RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 196909 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (54) (21) Numer zgłoszenia: 346988 (22) Data zgłoszenia: 10.04.2001 Środek do obróbki stopionego materiału żelaznego i sposób wytwarzania stopu materiału żelaznego (51) Int.Cl. C21C 1/08 (2006.01) C22C 1/02 (2006.01) Opis patentowy przedrukowano ze względu na zauważone błędy (30) Pierwszeństwo: 10.04.2000,US,09/546,017 (73) Uprawniony z patentu: Magnesium Technologies Corporation, Richfield,US (43) Zgłoszenie ogłoszono: 22.10.2001 BUP 22/01 (72) Twórca(y) wynalazku: Thomas H. Bieniosek,Litchfield,US Jerome P. Fahey,Avon,US (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 29.02.2008 WUP 02/08 (74) Pełnomocnik: Teresa Szlagowska-Kiszko, POLSERVICE, Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o. PL 196909 B1 (57) 1. Środek do obróbki stopionego materiału żelaznego, zawierający mieszaninę cząstek o wysokiej temperaturze topnienia i cząstek magnezowych, znamienny tym, że cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają co najmniej dwa metale wybrane z grupy składającej się z aluminium, antymonu, berylu, boru, wapnia, chromu, miedzi, żelaza, magnezu, manganu, niklu, metali ziem rzadkich, krzemu, srebra, sodu, strontu, cyny, tytanu, wanadu, cynku, cyrkonu i ich mieszanin, przy czym zawartość cząstek o wysokiej temperaturze topnienia w mieszaninie stanowi ilość skuteczną dla powstrzymania przemiany cząstek magnezowych w stopiony magnez przed wprowadzeniem cząstek magnezowych do stopionego materiału żelaznego i stosunek cząstek o wysokiej temperaturze topnienia do cząstek magnezowych wynosi od 10:90 do 95:5.
2 PL 196 909 B1 Opis wynalazku Niniejszy wynalazek dotyczy środka do obróbki stopionego materiału żelaznego i sposobu wytwarzania stopu materiału żelaznego. Chodzi tu zwłaszcza o środek do obróbki stopionego materiału żelaznego zawierający magnez. Żeliwo stanowi głównie stop żelaza zawierający węgiel i krzem. Dużą zmienność własności żeliwa można osiągnąć zmieniając ilość węgla i krzemu oraz dodając różne stopy metaliczne do żeliwa. Handlowe żeliwa obejmują między innymi żeliwo szare, sferoidalne, ciągliwe, żeliwo z grafitem kompaktowym i białe żeliwo. Z wyjątkiem białego żeliwa, żeliwa mają zwykłą mikrostrukturę, składającą się z fazy grafitowej i osnowy, która może być ferrytyczna, perlityczna, bainityczna, z odpuszczonego martenzytu lub ich kombinacji. Żeliwo szare zawiera grafit w postaci płatków, żeliwo sferoidalne zawiera grafit w postaci bryłek lub kulek, żeliwo z grafitem kompaktowym (również nazywane żeliwem wermikularnym) stanowi żeliwo pośrednie pomiędzy tymi dwoma, a żeliwo ciągliwe ma nieregularnie ukształtowany grafit kulisty, który tworzy się przy odpuszczaniu białego żeliwa. Żeliwa białe nie mają wcale grafitu w mikrostrukturach, zamiast niego obecny jest węgiel w postaci cementytu (węglika żelaza). Żeliwa są również klasyfikowane jako żeliwa niestopowe i żeliwa stopowe. Żeliwa niestopowe stanowią w zasadzie stopy żelaza, węgla i krzemu z jedynie śladowymi ilościami innych pierwiastków. Za żeliwa stopowe uważa się te stopy odlewnicze na bazie układów żelazo-węgiel-krzem, które zawierają jeden lub więcej pierwiastków stopowych dodawanych w celu zwiększenia jednej lub więcej z użytecznych własności żeliwa. Przy wytwarzaniu żeliwa sferoidalnego i z grafitem kompaktowym, do stopionego żeliwa dodaje się czysty magnez lub stopy o różnej zawartości magnezu. Dodatek magnezu do żeliwa poprawia własności wytrzymałościowe żeliwa, poprzez modyfikację form grafitu w żeliwie. W celu wprowadzenia magnezu do żeliwa można stosować różne technologie. Małe cząstki czystego magnezu mogą być bezpośrednio dodawane do stopionego żeliwa. Cząstki magnezu mogą być zanurzane w kadzi ze stopionym żeliwem. Można stosować wtryskiwanie cząstek magnezu za pomocą lancy, ale sposób ten wymaga dużych ilości gazu nośnego, w przeciwnym razie cząstki magnezu stopią się przed ich wtryśnięciem do stopionego żeliwa, powodując zatkanie lancy. Duże objętości gazu nośnego mogą spowodować poważne rozpryski, czyniąc proces niepraktycznym. Dodatek cząstek magnezu na powierzchni stopionego żeliwa nie jest ogólnie stosowany, jako że duża część magnezu paruje zanim może zmodyfikować żeliwo. Magnez ma temperaturę wrzenia 1107 C. Żeliwo w kadzi lub tyglu do topienia utrzymuje się zwykle w temperaturze około 1260-1565 C. W rezultacie, przy zetknięciu ze stopionym żeliwem magnez gwałtownie odparowuje przechodząc w gaz bez modyfikacji żeliwa. Opracowano kilka metod w celu zwiększenia odzysku magnezu na żeliwie. Przykładowo, jedna z metod obejmuje osadzanie magnezu na dnie tygla lub kadzi do topienia, następnie przykrywanie go stalowymi płytami opóźniającymi reakcję, po czym wlewanie żelaza na magnez. Inne sposoby wymagają podobnie uciążliwych przygotowań. Najbardziej powszechnym sposobem