Способ получения железо-магниевого сплава на основе кремния

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к получению железо-магниевых сплавов на основе кремния, предназначенных для модифицирования чугунов. Способ включает формирование порошкообразной шихты из ферросилиция, оксидов и фторидов легирующих компонентов, в том числе магния, выплавку и легирование ферросилиция, охлаждение сплава и отделение шлака, шихту формируют в виде трех расположенных друг над другом слоев. При этом выплавку и легирование ферросилиция ведут в верхнем слое, в промежуточном слое осуществляют предварительное охлаждение расплава легированного ферросилиция, а в нижнем слое шихты получают силицид магния, которым дополнительно легируют ферросилиций, причем расплав ферросилиция предварительно охлаждают до температуры 1200-1400°С, исключающей разложение силицида магния. При этом верхний слой шихты содержит ферросилиций и магнетит, и в качестве легирующих компонентов шихты - алюминий, кальций, фториды редкоземельных элементов и магния. В качестве редкоземельных элементов - элементы цериевой группы, преимущественно церий, лантан, неодим, празеодим, самарий. Легированный в верхнем слое шихты ферросилиций содержит магний в количестве не более 2,5% от массы ферросилиция. Промежуточный слой шихты состоит из фторида кальция и оксида магния в массовом соотношении 1:0,15-0,20, при этом масса промежуточного слоя составляет 0,62-0,81% от массы верхнего слоя. Нижний слой шихты содержит оксид кремния, ферросилиций и магний, при этом оксид кремния и магний берут в стехиометрическом соотношении, необходимом для получения силицида магния, и массовом отношении ферросилиция к магнию, равном 0,1-0,15:1. Изобретение позволяет повысить степень перехода магния в железо-магниевый сплав до 46% при величине потерь магния в газовую фазу 0,5-0,8%. 5 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к получению железо-магниевых сплавов на основе кремния, предназначенных для модифицирования чугунов.

Получение железо-магниевых сплавов на основе кремния основано на том, что магний образует с кремнием относительно устойчивое химическое соединение в виде силицида магния Mg₂Si. Поскольку магний не растворяется в железе и не образует с ним химических соединений, то сплавы Fe-Si-Mg можно получить только с высоким (более 40%) содержанием кремния. Предпочтительное содержание магния в них составляет 6-12%. В настоящее время получение таких сплавов осуществляется преимущественно печными способами, которые можно разделить на две группы. Первая основана на взаимодействии магния с расплавом ферросилиция и реализуется различным образом: выливанием расплава ферросилиция на слитки магния, погружением слитков магния в расплав ферросилиция, покрытый слоем защитного флюса, вдуванием гранул магния в расплав ферросилиция в струе инертного газа, использованием инертного газа при повышенном давлении и т.п. Для всех этих способов характерны потери магния в газовую фазу. Причина этого заключается в принципиальной невозможности корректной организации процесса легирования магнием, поскольку минимальная температура плавления ферросилиция в соответствии с диаграммой состояния Fe-Si составляет ~1200°С. Кроме того, для обеспечения необходимых текучести и теплоемкости ферросилиций перед введением в него магния перегревают не менее чем на 100-250°С относительно температуры плавления, т.е. заведомо выше температуры кипения магния, равной 1090°С. Это приводит к большим потерям магния в газовую фазу. Вторая группа способов основана на силикотермическом восстановлении оксидов кальция и магния ферросилицием и тоже характеризуется высокой температурой процесса, большими потерями магния в газовую фазу, а также низким его извлечением в сплав.

Известен способ получения железо-магниевого сплава на основе кремния (см. Авт. свид. СССР №1051132, МПК³ С 22 С 35/00, 1983), включающий формирование однослойной шихты из ферросилиция ФС-75, алюминия, легирующих компонентов в виде оксидов редкоземельных элементов, кальция, магния, циркония, марганца, титана, хрома, расплавление шихты в дуговой печи, алюминотермическое восстановление легирующих компонентов при повышенной температуре, легирование ферросилиция, охлаждение расплава ферросилиция и отделение шлака. Содержание магния в сплаве составляет 0,2-1,5%.

