Абстрактный
Магний издавна использовался для улучшения механических свойств чугуна. В настоящее время его добавляют в ковкий чугун во время производства в виде сплава магний-ферросилиций (MgFeSi). Существует множество методов производства сплавов MgFeSi, большинство из которых используют восстановление доломита или переплавку ферросилиция-магния. Однако эти методы сопряжены с техническими проблемами, помимо низкой степени извлечения магния. В этом исследовании был разработан новый процесс производства сплавов MgFeSi путем покрытия магниевого слитка защитным слоем флюса, чтобы замедлить реакцию между магнием и жидким ферросилицием, уменьшить окисление магния и, таким образом, улучшить извлечение магния. Этот инновационный процесс доказал свою высокую эффективность: степень извлечения магния составила 87,35%, а степень извлечения редкоземельных элементов - 99,59%. Он безопасно производит сплав MgFeSi, содержащий 9,58% Mg, 1,26% редкоземельных элементов (РЗЭ) и 1,52% Ca по весу.
Представлять
Сплав магния-железа-кремния (MgFeSi) обычно используется в литейной промышленности в качестве важной добавки при производстве ковкого чугуна, способствующей диспергированию и образованию сферического графита или графитовых узелков внутри матрицы. Эта форма графита придает материалу превосходную пластичность, в результате чего получается материал, сочетающий в себе хорошую пластичность с высокой прочностью, хорошей обрабатываемостью и гладкой поверхностью.
С открытием структур сфероидального графита было предложено и испытано использование магния для формирования сфероидального графита в железной матрице в качестве замены традиционного чешуйчатого графита. Хотя магний очень эффективен в качестве агента, образующего узелки, его низкая плотность (1,74 г/см2)−3), низкая температура кипения (1107 градусов), ограниченная растворимость в чугуне и высокое давление паров при температурах производства ковкого чугуна затрудняют использование чистого магния. Добавление магния также приводит к бурной реакции, вызывающей интенсивное перемешивание расплавленного железа и образование белых паров оксида магния, что приводит к потере магния и снижению извлечения магния.
Исследования показали, что магний растворяется в расплавленных сплавах ферросилиция с образованием стабильного силицида магния. Полученный сплав MgFeSi имеет более высокую плотность, чем чистый металлический магний, и считается отличным сплавом для введения магния в расплавленный чугун. Для образования силицида магния и снижения остроты реакции оптимальное содержание кремния в ферросилиций-магниевых сплавах составляет от 40% до 50%, тогда как содержание магния обычно составляет от 5% до 10%.
Более поздние исследования показали, что кальций может образовывать сферический графит и уменьшать потери магния. Добавление кальция в ферросилиций-магниевые сплавы приводит к введению в структуру второй магний-содержащей фазы CaMgSi2.,снижая скорость реакции и тем самым положительно влияя на извлечение магния. Редкоземельные элементы также продемонстрировали способность образовывать сферические структуры, а церий (Ce) и лантан (La) впоследствии были внедрены в производство ферросилико-магниевых сплавов.
Ферросилициевые сплавы, содержащие-магний, можно получить путем восстановления магний-содержащих руд (таких как доломит) углеродом, кремнием или алюминием. Однако использование углерода в качестве восстановителя в электродуговой печи для производства магний-содержащих ферросилициевых сплавов представляет собой серьезные проблемы из-за высокой рабочей температуры и давления паров магния. Кроме того, высокая стоимость использования алюминия в производственном процессе и высокое содержание алюминия в получаемом сплаве делают этот процесс далеко не идеальным. При этом коэффициенты извлечения магния не превышают 13,8% при восстановлении обожженной доломитовой руды кремнием или кремний-алюминийвосстановлением.