wytwarzania stopów żeliwa sferoidalnego i z grafitem kompaktowym jest dodawanie stopów żelaza zawierających magnez do stopionego żeliwa. Stopy żelaza zwykle utworzone są z żelaza, krzemu i magnezu tak, aby nie wprowadzać żadnych niepotrzebnych substancji do żeliwa. Stop żelaza wprowadzany jest w stanie stałym do stopionego żeliwa. Stop żelaza powoli topi się w stopionym żeliwie i odzyskuje się znacznie większą zawartość procentową magnezu ze stopu żelaza, w porównaniu z dodawaniem czystego magnezu do żeliwa. Stop żelaza jest zwykle wytwarzany przez wytapianie ciekłych stopów żelazo-krzemowych w odpowiednich piecach, a następnie spuszczanie ciekłych stopów żelazo-krzemowych do kadzi transportowych i dodawanie do ciekłej kąpieli metalicznego magnezu w postaci dużych wlewków, w ilości dostatecznej do uzyskania pożądanej zawartości magnezu w stopie żelazo-krzemowym. Inny powszechny sposób dodawania magnezu do stopu żelazo-krzemowego stanowi dodawanie metalicznego magnezu w postaci drutu drążonego, z metalicznym magnezem zawartym w pręcie utworzonym przez płaszcz stalowy. W każdym z tych sposobów wytwarzania, ciekła kąpiel i kadź transportowa muszą być mieszane za pomocą mieszania mechanicznego, z dodatkiem i/lub przez zmieszanie z gazem obojętnym wtryskiwanym przez porowaty czop w kadzi i/lub poprzez lancę zanurzoną w ciekłej kąpieli. Po uzyskaniu wymaganej ilości magnezu w stopie żelazo-krzemowym, ciekły żelazo-krzem wylewa się z kadzi w celu zestalenia do dalszego użytku w odlewniach szarego żeliwa. Innym sposobem dodawania magnezu do roztopionego stopu żelazo-krzem jest wtryskiwanie granulek magnezu przez
PL 196 909 B1 3 ogniotrwałą lancę. Oprócz dostarczania magnezu bezpośrednio u dołu kąpieli, przy końcu lancy wtryskowej, sposób z wtryskiwaniem pozwala użytkownikowi dodać inne drobnoziarniste stopy w postaci mieszanki z granulkami magnezu. Jednakże doświadczenie z wtryskiwaniem magnezu do roztopionej surówki w przemyśle stalowym pokazało, że jeśli nie stosuje się dużych ilości gazu nośnego, cząstki magnezu wtryskiwane same, bez żadnego materiału nośnego, mają tendencję do topienia się wewnątrz lancy i zatykania przez to rury nośnej, powodując dużą stratę czasu i koszty związane z udrożnieniem lancy. Niestety, materiały nośne stosowane do wtryskiwania magnezu do roztopionej surówki, na przykład wapno i/lub węglik wapnia, mogą również wprowadzać niepożądane zanieczyszczenia do niektórych gatunków stopów żelazo-krzemowych. Ze względu na obecne sposoby tworzenia stopów magnezowo-żelazowo-krzemowych do późniejszego zastosowania przy wytwarzaniu stopów żeliwa, istnieje potrzeba ulepszenia sposobu i dodatku do wytwarzania stopów magnezowo-żelazowo-krzemowych, dającego w wyniku zwiększenie ilości wprowadzonego magnezu i uproszczenie procesu wytwarzania stopu, oraz zmniejszenie kosztów i strat związanych z tworzeniem stopów magnezowo-żelazowo-krzemowych. Ponadto te środki do obróbki i sposoby stosowane do wprowadzania magnezu do ciekłego stopu metalu żelaznego, żelazo- -krzemu, mogą być również stosowane do obróbki za pomocą magnezu ciekłego stopu metalu żelaznego, żeliwa, w celu wytworzenia żeliwa sferoidalnego. Niniejszy wynalazek rozwiązuje problemy dodawania cząstek magnezu poprzez wtryskiwanie samych cząstek magnezu do stopów żelazo-krzem, przez zastosowanie ulepszonej mieszaniny cząstek używanych do obróbki. Wynalazek upraszcza sposób wytwarzania stopów, eliminuje konieczne dodawanie ewentualnych zanieczyszczeń do stopu magnez-żelazo-krzem, poprawia ilość magnezu wprowadzonego jako dodatek stopowy do stopu żelazo-krzem i/lub zmniejsza ilość strat związanych z wytwarzaniem stopu magnez-żelazo-krzem. Jednakże wynalazek ma szersze zastosowanie poprzez to, że cząstki stosowane do obróbki mogą być bezpośrednio dodawane do stopionego żelaza dla wytworzenia stopu i/lub odsiarczenia roztopionego żelaza, bez użycia lub w połączeniu z użyciem stopu magnezowo-żelazowo-krzemowego. Środek do obróbki stopionego materiału żelaznego, zawierający mieszaninę cząstek o wysokiej temperaturze topnienia i cząstek magnezowych, odznacza się według wynalazku tym, że cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają co najmniej dwa metale wybrane z grupy składającej się z aluminium, antymonu, berylu, boru, wapnia, chromu, miedzi, żelaza, magnezu, manganu, niklu, metali ziem rzadkich, krzemu, srebra, sodu, strontu, cyny, tytanu, wanadu, cynku, cyrkonu i ich mieszanin, przy czym zawartość cząstek o wysokiej temperaturze topnienia w mieszaninie stanowi ilość skuteczną dla powstrzymania przemiany cząstek magnezowych w stopiony magnez przed wprowadzeniem cząstek magnezowych do stopionego materiału żelaznego i stosunek cząstek o wysokiej temperaturze topnienia do cząstek magnezowych wynosi od 10:90 do 95:5. Korzystnie cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają Mg-Fe-Si, Fe-Si, lub ich mieszaniny. Korzystnie cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają węglik wapnia, wapno lub ich mieszaniny. Korzystnie stosunek cząstek o wysokiej temperaturze topnienia do cząstek magnezowych wynosi od 10:90 do 40:60. Korzystnie cząstki magnezowe zawierają czysty magnez. Korzystnie cząstki magnezowe mają średnią wielkość cząstek mniejszą od 1,5 mm. Korzystnie cząstki magnezowe mają średnią wielkość od 0,18 do 1,5 mm. Korzystnie cząstki o wysokiej temperaturze topnienia mają średnią temperaturę topnienia większą od 1204 C. Korzystnie cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają stop metalu mający skład obejmujący: 5-85% wagowych żelaza 0-20% wagowych magnezu i 15-95% wagowych krzemu. Korzystnie cząstki o wysokiej temperaturze topnienia stanowi stop żelazo-krzem. Sposób wytwarzania stopu materiału żelaznego, w którym topi się materiał żelazny, wprowadza się lancę do stopionego materiału żelaznego aż do co najmniej częściowego zanurzenia jej końcówki pod powierzchnią stopionego materiału żelaznego, wtryskuje się środek do obróbki przez lancę do stopionego materiału żelaznego zmieniając skład stopionego materiału żelaznego, który to środek do
4 PL 196 909 B1 obróbki ma skład, który co najmniej częściowo powstrzymuje jego topienie przed wprowadzeniem tego środka do stopionego materiału żelaznego zmniejszając zapychanie końca lancy przez stopiony środek do obróbki, przy czym środek do obróbki zawiera cząstki o wysokiej temperaturze topnienia i cząstki magnezowe, charakteryzuje się według wynalazku tym, że cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają cząstki metalu, zawierające co najmniej dwa metale wybrane z grupy składającej się z glinu antymonu, berylu, boru, wapnia, chromu, miedzi, żelaza, magnezu, manganu, niklu, metali ziem rzadkich, krzemu, srebra, sodu, strontu, cyny, tytanu, wanadu, cynku, cyrkonu i ich mieszanin, przy czym stosunek cząstek o wysokiej temperaturze topnienia do cząstek magnezowych wynosi od 10:90 do 95:5. Korzystnie cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają cząstki stopu żelaza, które zawierają żelazo i środek wytwarzający stop żelaza, zawierający metal wybrany z grupy składającej się z glinu, antymonu, berylu, boru, wapnia, chromu, miedzi, magnezu, manganu, niklu, metali ziem rzadkich, krzemu, srebra, sodu, strontu, cyny, tytanu, wanadu, cynku, cyrkonu i ich mieszanin. Korzystnie cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zasadniczo składają się ze stopu Mg-Fe-Si, Fe-Si i ich mieszanin. Korzystnie środek do obróbki zawiera wapno, węglik wapnia, lub ich mieszaniny. Korzystnie stosunek cząstek o wysokiej temperaturze topnienia do cząstek magnezowych wynosi od 10:90 do 40:60. Korzystnie cząstki magnezowe zawierają w zasadzie czysty magnez. Korzystnie cząstki magnezowe mają średnią wielkość mniejszą od 1,5 mm. Korzystnie cząstki magnezowe mają średnią wielkość cząstek pomiędzy 0,18 a 1,5 mm. Korzystnie cząstki o wysokiej temperaturze topnienia mają średnią temperaturę topnienia większą od 1204 C. Korzystnie środek do obróbki dodaje się w ilości dostatecznej do wytworzenia stopu magnez- -żelazo-krzem o składzie: 5-85% wagowych żelaza 0-20% wagowych magnezu i 15-95% wagowych krzemu. Korzystnie stop magnez-żelazo-krzem ma skład 5-85% wagowych żelaza, 0,05-20% wagowych magnezu i 15-95% wagowych krzemu. Korzystnie dodaje się środek do obróbki do stopionego materiału żelaznego w ilości dostatecznej do utworzenia mieszaniny żelaznej o składzie obejmującym w procentach wagowych: Żelazo 80-98% Aluminium 0-0,2% Węgiel 1,8-4% Chrom 0-5% Miedź 0-3% Magnez 0,02-0,1% Mangan 0,2-2% Molibden 0-1% Nikiel 0-20% Krzem 0,8-17%. Korzystnie cząstki o wysokiej temperaturze topnienia stanowi stop żelazo-krzem. Korzystnie cząstki stopu o wysokiej temperaturze topnienia i cząstki magnezowe co najmniej częściowo miesza się ze sobą przed wtryśnięciem tych cząstek do stopionego materiału żelaznego. Korzystnie cząstki magnezowe i cząstki wapna i/lub węglika wapnia co najmniej częściowo miesza się ze sobą przed ich wprowadzeniem do stopionego materiału żelaznego. Zgodnie z niniejszym wynalazkiem, cząstki magnezowe wtryskiwane są do stopu żelazowo- -krzemowego za pomocą lancy, dla wprowadzenia wymaganej ilości magnezu do stopu żelazowo- -krzemowego. Topienie metalicznego magnezu w rurze nośnej lancy jest hamowane lub powstrzymywane poprzez mieszanie cząstek magnezowych z cząstkami o wysokiej temperaturze topnienia. Cząstki o wysokiej temperaturze topnienia mają za zadanie pochłanianie ciepła, w czasie gdy one i cząstki magnezowe są przenoszone przez lancę do stopu żelazo-krzemowego. Absorpcja ciepła przez cząstki o wysokiej temperaturze topnienia hamuje lub zapobiega topnieniu, lub całkowitemu