Недостатком способа является ограниченное содержание магния в сплаве (не выше 1,5%), обусловленное низкой степенью перехода магния в железо-магниевый сплав и высокими его потерями в газовую фазу по причине высокой температуры процесса, необходимой для придания жидкотекучести шлаку при отделении его от сплава.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ получения железо-магниевого сплава на основе кремния (см. Гаряев С.Г., Рябчиков И.В., Толстогузов Н.В. Условия силикотермического восстановления бария, кальция, магния и стронция при выплавке комплексных лигатур. Известия ВУЗов. Черная металлургия, №5, с.62-66, 1970), включающий формирование однослойной порошкообразной шихты из ферросилиция ФС-75, легирующих компонентов в виде оксидов кальция, магния, бария, стронция и фторида кальция, расплавление шихты в дуговой печи, силикотермическое восстановление легирующих компонентов при повышенной температуре и введение легирующих элементов в расплав ферросилиция. Легированный ферросилиций и шлак охлаждают. Полученный сплав, содержащий 55-60% Si, 19% Са и 6% Mg, отделяют от шлака. Максимально возможная концентрация магния в сплаве не превышает 6%, при извлечении магния в сплав 20% и менее.

Известный способ характеризуется недостаточно высокой степенью перехода магния в железо-магниевый сплав по причине интенсивного парообразования и горения магния при температуре процесса.

Изобретение направлено на решение задачи повышения степени перехода магния в железо-магниевый сплав на основе кремния за счет снижения потерь магния в газовую фазу.

Технический результат достигается тем, что в способе получения железо-магниевого сплава на основе кремния, включающем формирование порошкообразной шихты из ферросилиция, оксидов и фторидов легирующих компонентов, в том числе магния, выплавку и легирование ферросилиция, охлаждение сплава и отделение шлака, согласно изобретению шихту формируют в виде трех расположенных друг над другом слоев, при этом выплавку и легирование ферросилиция ведут в верхнем слое, в промежуточном слое осуществляют предварительное охлаждение расплава легированного ферросилиция, а в нижнем слое шихты получают силицид магния, которым дополнительно легируют ферросилиций, причем расплав ферросилиция предварительно охлаждают до температуры, исключающей разложение силицида магния.

Технический результат достигается также тем, что верхний слой шихты содержит ферросилиций и магнетит, а в качестве легирующих компонентов шихты - алюминий, кальций, фториды редкоземельных элементов и магния.

Технический результат достигается и тем, что легированный в верхнем слое шихты ферросилиций содержит магний в количестве не более 2,5% от массы ферросилиция.

На достижение технического результата направлено и то, что промежуточный слой шихты содержит фторид кальция и оксид магния в массовом соотношении 1:0,15-0,20, при этом масса промежуточного слоя составляет 0,62-0,81% от массы верхнего слоя.

На достижение технического результата направлено то, что нижний слой шихты содержит оксид кремния, ферросилиций и магний, при этом оксид кремния и магний берут в стехиометрическом соотношении, необходимом для получения силицида магния, и массовом отношении ферросилиция к магнию, равном 0,1-0,15:1.

Достижению технического результата способствует то, что охлаждение расплава ферросилиция ведут до температуры 1200-1400°С.

Формирование шихты в виде трех расположенных друг над другом слоев, в верхнем из которых ведут выплавку и легирование ферросилиция, в промежуточном слое осуществляют предварительное охлаждение расплава легированного ферросилиция, а в нижнем слое шихты получают силицид магния, обусловлено необходимостью последовательного осуществления операций выплавки легированного ферросилиция, синтеза силицида магния, охлаждения легированного ферросилиция до температуры термической стабильности силицида магния и растворения последнего в легированном ферросилиции.

Использование силицида магния при дополнительном легировании ферросилиция обусловлено необходимостью связать магний в термически прочное соединение для того, чтобы повысить температуру, при которой магний возгоняется в газовую фазу.

