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 1300-1400С. 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 ~1200С. Кроме того, для обеспечения необходимых текучести и теплоемкости ферросилиций перед введением в него магния перегревают не менее чем на 100-250С относительно температуры плавления, т.е. заведомо выше температуры кипения магния, равной 1090С. 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 1550-1650С 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 (1550-1650С) 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 1550-1650С, до 1380-1400С посредством выдержки на воздухе в течение некоторого промежутка времени, загрузку чушек магния на дно разогретого до 700С 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 1380-1400С 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 1300-1400С.

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 1200-1400С.

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 1300-1400С позволяет избежать потерь магния в газовую фазу при последующем введении силицида магния. При охлаждении расплава ферросилиция до температуры менее 1300С возрастает вязкость расплава, что затрудняет операцию легирования. При охлаждении расплава ферросилиция до температуры более 1400С операция легирования силицидом магния будет сопровождаться ростом парциального давления паров магния, которое становится равным атмосферному при температуре 1440С, 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 100С) 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 1200-1400С 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 1200С 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 1400С путем выдержки на воздухе. При этой температуре исключается разложение силицида магния. После этого ферросилиций заливают в подогреваемый ковш-приемник, нагретый до температуры 1200С, 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 1300С путем выдержки на воздухе. При этой температуре исключается разложение силицида магния. После этого ферросилиций заливают в подогреваемый ковш-приемник, имеющий температуру 1200С, 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 1400С путем выдержки на воздухе. При этой температуре исключается разложение силицида магния. Затем ферросилиций заливают в подогреваемый ковш-приемник, имеющий температуру 1200С, 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 1200С путем выдержки на воздухе. При этой температуре исключается разложение силицида магния. Затем ферросилиций заливают в подогреваемый ковш-приемник, имеющий температуру 1200С, 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 1300-1400С.

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 1200-1400С.