PL 196 909 B1 5 stopnieniu cząstek magnezowych przed ich wtryśnięciem do stopu żelazo-krzemowego. Problemy związane z zatykaniem lancy podczas wprowadzania magnezu do stopionego stopu żelazo-krzem, przezwycięża się hamując topienie cząstek magnezowych w lancy. W jednym z przykładów wykonania, cząstki magnezowe stanowi w większości magnez. W jednym z aspektów tego przykładu wykonania cząstki magnezowe składają się z ponad 90% magnezu, korzystnie ponad 95% magnezu, a bardziej korzystnie ponad 98% magnezu. W innym przykładzie wykonania, cząstki stopu o wysokiej temperaturze topnienia składają się z dwóch lub więcej wymienionych poniżej metali, a mianowicie aluminium, antymonu, berylu, boru, wapnia, chromu, miedzi, żelaza, magnezu, manganu, niklu, metali ziem rzadkich, krzemu, srebra, sodu, strontu, cyny, tytanu, wanadu, cynku, cyrkonu i ich mieszanin. W jednym z aspektów tego przykładu wykonania, cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają żelazo i krzem. W innym aspekcie tego przykładu wykonania, cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają żelazo, magnez i krzem. Określony skład cząstek o wysokiej temperaturze topnienia dobrany jest dla uzyskania pożądanej charakterystyki pochłaniania ciepła przez cząstki, gdy stosuje się je w kombinacji z cząstkami magnezowymi. Określony skład cząstek o wysokiej temperaturze topnienia jest również korzystnie dobrany dla zmniejszenia zanieczyszczenia roztopionego stopu żelazo -krzem. Jak można ocenić, jeśli w końcowym składzie stopu metalu żelaznego nie powinno znaleźć się aluminium, cząstki o wysokiej temperaturze topnienia nie powinny zawierać aluminium, aby nie wprowadzać aluminium do stopu żelazo-krzem, który z kolei jest później dodawany do ciekłego stopu metalu żelaznego. W jeszcze innym przykładzie wykonania, cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają żelazo, krzem i magnez lub żelazo i krzem, dla uniknięcia zanieczyszczenia ciekłego materiału żelaznego niepożądanymi pierwiastkami. Zastosowanie stopu magnezowo-żelazowo- -krzemowego lub stopu żelazowo-krzemowego jako cząstek o wysokiej temperaturze topnienia, pozwala po prostu dodać więcej materiału o podobnym składzie do stopionego żelazo-krzemu nie zanieczyszczając w ten sposób stopu żelazo-krzemowego niepożądanymi pierwiastkami. Materiały stosowane zwykle jako nośniki dla metalicznego magnezu w innych zastosowaniach, takich jak odsiarczanie metali na gorąco, które obejmują wapno lub węglik wapnia, mogą wprowadzać wapń do stopu magnez-żelazo-krzem, co jest niepożądane w przypadku niektórych gatunków stopów. Niniejszy wynalazek pozwala uniknąć dodawania niepożądanych pierwiastków. Jednakże pewne gatunki żelazo- -krzemu wymagają minimalnej zawartości wapnia. Dla tych gatunków zastosowanie wapna lub węglika wapnia, jako materiału cząstek o wysokiej temperaturze topnienia, byłoby bardzo odpowiednie. W tym przykładzie wykonania cząstki magnezu i wapna i/lub cząstki węglika wapnia wtryskiwane są do kąpieli stopionego żelazo-krzemu, w celu odzyskania zarówno magnezu jak i wapnia z wtryskiwanych cząstek. Zgodnie z kolejnym przykładem wykonania wynalazku, do stopu metalu żelaznego dodaje się cząstki magnezowe i cząstki o wysokiej temperaturze topnienia. W jednym z aspektów tego przykładu wykonania stop metalu żelaznego stanowi w zasadzie żelazo. W innym aspekcie tego przykładu wykonania stop metalu żelaznego stanowi stop żelazo-krzem. Korzystnie stop żelazo-krzem zawiera 15-95% krzemu i 5-85% żelaza. Zgodnie z jeszcze innym przykładem wykonania wynalazku, cząstki magnezu dodaje się w dostatecznej ilości do stopu żelaza tak, że 0,5 do 20% magnezu jest wprowadzane jako dodatek do stopu żelaza. Zgodnie z jeszcze innym aspektem niniejszego wynalazku, stosunek cząstek o wysokiej temperaturze topnienia do cząstek magnezowych jest tak dobrany, aby zapewnić, że cząstki magnezu nie topią się w dostatecznym stopniu w lancy, i nie powodują zatykania lancy podczas wtryskiwania cząstek magnezowych oraz cząstek o wysokiej temperaturze topnienia do stopu żelazo-krzem. W jednym z przykładów, ilość cząstek magnezowych w mieszaninie cząstek jest w zakresie od 5% do 90% mieszaniny, a korzystnie od 60 do 90% mieszaniny. Stosunek metalicznego magnezu do cząstek o wysokiej temperaturze topnienia zmienia się w zależności od rodzaju ciekłego stopu metalu żelaznego, na przykład pożądanego żelazo-krzemu, i składu cząstek o wysokiej temperaturze topnienia. W jeszcze innym aspekcie wynalazku, lanca wtryskowa jest stosowana do wtryskiwania magnezu do ciekłego stopu metalu żelaznego (przykładowo stopu żelazo-krzem) i do polepszenia wprowadzania magnezu do stopu żelaza. W przypadku gdy cząstki magnezowe miesza się w kąpieli stopu metalu żelaznego, traci się znaczne ilości magnezu przez odparowanie w postaci oparów i utlenienie w postaci białego dymu, w czasie gdy magnez topi się w ciekłym stopie metalu żelaznego. Wtryskiwanie cząstek magnezowych za pomocą lancy wtryskowej, pozwala na zanurzenie cząstek magnezowych w kąpieli dla zminimalizowania utleniania magnezu i zmniejszenia odparowywania magnezu przed jego wprowadzeniem do stopu metalu żelaznego, umożliwiając w ten sposób bardziej
