Иновативен безопасен процес за производство на MgFeSi сплав, съдържаща калций и редкоземни елементи

Представяне

Магнезиево-желязо-силициевата сплав (MgFeSi) обикновено се използва в производството на чугун като съществена добавка в производството на сферографитен чугун за насърчаване на дисперсията и образуването на сферичен графит или графитни нодули в матрицата. Тази графитна форма придава отлична пластичност на материала, което води до материал, който съчетава добра пластичност с висока якост, добра обработваемост и гладка повърхност.

С откриването на сфероидални графитни структури беше предложено и тествано използването на магнезий за образуване на сфероидален графит в желязна матрица като заместител на традиционния люспест графит. Въпреки че магнезият е много ефективен като нодуларизиращ агент, неговата ниска плътност (1,74 gm cm⁻³), ниска точка на кипене (1107 градуса), ограничена разтворимост в чугун и високо налягане на парите при производствените температури на сферографитен чугун затрудняват използването на чист магнезий. Добавянето на магнезий също води до бурна реакция, причиняваща интензивно разбъркване на стопеното желязо и генериране на бели изпарения от магнезиев оксид, което води до загуба на магнезий и намалено възстановяване на магнезий.

Изследванията са установили, че магнезият се разтваря в разтопени феросилициеви сплави, за да образува стабилен магнезиев силицид. Получената MgFeSi сплав има по-висока плътност от чистия магнезиев метал и се счита за отлична сплав за въвеждане на магнезий в разтопен чугун. За да се образува магнезиев силицид и да се намали тежестта на реакцията, оптималното съдържание на силиций във феросилициеви-магнезиеви сплави е 40% до 50%, докато съдържанието на магнезий обикновено е между 5% и 10%.

По-късно изследване показа, че калцият може да образува сферичен графит и да намали загубата на магнезий. Добавянето на калций към феросилициеви-магнезиеви сплави въвежда втора фаза,-съдържаща магнезий, CaMgSi2, в структурата_,намаляване на скоростта на реакцията и по този начин повлияване положително възстановяването на магнезия. Редкоземните елементи също демонстрираха способността да образуват сферични структури, а церий (Ce) и лантан (La) впоследствие бяха въведени в производството на феросилициеви -магнезиеви сплави.

Магнезий-съдържащи феросилициеви сплави могат да бъдат произведени чрез редуциране на магнезий-съдържащи руди (като доломит) с въглерод, силиций или алуминий. Въпреки това, използването на въглерод като редуциращ агент в електродъгова пещ за производство на магнезий-съдържащи феросилициеви сплави представлява значителни предизвикателства поради високата работна температура и налягането на парите на магнезия. Освен това високата цена за използване на алуминий в производствения процес и високото съдържание на алуминий в получената сплав правят този процес по-малко от идеален. Освен това степента на възстановяване на магнезий не надвишава 13,8% при редукция на калцинирана доломитова руда със силиций или редукция на силиций-алуминий.

В допълнение към процеса на редукция магнезиево-желязо-силициеви сплави със съдържание на магнезий от около 5,5% могат също да бъдат произведени чрез потапяне на магнезиеви слитъци в разтопен феросилиций. Методът на потапяне е по-икономичен от метода на редукция, но има технически предизвикателства. Магнезият реагира с разтопен феросилиций, генерирайки висока топлина, искри, дим и изпарения. Съдържанието на магнезий и скоростта на възстановяване на магнезия в сплавта също са ниски. В друго проучване изследователите са провели лабораторни експерименти за потапяне на магнезий в стопилка от феросилиций, за да се намали тежестта на реакцията и да се увеличи съдържанието на силиций до 75%. Въпреки това, максималната степен на възстановяване на магнезий е само 71%, а съдържанието на магнезий в крайната сплав не надвишава 9,5%. В допълнение, произведената сплав MgFeSi има високо съдържание на силиций от 65–75%. , който не е подходящ за производство на отливки от сферографитен чугун. Друга техника е да се стопят заедно магнезиев силицид и феросилиций, за да се получи магнезиева-феросилициева сплав. Проведени са експерименти в лабораторията. Този метод изисква топене в атмосфера на инертен газ и използване на налягане над атмосферното, за да се намали магнезиевото окисление. Друг метод за производство на магнезиева-феросилициева сплав е претопяването на магнезия, като същевременно се предпазва от окисление с шлака. Твърдият феросилиций се добавя бавно към стопилката, докато температурата постепенно се повишава. Този процес следва диаграмата на връзката силиций-магнезий, за да се поддържа течливостта и да се поддържа металът в течно състояние. Този метод е сложен и изисква внимателен баланс между количеството добавен феросилиций и повишаването на температурата. Тъй като големи количества феросилиций трябва да се добавят бавно, времето за нагряване се удължава, което води до ниска производителност.

