Способ получения железомагниевого сплава на основе кремния

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к получению железомагниевых сплавов на основе кремния, предназначенных для модифицирования чугунов. Способ включает выплавку ферросилиция, отделение шлака, охлаждение расплава ферросилиция и его легирование магнием. При этом магний вводят в расплав ферросилиция в виде силицида магния, а охлаждение ферросилиция ведут до температуры, исключающей разложение силицида магния, преимущественно до 1300-1400°С. Ферросилиций дополнительно легируют кальцием, редкоземельными элементами и алюминием, которые вводят в суммарном количестве не более 30% от массы железомагниевого сплава. Изобретение позволяет повысить степень перехода магния в железомагниевый сплав до 99,7% за счет снижения потерь магния в газовую фазу до 0,1-0,2%. 3 з.п. ф-лы.

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

Получение железомагниевых 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. 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 железомагниевого сплава на основе кремния (см. авт. свид. СССР № 443103, С 22 С 33/00, 1974), согласно которому в электропечи выплавляют ферросилиций с содержанием кремния 40-80%. Полученный ферросплав вместе со шлаком сливают в футерованный ковш, отделяют шлак, сливая его в шлакоприемник, а ферросплав при температуре 1550-1650°С заливают в ковш-приемник, на дно которого загружена смесь чушкового магния и сплава 50-90% Si, 5-25% Fe, остальное - Са и Ва, в количестве 20-200% от веса магния. Для снижения в сплаве доли неметаллических включений в виде оксида магния заливку расплава ферросилиция в ковш-приемник ведут при избыточном давлении 0,2-10 мм рт.ст. при. Потери магния составляют до 4%.

Данный способ характеризуется недостаточно высокой степенью перехода магния в железомагниевый сплав вследствие высокой (1550-1650°С) температуры ферросилиция, заливаемого в ковш-приемник. Необходимость использования избыточного давления усложняет способ.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является способ получения железомагниевого сплава на основе кремния (см. Рысс М.А. Производство ферросплавов. - М.: Металлургия, 1975, с.318), включающий выплавку в печи 75%-ного ферросилиция, слив его в футерованный ковш, отделение шлака, охлаждение расплава ферросилиция, имеющего температуру 1550-1650°С, до 1380-1400°С посредством выдержки на воздухе в течение некоторого промежутка времени, загрузку чушек магния на дно разогретого до 700°С ковша-приемника, заливку ферросилиция с максимальной скоростью в ковш с магнием и разливку железомагниевого сплава в изложницы. Полученный сплав имеет состав: Fe - (55-65)% Si - 6% Mg. Потери магния в газовую фазу составляют менее 4%.

Известный способ характеризуется недостаточно высокой степенью перехода магния в железомагниевый сплав (около 96%) по причине интенсивного парообразования и горения магния при температуре 1380-1400°С заливаемого ферросилиция.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи повышения степени перехода магния в железомагниевый сплав на основе кремния за счет снижения потерь магния в газовую фазу.

Технический результат достигается тем, что в способе получения железомагниевого сплава на основе кремния, включающем выплавку ферросилиция, отделение шлака, охлаждение расплава ферросилиция и его легирование магнием, согласно изобретению магний вводят в расплав ферросилиция в виде силицида магния, а охлаждение ферросилиция ведут до температуры, исключающей разложение силицида магния.

Технический результат достигается также тем, что охлаждение расплава ферросилиция ведут до температуры 1300-1400°С.

Технический результат достигается и тем, что ферросилиций дополнительно легируют кальцием, редкоземельными элементами и алюминием, которые вводят в суммарном количестве не более 30% от массы сплава, при этом дополнительное легирование ферросилиция ведут перед его охлаждением.

Достижению технического результата способствует также то, что случае дополнительного легирования расплава ферросилиция его охлаждение ведут до температуры 1200-1400°С.

Введение магния в расплав ферросилиция в виде силицида магния обусловлено необходимостью связать магний в термически прочное соединение для того, чтобы повысить температуру, при которой магний возгоняется в газовую фазу.

Охлаждение расплава ферросилиция до температуры, исключающей разложение силицида магния, связано с необходимостью обеспечения температурного интервала, в котором становится возможным процесс легирования ферросилиция магнием без его потерь в газовую фазу.

Охлаждение расплава ферросилиция до 1300-1400°С позволяет избежать потерь магния в газовую фазу при последующем введении силицида магния. При охлаждении расплава ферросилиция до температуры менее 1300°С возрастает вязкость расплава, что затрудняет операцию легирования. 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.

Дополнительное легирование ферросилиция кальцием, редкоземельными элементами и алюминием в суммарном количестве не более 30% от массы железомагниевого сплава позволяет существенно (более чем на 100°С) снизить температуру плавления сплава. При этом снижается и нижняя температурная граница осуществимости операции легирования сплава силицидом магния. 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. В качестве редкоземельных элементов берут элементы цериевой группы, преимущественно церий, лантан, неодим, празеодим, самарий.

Дополнительное легирование ферросилиция перед его охлаждением позволяет более интенсивно осуществить гомогенизацию сплава без потерь легирующих элементов в шлак.

Охлаждение дополнительно легированного ферросилиция до температуры 1200-1400°С позволяет осуществить операцию легирования ферросилиция силицидом магния в расширенном температурном интервале, что облегчает реализацию способа и исключает потери магния в газовую фазу. При охлаждении ферросилиция до температуры менее 1200°С возрастают вязкости расплавов ферросилиция и силицида магния, что затрудняет легирование.

Указанные выше особенности и преимущества предлагаемого способа иллюстрируются нижеследующими Примерами 1-4.