6 PL 196 909 B1 kompletne rozpuszczenie magnezu w ciekłym stopie metalu żelaznego, zanim dotrze on do powierzchni kąpieli. Ponadto, zmniejszone straty magnezu powodują w rezultacie zwiększenie ekonomicznej opłacalności procesu. W konsekwencji tego można wyeliminować potrzebę stosowania urządzenia mieszającego. W jeszcze innym aspekcie wynalazku, drobnoziarnisty materiał wytwarzany podczas procesu odlewania żelazo-krzemu, stopu magnez-żelazo-krzem lub tym podobnych, może zostać zawrócony do obiegu i użyty jako część cząstek stopu o wysokiej temperaturze topnienia w następującym potem procesie wprowadzania magnezu do stopu. Poprzez możliwość zawrócenia do procesu i ponownego stopienia drobnoziarnistego materiału metalicznego z uprzednich procesów odlewania, uzyskuje się zwiększenie odzyskiwania zawartych w miale metali, dające w wyniku zwiększenie korzyści ekonomicznych procesu wytwarzania stopu i mniejsze straty. Zgodnie z jeszcze jednym aspektem wynalazku mieszaninę cząstek o wysokiej temperaturze topnienia dobiera się tak, aby miała ona dostatecznie wysoką temperaturę topnienia, tak że gdy takie cząstki łączy się z cząstkami magnezowymi i wtryskuje za pomocą lancy, cząstki o wysokiej temperaturze topnienia pochłaniają odpowiednią ilość ciepła w celu zapobieżenia lub zahamowania całkowitego stopienia cząstek magnezowych w lancy. W jednym z przykładów wykonania średnia temperatura topnienia cząstek o wysokiej temperaturze topnienia wynosi 1204 C. Zgodnie z jeszcze innym przykładem wykonania, cząstki magnezowe i cząstki o wysokiej temperaturze topnienia wtryskuje się do stopionego stopu żelaza (na przykład żelazo-krzemu) jako wstępnie zmieszaną kompozycję. W jednym z przykładów cząstki magnezowe i cząstki o wysokiej temperaturze topnienia są co najmniej częściowo mieszane przed ich wtryskiwaniem do lancy. W jednym z aspektów tego przykładu, cząstki magnezowe i cząstki o wysokiej temperaturze topnienia są w zasadzie mieszane przed ich wtryskiwaniem do lancy. W innym przykładzie wykonania, cząstki magnezowe i cząstki o wysokiej temperaturze topnienia są jednocześnie wtryskiwane do lancy z oddzielnych dozowników, i cząstki te są mieszane w lancy przed ich przeniesieniem do ciekłego stopu metalu żelaznego. W tym aspekcie przykładu wykonania, cząstki magnezowe miesza się z co najmniej 10% drobnoziarnistego stopu o wysokiej temperaturze topnienia (na przykład żelazo-krzemu, magnezo-żelazo-krzemu itp.) dla zmniejszenia możliwości nieumyślnego spalenia cząstek magnezowych podczas manipulowania lub transportu. W innym przykładzie wykonania wynalazku, sposób wtryskiwania za pomocą lancy polega na wtryskiwaniu przez pojedynczy przewód transportowy, lub za pomocą drugiego zestawu iniektorów przez drugi przewód transportowy zawierający taką samą lancę, to znaczy przy użyciu lancy z podwójnym otworem. Korzystnie, cząstki są fluidyzowane jako zawiesina cząstek w gazie nośnym przed ich wtryskiwaniem do lancy. Wielkość cząstek magnezowych i cząstek stopu o wysokiej temperaturze topnienia jest zwykle taka sama, jednak może być też różna. Korzystnie, cząstki pokryte są środkiem poprawiającym przepływ, takim jak glikol lub związek krzemu, w celu zwiększenia ich fluidyzacji podczas transportu do lancy. Fluidyzowane cząstki mogą być przenoszone w lancy za pomocą gazu nośnego. Gaz nośny jest korzystnie obojętny. Zwykle stosowanymi gazami nośnymi są argon, azot, hel, gaz ziemny, lub różne inne gazy nie utleniające. Korzystnie, gaz nośny stanowi azot. Zazwyczaj ciśnienie gazu nośnego konieczne do wtryśnięcia cząstek do stopionego materiału żelaznego wynosi od 1,38 x 10 5 do 6,21 x 10 5 Pa (20-90 psig), jednak ciśnienie to może być mniej lub bardziej zależne od wielkości cząstek i głębokości, na jaką cząstki te są wtryskiwane do ciekłego stopu metalu żelaznego. Wtryskiwanie cząstek magnezowych do stopionego materiału żelaznego nie tylko zwiększa ilość magnezu wprowadzonego do stopionego materiału żelaznego, ale gazy nośne zwiększają również mieszanie cząstek w ciekłym stopie metalu żelaznego, ułatwiając wytwarzanie jednorodnego stopu i rozkład cząstek w ciekłym stopie metalu żelaznego. Zgodnie z jeszcze jednym aspektem wynalazku, cząstki magnezowe i cząstki o wysokiej temperaturze topnienia mogą być przystosowane do użycia w odlewniach szarego żeliwa. Odlewnie te wytwarzają żeliwo sferoidalne w procesie znanym jako modyfikowanie żeliwa przez wprowadzenie do niego magnezu. Zadaniem niniejszego wynalazku jest zapewnienie nowej mieszaniny stopowej i sposobu łączenia mieszaniny stopowej ze stopionym materiałem żelaznym, w celu wytworzenia stopu magnezu i stopionego materiału żelaznego. Innym zadaniem wynalazku jest dostarczenie mieszaniny stopowej, która zawiera wiele różnych cząstek.