В обобщение, всички различни методи за производство на сплави на магнезий-желязо-силиций са изправени пред предизвикателства, особено ниски нива на възстановяване на магнезий. Магнезият е най-скъпата суровина в процеса, което води до увеличаване на производствените разходи и отрицателно въздействие върху икономиката на производствения процес. Следователно са необходими допълнителни изследвания, за да се намери по-безопасен метод за производство на феросилициеви-магнезиеви сплави с по-високи нива на възстановяване на магнезий.

Това проучване има за цел да проучи метод за безопасно производство на сплави от силиций-магнезий-желязо, съдържащи редкоземни елементи и с високо възстановяване на магнезия.

Експериментирайте

За да се определят оптималните условия за производство на феросилициеви -магнезиеви сплави с високо съдържание на магнезий и максимално възстановяване на магнезий, бяха проектирани и проведени опити с пилотни пещи в пилотното съоръжение за желязо и стомана и феросплави на Китайския институт за металургични изследвания и дизайн (Пилотно съоръжение). Изпитанията са използвали електродъгова пещ и различни процеси на леене. Суровините, необходими за пилотните изпитания, бяха идентифицирани и включваха феросиликонова сплав, стоманен скрап, магнезиеви блокове, калциева -силициева сплав, редкоземни елементи, флюс и материали за покритие (феросилициев прах, доломит, талк и борна киселина). Бяха извършени рентгенови лъчи и мокър химичен анализ на различните суровини.

Използваният магнезиев блок съдържа 99% Mg, а борната киселина съдържа 99,9%._{% H3BO3}

Въз основа на химичен анализ на различните суровини беше извършен материален баланс за получаване на сплав MgFeSi, съдържаща 40–46% Si, 9–11% Mg, 1–1,5% Ca и 1,25–1,5% REE (Ce и La). Необходимите количества от различните суровини бяха определени въз основа на материалния баланс. 5.1– добавени бяха 5,65 kg магнезиев блок, за да се получи сплав MgFeSi, съдържаща 9–11% Mg. Суровините, използвани за покриване на магнезиевия блок (феросилициев прах, доломит, талк и борна киселина), са с размер на частиците по-малък от 3 mm. Различните компоненти на магнезиевото повърхностно покритие бяха старателно смесени в блендер и след това беше нанесено просто покритие върху 90% от повърхността на блока, като се използва натриев силикат като свързващо вещество.

Бяха проведени седем пилотни експеримента за производство на магнезиеви-феросилициеви сплави, съдържащи калций и редкоземни елементи. Разтопеният феросилиций се произвежда с помощта на 100 kVA електродъгова пещ. В тези експерименти зарядът се състоеше или от 40 kg феросиликонова сплав и 15 kg скрап от стомана, или от 41,5 kg феросиликонова сплав и 13,5 kg от стоманен скрап, за да се намали съдържанието на силиций и да се увеличи съдържанието на желязо, като по този начин се получи феросиликонова стопилка с желаното съдържание на силиций. Оптималното съдържание на силиций за феросилико-магнезиеви сплави е 40% до 50%, за да се улесни образуването на магнезиеви силициди и да се намали тежестта на реакцията. След пълно топене при 1600 градуса, стопеният метал се излива в горещ кофа, съдържащ калциев силиций, редкоземни елементи и магнезиеви слитъци. Фигура 1 показва схематична диаграма на процеса на леене за производство на сплав MgFeSi. Магнезиеви слитъци, покрити с флюсов щит или непокрити с редкоземни метали, бяха поставени на дъното на горещия коф, покрити с калциев силиций и след това изляти с разтопен FeSi, както е показано на Фигура 1. В един експеримент (Група 1) бяха използвани непокрити магнезиеви слитъци. В другите експерименти 90% повърхността на магнезиевите слитъци беше покрита с FeSi фин прах или смес от различни флюси и покриващи материали с натриев силикат като свързващо вещество за изследване на ефекта от процеса на нанасяне на покритие върху възстановяването на магнезия. Добавките са избрани за насърчаване на ендотермични реакции в стопилката, като по този начин се намалява температурата.