Предварительное охлаждение расплава ферросилиция до температуры 1200-1400°С, исключающей разложение силицида магния, связано с необходимостью обеспечения температурного интервала, в котором становится возможным процесс легирования ферросилиция силицидом магния без потерь магния в газовую фазу. При охлаждении ферросилиция до температуры менее 1200°С возрастают вязкости расплавов ферросилиция и силицида магния, что затрудняет легирование. При охлаждении расплава ферросилиция до температуры более 1400°С операция легирования силицидом магния будет сопровождаться ростом парциального давления паров магния, которое становится равным атмосферному при температуре 1440°С, что приведет к разложению силицида магния и значительным потерям магния в газовую фазу.

Формирование верхнего слоя шихты из ферросилиция и магнетита и использование в качестве легирующих компонентов - алюминия, кальция, фторидов редкоземельных элементов и магния обусловлено необходимостью получения легированного ферросилиция требуемого состава. В качестве редкоземельных элементов берут элементы цериевой группы, преимущественно церий, лантан, неодим, празеодим, самарий. Выплавка ферросилиция из магнетита путем металлотермического восстановления с одновременным его легированием позволяет осуществить гомогенизацию легированного ферросилиция. Выбор в качестве легирующих элементов кальция и алюминия обусловлен тем, что при введении полученного сплава в чугун они предотвращают или снижают образование твердых карбидов железа в тех зонах расплава чугуна, которые охлаждаются первыми. Это позволяет улучшить механическую обрабатываемость литейных изделий. Легирующие редкоземельные элементы защищают от вредных примесей в виде серы, мышьяка и др., случайно оказавшихся в чугуне.

Введение магния в расплав ферросилиция в количестве не более 2,5% от массы ферросилиция обусловлено необходимостью снижения температуры плавления шлаковой фазы. Легирование магнием в количестве более 2,5% ведет к получению тугоплавких шлаков, что затрудняет отделение шлаковой фазы.

Формирование промежуточного слоя шихты из фторида кальция и оксида магния, взятых в массовом соотношении 1:0,15-0,20, позволяет отвести от расплава избыточное тепло, обеспечив при этом качественное отделение легкоплавкого шлака от результирующего железо-магниевого сплава. Использование шихты из фторида кальция и оксида магния, взятых в массовом соотношении большем 1:0,15 и меньшем 1:0,20, приведет к получению тугоплавкого шлака и ухудшению качества отделения шлака от сплава. Выбор массы промежуточного слоя, равной 0,62-0,81% от массы верхнего слоя, позволяет управлять процессом охлаждения ферросилиция в заданном интервале температур 1200-1400°С и обеспечивает разделение во времени операций синтеза силицида магния и его растворения в расплаве ферросилиция. При количестве шихты промежуточного слоя менее 0,62% и более 0,81% охлаждение расплава ферросилиция осуществляется до температуры, выходящей за пределы заданного интервала температур, и указанная последовательность операций синтеза и растворения не выполняется.

Формирование нижнего слоя шихты из оксида кремния, ферросилиция и магния позволяет получить силицид магния путем магниетермического восстановления и растворить его в ферросилиции. Количество шихты в нижнем слое берут из условия получения необходимой концентрации магния в железо-магниевом сплаве. Введение оксида кремния и магния в стехиометрическом соотношении связано с необходимостью получения наиболее термически прочного силицида магния Mg₂Si. Массовое отношение ферросилиция к магнию, равное 0,1-0,15:1, обусловлено необходимостью осуществления синтеза силицида магния и последующего легирования ферросилиция без потерь магния. При отношении ферросилиция к магнию менее 0,1 и более 0,15 легирование силицидом магния затруднено и сопровождается потерями магния.

Указанные выше особенности и преимущества предлагаемого способа иллюстрируются нижеследующими примерами 1-2.