PL 196 909 B1 7 Jeszcze innym zadaniem wynalazku jest zapewnienie materiału stopowego zawierającego cząstki o wysokiej temperaturze topnienia, w celu zahamowania lub zapobieżenia topieniu cząstek magnezowych przed ich połączeniem ze stopionym materiałem żelaznym. Kolejnym zadaniem wynalazku jest dostarczenie mieszaniny stopowej, która może być wprowadzona do stopionego materiału żelaznego przez wtryskiwanie. Dalszym zadaniem wynalazku jest mieszanie cząstek magnezowych z cząstkami o wysokiej temperaturze topnienia, przed wtryskiwaniem mieszaniny cząstek do stopionego materiału żelaznego. Innym zadaniem wynalazku jest zastosowanie lancy, w tym lancy z jednoczesnym wtryskiem różnych cząstek, do wtryskiwania cząstek metalu wytwarzających stop do stopionego materiału żelaznego. Jeszcze innym zadaniem wynalazku jest ulepszenie wprowadzania magnezu metalicznego do stopionego materiału żelaznego. Następnym zadaniem wynalazku jest zmniejszenie strat magnezu przez odparowanie lub utlenianie podczas wytwarzania stopu. Kolejnym zadaniem wynalazku jest opracowanie mieszaniny stopowej, która może zawierać miał metaliczny z wcześniejszego procesu odlewania dla poprawy odzyskiwania metali i/lub poprawienia ekonomiki procesu. Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zgodny z wynalazkiem proces wtryskiwania cząstek magnezowych i cząstek stopu o wysokiej temperaturze topnienia do stopionego materiału żelaznego za pomocą lancy, a fig. 2 przedstawia lancę z jednoczesnym wtryskiem różnych cząstek, w której cząstki magnezowe i cząstki stopu wysokotopliwego są mieszane zanim zostaną one wtryśnięte do stopionego materiału żelaznego. Na rysunku, który ma na celu jedynie zilustrowanie korzystnego przykładu wykonania wynalazku, a nie ograniczenie do niego, fig. 1 przedstawia zalecany układ do wtryskiwania magnezu do stopionej kąpieli żelazo-krzemu. Jak pokazano na fig. 1, zespół 10 do wtryskiwania zawiera iniektor 20, który wsparty jest na ramie 22 i zawiera otwór 24 iniektora do dozowania cząstek z iniektora 20 do rury wtryskowej 30. Cząstki w iniektorze 20 stanowią mieszaninę cząstek magnezowych i cząstek stopu o wysokiej temperaturze topnienia, takiego jak żelazo-krzem lub magnez-żelazo-krzem. Wielkość cząstek magnezowych i cząstek stopu o wysokiej temperaturze topnienia jest w zasadzie taka sama i wynosi średnio mniej niż 1,5 mm, a korzystnie jest pomiędzy 0,18 a 1,5 mm. Stosunek cząstek magnezowych do cząstek stopu o wysokiej temperaturze topnienia w iniektorze 20 jest w zakresie od 5:95 do 90:10. Korzystnie, cząstki magnezowe stanowią większość mieszaniny, a zawartość cząstek o wysokiej temperaturze topnienia jest korzystnie mniejsza niż 40% całej mieszaniny. Cząstki znajdujące się w iniektorze 20 są przenoszone z niego za pomocą gazu nośnego, takiego jak azot, poprzez przewód 26 do rury wtryskowej 30. Cząstki mogą być fluidyzowane w iniektorze 20 przed przeniesieniem do rury wtryskowej 30, w celu ułatwienia transportu cząstek w rurze wtryskowej 30. Jak pokazano na fig. 1, cząstki przemieszczają się przez rurę wtryskową 30, przez odcinek giętki 32 do rury 42 lancy 40. Lanca 40 umieszczona jest we wgłębieniu 90 kadzi w uchwycie 120, który zamontowany jest na powierzchni ziemi G. Uchwyt 120 lancy zawiera słup wyciągowy 126, dwa ramiona podnoszące 122, zamocowane obrotowo na słupie wyciągowym 126, tłok podnośnikowy 124, który podnosi ramiona podnoszące 122, i podnoszącą oprawę łącznikową 128, która mocuje rurę 42 lancy do ramion podnoszących 122. Cząstki przemieszczające się w rurze 42 lancy wychodzą z niej przy końcówce 44 i trafiają do stopionego żelazo-krzemu 80. Cząstki magnezowe w zetknięciu ze stopionym żelazo-krzemem 80 topią się i parują w żelazo-krzemie, i ostatecznie tworzą stop z materiałem żelazo-krzemowym w kadzi 70. Gaz nośny-azot i część cząstek w postaci par, które nie tworzą stopu z żelazo-krzemem 80, w postaci pęcherzyków przechodzą przez powierzchnię stopu żelazo-krzem powodując powstanie dymów 110, które odprowadzane są z wgłębienia 90 kadzi przez okap wyciągowy 100. Przechodzenie pęcherzyków gazów przez stop żelazo-krzem 80 miesza ten stop, ułatwiając wprowadzanie do stopu magnezu i uzyskanie jednorodnego składu żelazo-krzemu. Na fig. 2 pokazano alternatywny przykład wykonania wynalazku. Zgodnie z fig. 2, do dostarczania cząstek do lancy 40 stosowane są dwa iniektory 120 i 130. Iniektor 120 zawiera cząstki magnezowe i cząstki o wysokiej temperaturze topnienia. Stosunek cząstek magnezowych do cząstek o wysokiej temperaturze topnienia wynosi od 1,1:1 do 10:1, a korzystnie od 2:1 do 10:1. Iniektor 130 zawiera materiał o wysokiej temperaturze topnienia i niewiele, jeśli w ogóle są obecne, cząstek magnezowych. Cząstki w iniektorach 120 i 130 mogą być fluidyzowane przed ich przenoszeniem przez otwory 122, 132
8 PL 196 909 B1 iniektora do rury wtryskowej 30. Cząstki w rurze wtryskowej 30 przenoszone są do lancy 40 za pomocą gazu nośnego, doprowadzanego przewodem 26 do rury wtryskowej 30. Podczas transportu w rurze wtryskowej 30 cząstki z iniektorów 120,130 są mieszane ze sobą. Cząstki w rurze wtryskowej 30 przemieszczają się przez odcinek giętki 32 do rury 42 lancy 40. Stosunek cząstek magnezowych do cząstek o wysokiej temperaturze topnienia przechodzących przez lancę 40 wynosi od 5:95 do 90:10. Cząstki przechodzą przez lancę 40 i na zewnątrz końcówki 44 lancy do stopionego żelazo-krzemu 80, który znajduje się we wgłębieniu 90 kadzi 70. Korzystnie, co najmniej 10% cząstek w iniektorze 120 stanowią cząstki o wysokiej temperaturze topnienia, w celu zmniejszenia możliwości nieumyślnego spalenia cząstek magnezowych podczas transportu i manipulacji. Korzystnie gaz nośny w każdym z iniektorów jest taki sam. Skład cząstek o wysokiej temperaturze topnienia jest tak wybrany, aby temperatura topnienia takich cząstek była zasadniczo wyższa niż temperatura topnienia magnezu. W jednym zalecanym przykładzie wykonania, cząstki żelazo-krzemu stosowane są jako cząstki o wysokiej temperaturze topnienia. W innym przykładzie, cząstki magnezo-żelazo-krzemu są stosowane same albo w połączeniu z cząstkami żelazo-krzemu, jako cząstki o wysokiej temperaturze topnienia. Zastosowanie jednego lub obu tego rodzaju cząstek w procesach wytwarzania stopu żelazo-krzemu z magnezem powoduje, że nie są wprowadzane zanieczyszczenia do stopu żelazo-krzem. Dodatkowo, drobnoziarnisty materiał z odlewania stopu magnez-żelazo-krzem może być zawrócony do