Помимо процесса восстановления, сплавы магния-железа и кремния с содержанием магния около 5,5 % также можно производить путем погружения слитков магния в расплавленный ферросилиций. Метод погружения более экономичен, чем метод редукции, но имеет технические проблемы. Магний реагирует с расплавленным ферросилицием, образуя сильный нагрев, искры, дым и пары. Содержание магния и скорость восстановления магния в сплаве также низкие. В другом исследовании исследователи провели лабораторные эксперименты по погружению магния в расплав ферросилиция, чтобы снизить остроту реакции и увеличить содержание кремния до 75%. Однако максимальная степень извлечения магния составила всего 71%, а содержание магния в конечном сплаве не превышало 9,5%. Кроме того, получаемый сплав MgFeSi имеет высокое содержание кремния – 65–75%. , который не подходит для производства отливок из ковкого чугуна. Другой метод состоит в том, чтобы расплавить силицид магния и ферросилиций вместе для получения сплава магния-ферросилиция. Эксперименты проводились в лаборатории. Этот метод требует плавки в атмосфере инертного газа и использования давления выше атмосферного для уменьшения окисления магния. Другой метод производства магниево-ферросилико-сплава состоит в переплавке магния с защитой его от окисления шлаком. Твердый ферросилиций медленно добавляют в расплав по мере постепенного повышения температуры. Этот процесс соответствует диаграмме соотношения кремний-магний, чтобы поддерживать текучесть и удерживать металл в жидком состоянии. Этот метод сложен и требует тщательного баланса между количеством добавляемого ферросилиция и повышением температуры. Поскольку большие количества ферросилиция необходимо добавлять медленно, время нагрева увеличивается, что приводит к низкой производительности.
Таким образом, все различные методы производства сплавов магния-железа-кремния сталкиваются с проблемами, особенно с низкой степенью извлечения магния. Магний является самым дорогим сырьем в этом процессе, что приводит к увеличению производственных затрат и отрицательно влияет на экономику производственного процесса. Поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы найти более безопасный метод производства ферросилико-магниевых сплавов с более высокой степенью извлечения магния.
Целью данного исследования является изучение метода безопасного производства сплавов кремния-магния-железа, содержащих редкоземельные элементы и с высоким коэффициентом извлечения магния.
Эксперимент
Для определения оптимальных условий производства ферросилиций-магниевых сплавов с высоким содержанием магния и максимальным извлечением магния были спроектированы и проведены испытания опытной печи на опытно-промышленной установке (ПИЛ) Китайского металлургического научно-исследовательского и проектного института по производству железа, стали и ферросплавов. В испытаниях использовались электродуговая печь и различные процессы литья. Сырьевые материалы, необходимые для пилотных испытаний, были определены и включали ферросилицийовый сплав, стальной лом, магниевые слитки, кальциево-кремниевый сплав, редкоземельные элементы, флюс и материалы покрытия (ферросилициевый порошок, доломит, тальк и борная кислота). Рентгеновский и влажный химический анализы проводились на различном сырье.
Используемый слиток магния содержит 99% Mg, а борная кислота - 99,9%.% H3BO3
На основе химического анализа различного сырья составлен материальный баланс и получен сплав MgFeSi, содержащий 40–46 % Si, 9–11 % Mg, 1–1,5 % Ca и 1,25–1,5 % РЗЭ (Ce и La). Необходимое количество различного сырья определялось исходя из материального баланса. 5.1: добавляли 5,65 кг слитка магния для получения сплава MgFeSi, содержащего 9–11% Mg. Сырье, использованное для покрытия слитка магния (порошок ферросилиция, доломит, тальк и борная кислота), имело размер частиц менее 3 мм. Различные компоненты магниевого поверхностного покрытия тщательно перемешивались в блендере, а затем на 90% поверхности слитка наносилось простое покрытие с использованием силиката натрия в качестве связующего.
