалину, шлифовочные отходы и оксиды одновременно, и при этом обеспечивается извлечение дефицитных металлов из отходов. В рассмотренных примерах в качестве непригодных для регенерации эластомеров используют резинотехнические изделия на основе бутилкаучуков, состав которых приведен в примере 4. Исследования показывают, что применение в качестве легирующих (модифицирующих) добавок резинотехнических изделий на основе силиконовых, акриловых,этиленпропиленовых, хлоропреновых, полисульфидных каучуков, полиуретанов не изменяет закономерностей рассматриваемых технологических процессов, так как по составу(отклонение по содержанию элементов не превышает 5 ) и по механизму легирующего(модифицирующего) эффекта они принципиально не отличаются. Пример 21 (по прототипу). Плавка проводилась в высокочастотной индукционной печи на кислой футеровке (емкость тигля 50 кг). В тигель в качестве шихты загружался стальной лом (масса загрузки 16 11641 1 2009.02.28 45,0 кг). После расплавления заливались в сырые земляные формы образцы (стержни диаметром 25 мм и длиной 200 мм), из которых готовились образцы для химического анализа, механических испытаний и исследования структуры. Состав исходной стали (мас. )- 0,525- 0,250- 1,17- 0,0198- 0,0280- 1,72. В дальнейшем тигель печи используется в качестве ковша, в котором проводят обработку расплава. На поверхность шлака подается графит (массой 2 кг), подводится плазмотрон с крышкой, накрывается и зажигается плазменная дуга прямого действия. Режимы работы плазмотрона плазмообразующий газ - аргон, ток дуги - 450 А, длина дуги - 80 мм,рабочее напряжение - 40 В. Продувка продолжалась 14 мин. Затем отключался плазмотрон и отводился вместе с крышкой. Заливались образцы для испытаний. Химический состав полученной стали (мас. )- 0,745- 0,248- 1,17- 0,0201- 0,0277- 1,76. Расчеты показывают, что степень усвоения углерода из графита составила 5 . Проведенные исследования показывают, что разработанный способ выплавки стали и чугуна позволяет эффективно модифицировать чугун и науглероживать сталь. Так, форма включений графита изменяется от пластинчатой прямолинейной ПГф 1 (исходный чугун) до пластинчатой завихренной после ввода добавок из отходов высокомолекулярных полимерных соединений, длина графитных включений уменьшается от ПГд 180 (исходный чугун) до ПГд 45, характер распределения включений графита изменяется от ПГр 1 (исходная плавка) до ПГр 3, количество включений графита в структуре чугуна уменьшается с 10(исходная плавка) до 4-6 после ввода добавок из отходов высокомолекулярных полимерных соединений, т.е. от ПГ 10 до ПГ 4, тип структуры металлической основы в рассматриваемых чугунах феррито-перлитный (Ф, Пт 1), дисперсность перлита в структуре чугуна увеличивается с Пд 1,0 - Пд 0,5 (исходная плавка) до Пд 0,5 - Пд 0,3, количество перлита в феррито-перлитной металлической основе выплавленных по новой технологии серых чугунов увеличивается с 70(исходная плавка) до 85 после ввода отходов высокополимерных соединений, т.е с П 70 (Фе 30) до П 85 (Фе 15). При плавке стали наблюдается эффективное усвоение углерода (степень усвоения составляет 74,1-77,6 ), причем насыщение идет как углеродом, находящимся в атомарном состоянии, так и структурно свободным углеродом. По известному способу степень усвоения углерода из графита составила 5 . Таким образом, в результате использования предлагаемого способа выплавки стали и чугуна будет достигнут следующий технический результат создана ресурсосберегающая технология утилизации отходов углеродсодержащих органических высокомолекулярных полимерных материалов синтетического происхождения, в том числе биологически поврежденных и подвергнутых старению и непригодных для переработки материалов из пластических масс, а также непригодных к регенерации эластомеров разработаны дешевые модификаторы для чугуна, введение которых значительно улучшает структуру и повышает механические характеристики предложена высокоэффективная технология насыщения стали углеродом взамен традиционного способа разбавления создан ресурсосберегающий метод получения технического углерода высокого качества разработан способ переработки оксидов металлов, обеспечивающий извлечение дорогих и дефицитных металлов и эффективное легирование расплавов создан способ переработки промышленной окалины создан способ переработки шлифовочных отходов. Разработанный способ выплавки стали и чугуна планируется использовать в литейных цехах машиностроительных предприятий и на металлургических комбинатах при выплав 17 11641 1 2009.02.28 ке высококачественных сталей и чугунов. Одновременно в значительной степени решается задача утилизации отходов из углеродсодержащих органических высокомолекулярных полимерных материалов, таких как, например, отработавших срок эксплуатации и не подлежащих регенерации автомобильных шин. Источники информации 1. Патент РФ 2057012, МПК В 29 В 17/00, С 08 11/04, 1996. 2. Патент США 4565574, МПК С 22 С 33/00, НКИ 75/130.5, 1986. 3. Патент Японии 60-152610, МПК С 21 С 7/00,27 В 3/08, 1985 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 20