Пример 1. Выплавляют в индукционной печи ферросилиций с содержанием кремния 60%. Масса ферросилиция составляет 50 кг, масса шлака - 3 кг. Шлак имеет следующий состав, мас.%: Аl₂O₃ 21; СаО 23; SiO₂ 39; MgO 2; SiC 10; C 1; FeO 2; остальное - включения ферросилиция и примеси. Шлак отделяют, сливая его в шлакоприемник, а расплав ферросилиция охлаждают до температуры 1400°С путем выдержки на воздухе. При этой температуре исключается разложение силицида магния. После этого ферросилиций заливают в подогреваемый ковш-приемник, нагретый до температуры 1200°С, на дно которого загружены слитки сплава Mg₂Si в количестве 10 кг. После выдержки в течение 10 мин получают ~60 кг железомагниевого сплава состава Fe - 56% Si - 10% Mg, который разливают в изложницы. Степень перехода магния в железомагниевый сплав составляет 99,6%. Потери магния в газовую фазу составляют не более 0,2%, потери в шлаковую фазу - не более 0,2%.

Пример 2. Выплавляют в индукционной печи ферросилиций с содержанием кремния 60%. Масса ферросилиция составляет 50 кг, масса шлака - 3 кг. Шлак имеет следующий состав, мас.%: Аl₂O₃ 21; СаО 23; SiO₂ 39; MgO 2; SiC 10; C 1; FeO 2; остальное - включения ферросилиция и примеси. Шлак отделяют, сливая его в шлакоприемник, а расплав ферросилиция охлаждают до температуры 1300°С путем выдержки на воздухе. При этой температуре исключается разложение силицида магния. После этого ферросилиций заливают в подогреваемый ковш-приемник, имеющий температуру 1200°С, на дно которого загружены слитки сплава Mg₂Si в количестве 10 кг. После выдержки в течение 10 мин получают - 60 кг железомагниевого сплава состава Fe - 56% Si - 10% Mg, который разливают в изложницы. Степень перехода магния в железомагниевый сплав составляет 99,7%. Потери магния в газовую фазу составляют не более 0,1%, потери в шлаковую фазу - не более 0,2%.

Пример 3. Выплавляют в индукционной печи ферросилиций с содержанием кремния 60%. Масса сплава составляет 50 кг, масса шлака - 3 кг. Шлак имеет следующий состав, мас.%: Аl₂O₃ 21; СаО 23; SiO₂ 39; MgO 2; SiC 10; C 1; FeO 2; остальное - включения ферросилиция и примеси. Шлак отделяют, сливая его в шлакоприемник, а ферросилиций легируют 5,8 кг Са, 4,3 кг РЗЭ в виде сплава церия, лантана, неодима, празеодима и самария, 2,2 кг Аl. Расплав охлаждают до температуры 1400°С путем выдержки на воздухе. При этой температуре исключается разложение силицида магния. Затем ферросилиций заливают в подогреваемый ковш-приемник, имеющий температуру 1200°С, на дно которого загружены слитки сплава Mg₂Si в количестве 10 кг. После выдержки в течение 10 мин получают 72,3 кг железомагниевого сплава состава Fe - 47% Si - 8% Ca - 6% PЗЭ - 3% Al - 10% Mg, который разливают в изложницы. Степень перехода магния в железомагниевый сплав составляет 99,6%. Потери магния в газовую фазу составляют не более 0,2%, потери в шлаковую фазу - не более 0,2%.

Пример 4. Выплавляют в индукционной печи ферросилиций марки ФС-75. Масса сплава составляет 50 кг, масса шлака - 3 кг. Шлак имеет следующий состав, мас.%: Аl₂О₃ 36; СаО 25; SiO₂ 26; MgO 2; SiC 4; C 1; FeO 2; остальное - включения ферросилиция и примеси. Шлак отделяют, сливая его в шлакоприемник, а ферросилиций легируют 17,1 кг Са, 8,6 кг РЗЭ в виде сплава церия, лантана, неодима, празеодима и самария. Расплав охлаждают до температуры 1200°С путем выдержки на воздухе. При этой температуре исключается разложение силицида магния. Затем ферросилиций заливают в подогреваемый ковш-приемник, имеющий температуру 1200°С, на дно которого загружены слитки сплава Mg₂Si в количестве 10 кг. После выдержки в течение 10 мин получают 85,7 кг железомагниевого сплава состава Fe - 48% Si - 20% Ca - 10% PЗЭ - 10% Mg, который разливают в изложницы. Степень перехода магния в железомагниевый сплав составляет 99,7%. Потери магния в газовую фазу составляют не более 0,1%, потери в шлаковую фазу - не более 0,2%.

Как видно из приведенных Примеров, предлагаемый способ позволяет повысить степень перехода магния в железомагниевый сплав до 99,7% при сплавлении ферросилиция с легирующими компонентами за счет снижения потерь магния в газовую фазу до 0,1-0,2%.

Формула изобретения

1. Способ получения железомагниевого сплава на основе кремния, включающий выплавку ферросилиция, отделение шлака, охлаждение расплава ферросилиция и его легирование магнием, отличающийся тем, что магний вводят в расплав ферросилиция в виде силицида магния, а охлаждение ферросилиция ведут до температуры, исключающей разложение силицида магния.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение расплава ферросилиция ведут до температуры 1300-1400°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ферросилиций дополнительно легируют кальцием, редкоземельными элементами и алюминием, которые вводят в суммарном количестве не более 30% от массы сплава, при этом дополнительное легирование ферросилиция ведут перед его охлаждением.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что охлаждение расплава ферросилиция ведут до температуры 1200-1400°С.