Проведено семь пилотных экспериментов по получению магниевых-ферросилико-сплавов, содержащих кальций и редкоземельные элементы. Расплавленный ферросилиций получали с использованием электродуговой печи мощностью 100 кВА. В этих экспериментах шихта состояла либо из 40 кг ферросилициевого сплава и 15 кг стального лома, либо из 41,5 кг ферросилициевого сплава и 13,5 кг стального лома для снижения содержания кремния и увеличения содержания железа, тем самым получая расплав ферросилиция с желаемым содержанием кремния. Оптимальное содержание кремния в ферросилиций-магниевых сплавах составляет от 40% до 50%, чтобы облегчить образование силицидов магния и снизить остроту реакции. После полного плавления при температуре 1600 градусов расплавленный металл выливали в горячий ковш, содержащий слитки кремния кальция, редкоземельных элементов и магния. На рис. 1 представлена принципиальная схема процесса литья для получения сплава MgFeSi. Слитки магния, покрытые флюсом или непокрытые редкоземельными металлами, помещали на дно горячего ковша, покрывали кальцием-кремнием, а затем заливали расплавленным FeSi, как показано на рисунке 1. В одном эксперименте (группа 1) использовались слитки магния без покрытия. В других экспериментах 90% поверхности слитков магния было покрыто мелким порошком FeSi или смесью различных флюсов и материалов покрытия с силикатом натрия в качестве связующего для изучения влияния процесса нанесения покрытия на извлечение магния. Добавки были выбраны так, чтобы способствовать эндотермическим реакциям в расплаве, тем самым снижая температуру.
После выпуска плавление различных компонентов и их реакция с расплавленным ферросилицием завершаются в течение 2-3 минут. Полученный металл взвешивают и отбирают репрезентативную пробу сплава для химического анализа РФА. Рентгеновский анализ также проводится на полученном образце сплава.
Рисунок 1
Результаты извлечения магния демонстрируют эффективность инновационного процесса в улучшении извлечения магния при производстве магниевых-ферро-сплавов кремния. Когда расплавленный ферросилиций заливали в ковш, содержащий кальций-кремний, редкоземельные элементы и слитки магния без покрытия, извлечение магния было низким - 69,49%. Покрытие 90% поверхности магниевого слитка порошком ферросилиция, что эквивалентно 44% веса слитка, извлечение магния было увеличено до 84,96%. Покрытие 90% поверхности магниевого слитка защитным слоем, состоящим из смеси доломита, талька и борной кислоты или доломита, талька, борной кислоты и порошка ферросилиция, извлечение магния было увеличено до 85,11–87,35%. Наибольшее извлечение магния (87,35%) было достигнуто при покрытии 90% поверхности магниевого слитка защитным слоем, состоящим из смешанного флюсового материала, составляющего 29% массы слитка, в том числе 36,5% доломита, 36,5% порошка ферросилиция, 24% талька и 3%. В дополнение к эффекту упрочнения защитного слоя кальций-кремниевый сплав также, по-видимому, улучшает извлечение магния. Степень восстановления магния для второй плавки (84,00 %) без добавления кальций-кремниевого сплава была ниже, чем степень восстановления магния для седьмой плавки (87,35%), полученной в тех же условиях, но с добавкой кальций-кремния. Такое более высокое извлечение магния привело к более высокому содержанию магния в полученном сплаве MgFeSi в диапазоне от 9,04% до 10,89%.
Кроме того, за счет покрытия 90% поверхности магниевого слитка защитным слоем извлечение общего количества редкоземельных элементов (Ce+La) увеличилось с 88,7% при использовании магниевых слитков без покрытия до более высоких значений 95,26–99,59%.
По сравнению с гораздо более низкими показателями извлечения магния (не более 13,8%), достигаемыми при восстановлении доломита Каберне кремнием или глиноземом, или максимальным извлечением магния 71%, достигаемым при выщелачивании магния в расплавы ферросилиция, значительно более высокий уровень извлечения магния в данном исследовании (87,35%) можно объяснить несколькими факторами. При заливке расплавленного ферросилиция на слиток магния без покрытия магний бурно реагирует из-за своей низкой плотности, низкой температуры кипения и высокого давления паров при температурах расплавленного ферросилиция, что приводит к значительному испарению магния. Более того, без покрытия шлаком поверхности расплавленного металла магний окисляется, что приводит к низкому извлечению магния.