procesu i użyty później jako cząstki o wysokiej temperaturze topnienia, do kolejnego wprowadzania magnezu w innej kąpieli metalicznego żelazo-krzemu. W przypadku stosowania cząstek żelazo-krzemu, skład takich cząstek stanowi ogólnie od 15 do 95% krzemu i od 5 do 85% żelaza. Gdy stosuje się cząstki magnezo-żelazo- -krzemu, ogólnie skład stanowi od 0,05 do 20% magnezu, 15 do 95% krzemu i od 5 do 85% żelaza. W przypadku gdy do składu stopu żelazo-krzem mają być włączone dodatkowe stopy metali, stopy te mogą być włączane razem z cząstkami o wysokiej temperaturze topnienia i/lub może być wytworzony stop z tymi cząstkami o wysokiej temperaturze topnienia. Skład cząstek magnezowych jest dobrany tak, że cząstki magnezowe mają bardzo wysoką zawartość procentową magnezu. Zawartość magnezu w cząstkach magnezowych wynosi co najmniej 90%, korzystnie 95%, a bardziej korzystnie 98%. Wielkości cząstek magnezowych i cząstek o wysokiej temperaturze topnienia są tak dobrane, że uzyskuje się właściwe i łatwe przenoszenie cząstek do stopionego metalicznego żelazo-krzemu. Cząstki metaliczne, które są zbyt małe mogą stwarzać zagrożenie bezpieczeństwa przy przemieszczaniu takiego materiału. Cząstki, które są zbyt duże są trudne we fluidyzacji i/lub mogą powodować problemy przy przenoszeniu, takie jak zatykanie nimi rury wtryskowej. Korzystnie, średnia wielkość cząstek magnezowych i cząstek o wysokiej temperaturze topnienia żelazo-krzemowych lub magnezo- -żelazo-krzemowych jest mniejsza od 1,5 mm, a korzystniej wynosi pomiędzy 0,18 a 1,5 mm. Temperatura topnienia cząstek o wysokiej temperaturze topnienia jest dobrana tak, aby pochłaniały one dostateczną ilość ciepła podczas ich przemieszczania przez lancę 40, w celu zahamowania lub zapobieżenia topieniu cząstek magnezowych wewnątrz lancy. Efekt pochłaniania ciepła przez cząstki o wysokiej temperaturze topnienia przezwycięża problemy związane z późniejszymi procesami wtryskiwania z zastosowaniem cząstek magnezowych przez to, że pochłanianie ciepła przez cząstki o wysokiej temperaturze topnienia powstrzymuje topnienie cząstek magnezowych, zmniejszając w ten sposób i/lub zasadniczo eliminując zapychanie lancy spowodowane stopionymi cząstkami magnezowymi. Cząstki o wysokiej temperaturze topnienia są tak formowane, że temperatura topnienia tych cząstek jest znacznie wyższa niż cząstek magnezowych. Korzystnie, cząstki stopu o wysokiej temperaturze topnienia mają średnią temperaturę topnienia wynoszącą co najmniej 1204 C. Dodatkowo do dobierania cząstek o wysokiej temperaturze topnienia dla zahamowania topienia cząstek magnezowych, dostateczne ilości cząstek o wysokiej temperaturze topnienia łączy się z cząstkami magnezowymi, tak że przez cząstki metaliczne o wysokiej temperaturze topnienia pochłaniana jest wystarczająca ilość ciepła. Co najmniej dziesięć procent mieszaniny cząstek dodawanej do stopu żelazo-krzem 70 stanowią cząstki o wysokiej temperaturze topnienia. Ogólny skład magnezo-żelazo-krzemu po wtryśnięciu do żelazo-krzemu mieszaniny cząstek obejmuje (procenty wagowe): Żelazo 5-85 Magnez 0,05-20 Krzem 15-95,
PL 196 909 B1 9 Skład żeliwa po dodaniu stopu magnez-żelazo-krzem do stopionego żelaza obejmuje (procenty wagowe): Żelazo 80-98 Aluminium 0-0,2 Węgiel 1,8-4 Chrom 0-5 Miedź 0-3 Magnez 0,02-0,1 Mangan 0,2-2 Molibden 0-1 Nikiel 0-20 Krzem 0,8-17 Jak można ocenić, proces wprowadzania składników stopowych do stopionego żelazo-krzemu może być stosowany również do wprowadzania składników stopowych i/lub do odsiarczania żeliwa lub innych materiałów żelaznych. Nie utleniający gaz ochronny może być stosowany w celu ochrony powierzchni ciekłego stopu żelazo-krzem podczas wprowadzania cząstek. Można stosować takie gazy ochronne jak argon, azot, hel i/lub gaz ziemny. Środowisko ochronne przede wszystkim zapobiega reakcji pomiędzy tlenem a ciekłym stopem żelazo-krzem, pozwalając zmniejszyć ilość powstającego żużlu i zmniejszyć lub zapobiec zapłonowi oparów wydostających się z powierzchni stopu żelazo-krzemowego. Wynalazek został opisany w odniesieniu do zalecanych przykładów wykonania i ich odmian. Uważa się, że wiele modyfikacji i zmian w ujawnionych przykładach nasunie się fachowcom w tej dziedzinie techniki po przeczytaniu i zrozumieniu szczegółowego opisu wynalazku. Wszystkie takie modyfikacje i zmiany są objęte zakresem niniejszego wynalazku. Zastrzeżenia patentowe 1. Środek do obróbki stopionego materiału żelaznego, zawierający mieszaninę cząstek o wysokiej temperaturze topnienia i cząstek magnezowych, znamienny tym, że cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają co najmniej dwa metale wybrane z grupy składającej się z aluminium, antymonu, berylu, boru, wapnia, chromu, miedzi, żelaza, magnezu, manganu, niklu, metali ziem rzadkich, krzemu, srebra, sodu, strontu, cyny, tytanu, wanadu, cynku, cyrkonu i ich mieszanin, przy czym zawartość cząstek o wysokiej temperaturze topnienia w mieszaninie stanowi ilość skuteczną dla powstrzymania przemiany cząstek magnezowych w stopiony magnez przed wprowadzeniem cząstek magnezowych do stopionego materiału żelaznego i stosunek cząstek o wysokiej temperaturze topnienia do cząstek magnezowych wynosi od 10:90 do 95:5. 2. Środek do obróbki według zastrz. 1, znamienny tym, że cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają Mg-Fe-Si, Fe-Si, lub ich mieszaniny. 3. Środek do obróbki według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają węglik wapnia, wapno lub ich mieszaniny. 4. Środek do obróbki według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek cząstek o wysokiej temperaturze topnienia do cząstek magnezowych wynosi od 10:90 do 40:60. 5. Środek do obróbki według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że cząstki magnezowe zawierają czysty magnez. 6. Środek do obróbki według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że cząstki magnezowe mają średnią wielkość cząstek mniejszą od 1,5 mm. 7. Środek do obróbki według zastrz. 6, znamienny tym, że cząstki magnezowe mają średnią wielkość od 0,18 do 1,5 mm. 8. Środek do obróbki według zastrz. 1 albo 2 albo 4, znamienny tym, że cząstki o wysokiej temperaturze topnienia mają średnią temperaturę topnienia większą od 1204 C. 9. Środek do obróbki według zastrz. 1 albo 2 albo 4, znamienny tym, że cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają stop metalu mający skład obejmujący: 5-85% wagowych żelaza 0-20% wagowych magnezu i 15-95% wagowych krzemu.