Пример 1. Готовят три части шихты, которые послойно загружают в тигель. Нижний слой шихты состоит из смеси порошков оксида кремния 0,237 кг, ферросилиция 0,038 кг и магния 0,383 кг при массовом отношении ферросилиция к магнию, равном 0,1:1. После загрузки в тигель его разравнивают и уплотняют. На нижний слой шихты помещают промежуточный слой, состоящий из легкоплавкой смеси фторида кальция и оксида магния массой 0,025 кг (0,62% от массы верхнего слоя) при соотношении компонентов 1:0,15. Промежуточный слой позволяет отвести от расплава избыточное тепло. На промежуточный слой засыпают верхний слой шихты в виде смеси фторидов редкоземельных элементов (церия, лантана, неодима, празеодима, самария) массой 0,186 кг, фторида магния 0,358 кг, магнетита 1,243 кг, ферросилиция 1,260 кг, кальция 0,812 кг и алюминия 0,196 кг. Промежуточный слой шихты изолируют от верхнего и нижнего слоев шихты с помощью легкоплавких прокладок из алюминиевой фольги. Горение шихты инициируют с помощью устройства электрического поджига. В результате металлотермического восстановления с температурой процесса ~1430°С в верхнем слое шихты образуется легированный ферросилиций и шлак, которые имеют различную плотность. Шлаковая фаза всплывает. Полученный ферросилиций, содержащий ~50%Si, 9%Ca, 7% суммы редкоземельных элементов, 3%Аl, 2,5%Mg, остальное - железо, под действием силы тяжести опускается вниз. Он расплавляет прокладки из алюминиевой фольги, инициирует горение в нижнем слое шихты и взаимодействует с компонентами промежуточного слоя. Продуктом горения нижнего слоя шихты является силицид магния Mg₂Si. Промежуточный слой обеспечивает как охлаждение ферросилиция до температуры 1400°С, так и разделение во времени операций синтеза силицида магния и его последующего растворения в расплаве ферросилиция. Получают ~2,5 кг железо-магниевого сплава состава Fe-46%Si-8%Ca-6%PЗM-3%Al-10%Mg. Степень перехода магния в железо-магниевый сплав составляет 45%. Потери магния в газовую фазу составляют не более 0,8%.

Пример 2. Процесс ведут в соответствии с условиями примера 1. Отличие заключается в том, что на нижний слой шихты, состоящий из смеси порошков оксида кремния 0,237 кг, ферросилиция 0,057 кг и магния 0,383 кг, при массовом отношении ферросилиция к магнию, равном 0,15:1, помещают промежуточный слой, состоящий из легкоплавкой смеси фторида кальция и оксида магния массой 0,033 кг (0,81% от массы верхнего слоя) при соотношении компонентов 1:0,20. Промежуточный слой обеспечивает охлаждение расплава ферросилиция до температуры 1200°С. Получают ~2,5 кг железо-магниевого сплава состава Fe-46%Si-8%Ca-6%PЗM-3%Al-10%Mg. Степень перехода магния в железо-магниевый сплав составляет 46%. Потери магния в газовую фазу составляют не более 0,5%.

Как видно из приведенных примеров, предлагаемый способ позволяет повысить более чем в 2 раза (до 46%) степень перехода магния в железо-магниевый сплав при величине потерь магния в газовую фазу 0,5-0,8%.

Формула изобретения

1. Способ получения железомагниевого сплава на основе кремния, включающий формирование порошкообразной шихты из ферросилиция, оксидов и фторидов легирующих компонентов, в том числе магния, выплавку и легирование ферросилиция, охлаждение сплава и отделение шлака, отличающийся тем, что шихту формируют в виде трех расположенных друг над другом слоев, при этом выплавку и легирование ферросилиция ведут в верхнем слое, в промежуточном слое осуществляют предварительное охлаждение расплава легированного ферросилиция, а в нижнем слое шихты получают силицид магния, которым дополнительно легируют ферросилиций, причем расплав ферросилиция предварительно охлаждают до температуры, исключающей разложение силицида магния.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что верхний слой шихты содержит ферросилиций и магнетит, а в качестве легирующих компонентов шихты - алюминий, кальций, фториды редкоземельных элементов и магния.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что легированный в верхнем слое шихты ферросилиций содержит магний в количестве не более 2,5% от массы ферросилиция.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что промежуточный слой шихты содержит фторид кальция и оксид магния в массовом соотношении 1:0,15-0,20, при этом масса промежуточного слоя составляет 0,62-0,81% от массы верхнего слоя.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что нижний слой шихты содержит оксид кремния, ферросилиций и магний, при этом оксид кремния и магний берут в стехиометрическом соотношении, необходимом для получения силицида магния, и массовом отношении ферросилиция к магнию, равном 0,1-0,15:1.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что предварительное охлаждение расплава ферросилиция ведут до температуры 1200-1400°С.