При покрытии 90% поверхности магниевого слитка оставшийся непокрытый магний начинает вступать в реакцию, и покрытие играет важную роль в снижении потерь магния. Если на поверхность слитка магния нанесен порошок ферросилиция, его плавление представляет собой эндотермический процесс, поглощающий тепло и, таким образом, снижающий температуру расплавленной ванны, замедляющий реакцию магния и сводящий к минимуму потери магния из-за испарения.
Помимо положительного влияния на другие компоненты смеси (доломит, тальк и борную кислоту), защитный слой порошка ферросилиция оказывает и другие эффекты. Разложение доломита и талькоровой руды представляет собой эндотермическую реакцию, приводящую к снижению температуры расплавленной ванны. Борная кислота теряет всю воду при температуре выше 150 градусов и превращается в оксид бора (B2O3).), который действует как флюс и снижает температуру плавления различных оксидов.изтальк и доломит, тем самым повышая текучесть шлака, образованного этими оксидами. Образующийся жидкий шлак имеет меньшую плотность, чем расплавленный металл, и плавает на поверхности расплавленного металла, образуя эффективный защитный слой, препятствующий проникновению кислорода воздуха в расплавленный металл и снижающий окисление магния. Этот слой шлака также предотвращает выход паров магния, которые могут образоваться, в воздух. В результате любые пары магния, которые могут образоваться, успевают вступить в реакцию с кремнием и кальцием с образованием силицида магния и силицида кальция-магния. Рентгеновский анализ полученного сплава магний-железо-кремний выявил образование силицида магния (Мг2Образующиеся интерметаллические фазы силицида магния и силицида кальция-магния снижают парциальное давление паров магния в расплавленном металле.
Кроме того, небольшое количество оксида магния в тальке и доломите может быть частично восстановлено до Mg, или силицид магния может войти в полученную фазу сплава, тем самым улучшая степень извлечения магния. Присутствие CaO облегчает восстановление MgO до Mg2Si.,И температура восстановления может достигать 1650-1750 градусов.
В заключение
При производстве сплавов магния-кремния-железа, содержащих кальций и редкоземельные элементы, нанесение защитного слоя флюса на поверхность магниевого слитка может эффективно повысить степень извлечения магния.
За счет покрытия 90% поверхности магниевого слитка мелкодисперсным порошком ферросилиция, что эквивалентно 44% веса слитка, степень извлечения магния увеличилась с 69,49% до 84,96%.
Более высокое извлечение магния (85,11–87,35%) достигалось при покрытии 90% поверхности магниевого слитка защитным слоем, состоящим из смеси доломита, талька и борной кислоты или доломита, талька, борной кислоты и порошка ферросилиция.
Помимо усиления защитного слоя, сплав кальция-кремния также помогает улучшить извлечение магния.
Наибольшее извлечение магния (87,35%) было достигнуто при покрытии 90% поверхности магниевого слитка защитным слоем из смешанного флюсового материала. Этот защитный слой, составляющий 29% массы слитка, состоит из 36,5% доломита, 36,5% порошка ферросилиция, 24% талька и 3% борной кислоты.
Помимо более высокого извлечения магния, общая степень извлечения редкоземельных элементов (Ce+La) также была увеличена с 88,7% до 95,26-99,59% за счет использования магниевых слитков без покрытия (путем нанесения защитного покрытия на 90% поверхности магниевых слитков).
Высокая степень извлечения магния приводит к высокому содержанию магния в получаемом сплаве MgFeSi в диапазоне от 9,04% до 10,89%. При оптимальных условиях защиты можно безопасно получить ферросилиций-магниевый сплав, содержащий 9,58% магния, 1,26% редкоземельных элементов и 1,52% кальция.