10 PL 196 909 B1 10. Środek do obróbki według zastrz. 1 albo 2 albo 4, znamienny tym, że cząstki o wysokiej temperaturze topnienia stanowi stop żelazo-krzem. 11. Sposób wytwarzania stopu materiału żelaznego, w którym topi się materiał żelazny, wprowadza się lancę do stopionego materiału żelaznego aż do co najmniej częściowego zanurzenia jej końcówki pod powierzchnią stopionego materiału żelaznego, wtryskuje się środek do obróbki przez lancę do stopionego materiału żelaznego zmieniając skład stopionego materiału żelaznego, który to środek do obróbki ma skład, który co najmniej częściowo powstrzymuje jego topienie przed wprowadzeniem tego środka do stopionego materiału żelaznego zmniejszając zapychanie końca lancy przez stopiony środek do obróbki, przy czym środek do obróbki zawiera cząstki o wysokiej temperaturze topnienia i cząstki magnezowe, znamienny tym, że cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają cząstki metalu, zawierające co najmniej dwa metale wybrane z grupy składającej się z glinu antymonu, berylu, boru, wapnia, chromu, miedzi, żelaza, magnezu, manganu, niklu, metali ziem rzadkich, krzemu, srebra, sodu, strontu, cyny, tytanu, wanadu, cynku, cyrkonu i ich mieszanin, przy czym stosunek cząstek o wysokiej temperaturze topnienia do cząstek magnezowych wynosi od 10:90 do 95:5. 12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zawierają cząstki stopu żelaza, które zawierają żelazo i środek wytwarzający stop żelaza, zawierający metal wybrany z grupy składającej się z glinu, antymonu, berylu, boru, wapnia, chromu, miedzi, magnezu, manganu, niklu, metali ziem rzadkich, krzemu, srebra, sodu, strontu, cyny, tytanu, wanadu, cynku, cyrkonu i ich mieszanin. 13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że cząstki o wysokiej temperaturze topnienia zasadniczo składają się ze stopu Mg-Fe-Si, Fe-Si i ich mieszanin. 14. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że środek do obróbki zawiera wapno, węglik wapnia, lub ich mieszaniny. 15. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że stosunek cząstek o wysokiej temperaturze topnienia do cząstek magnezowych wynosi od 10:90 do 40:60. 16. Sposób według zastrz. 11 albo 15, znamienny tym, że cząstki magnezowe zawierają czysty magnez. 17. Sposób według zastrz. 11 albo 15, znamienny tym, że cząstki magnezowe mają średnią wielkość mniejszą od 1,5 mm. 18. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że cząstki magnezowe mają średnią wielkość cząstek pomiędzy 0,18 a 1,5 mm. 19. Sposób według zastrz. 11 albo 12 albo 15, znamienny tym, że cząstki o wysokiej temperaturze topnienia mają średnią temperaturę topnienia większą od 1204 C. 20. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że środek do obróbki dodaje się w ilości dostatecznej do wytworzenia stopu magnez-żelazo-krzem o składzie: 5-85% wagowych żelaza 0-20% wagowych magnezu i 15-95% wagowych krzemu. 21. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że stop magnez-żelazo-krzem ma skład 5-85% wagowych żelaza, 0,05-20% wagowych magnezu i 15-95% wagowych krzemu. 22. Sposób według zastrz. 11 albo 20, znamienny tym, że dodaje się środek do obróbki do stopionego materiału żelaznego w ilości dostatecznej do utworzenia mieszaniny żelaznej o składzie obejmującym w procentach wagowych: Żelazo 80-98% Aluminium 0-0,2% Węgiel 1,8-4% Chrom 0-5% Miedź 0-3% Magnez 0,02-0,1% Mangan 0,2-2% Molibden 0-1% Nikiel 0-20% Krzem 0,8-17%.
PL 196 909 B1 11 23. Sposób według zastrz. 11 albo 12 albo 15, znamienny tym, że cząstki o wysokiej temperaturze topnienia stanowi stop żelazo-krzem. 24. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że cząstki stopu o wysokiej temperaturze topnienia i cząstki magnezowe co najmniej częściowo miesza się ze sobą przed wtryśnięciem tych cząstek do stopionego materiału żelaznego. 25. Sposób według zastrz. 11 albo 14 albo 24, znamienny tym, że cząstki magnezowe i cząstki wapna i/lub węglika wapnia co najmniej częściowo miesza się ze sobą przed ich wprowadzeniem do stopionego materiału żelaznego. Rysunki
12 PL 196 909 B1 Departament Wydawnictw UP RP Nakład 50 egz. Cena 4,00 zł.