След потупването топенето на различните компоненти и реакцията им с разтопения феросилиций завършват за 2-3 минути. Полученият метал се претегля и се взема представителна проба от сплав за XRF химически анализ. XRD анализ също се извършва върху получената проба от сплав.

Фигура 1

 ​

​

Резултатите от възстановяването на магнезий демонстрират ефективността на иновативния процес за подобряване на възстановяването на магнезий при производството на магнезиево-феро-силициева сплав. Когато разтопеният феросилиций се излее в кофа, съдържаща калциев силиций, редкоземни елементи и магнезиеви слитъци без покритие, възстановяването на магнезий е ниско - 69,49%. Чрез покриване на 90% от повърхността на магнезиевия слитък с феросилициев прах, еквивалентен на 44% от теглото на слитъка, възстановяването на магнезий се увеличава до 84,96%. Чрез покриване на 90% от повърхността на магнезиевия слитък със защитен слой, състоящ се от смес от доломит, талк и борна киселина или доломит, талк, борна киселина и феросилициев прах, възстановяването на магнезий се увеличава до 85,11% до 87,35%. Най-високото възстановяване на магнезий (87,35%) е постигнато чрез покриване на 90% от повърхността на магнезиевия слитък със защитен слой, съставен от смесен флюсов материал, съдържащ 29% от теглото на слитъка, включително 36,5% доломит, 36,5% феросилициев прах, 24% талк и 3% В допълнение към укрепващия ефект на защитния слой, калциево-силициевата сплав също изглежда подобрява възстановяването на магнезия. Степента на възстановяване на магнезий за второто нагряване (84,00%), без добавяне на калциева -силициева сплав, беше по-ниска от степента на възстановяване на магнезий за седмото нагряване (87,35%), произведена при същите условия, но с добавяне на калциев-силиций. Това по-високо възстановяване на магнезий доведе до по-високо съдържание на магнезий в произведената MgFeSi сплав, вариращо от 9,04% до 10,89%.

Освен това, чрез покриване на 90% от повърхността на магнезиевия блок със защитен слой, възстановяването на общите редкоземни елементи (Ce+La) се увеличава от 88,7% при използване на непокрити магнезиеви блокове до по-високи стойности от 95,26–99,59%.

В сравнение с много по-ниските нива на възстановяване на магнезий (не повече от 13,8%), постигнати при редуциране на Каберне доломит със силиций или двуалуминиев оксид, или максималното възстановяване на магнезий от 71%, постигнато, когато магнезият се излугва в стопилките на феросилиций, значително по-високият процент на възстановяване на магнезий в това изследване (87,35%) може да се дължи на няколко фактора. При изливане на стопен феросилиций върху магнезиев слитък без покритие, магнезият реагира енергично поради ниската си плътност, ниската точка на кипене и високото налягане на парите при температури на стопения феросилиций, което води до значително изпаряване на магнезий. Освен това, без шлаката да покрива разтопената метална повърхност, магнезият се окислява, което води до ниско възстановяване на магнезий.

Чрез покриване на 90% от повърхността на магнезиевия блок, останалият непокрит магнезий започва да реагира и покритието играе основна роля за намаляване на загубата на магнезий. Ако феросилициевият прах е покрит върху повърхността на магнезиевия слитък, неговото топене е ендотермичен процес, абсорбиращ топлина и по този начин понижаващ температурата на разтопения басейн, забавяйки магнезиевата реакция и минимизирайки загубата на магнезий поради изпаряване.

В допълнение към положителното си действие върху другите компоненти на сместа (доломит, талк и борна киселина), защитният слой от феросилициев прах има и други ефекти. Разлагането на доломит и талкова руда е ендотермична реакция, която намалява температурата на разтопения басейн. Борната киселина губи цялата вода над 150 градуса и се превръща в борен оксид (B2O3₎, който действа като флюс и понижава точката на топене на различните оксиди_наталк и доломит, като по този начин увеличава течливостта на шлаката, образувана от тези оксиди. Получената течна шлака има по-ниска плътност от разтопения метал и плува върху повърхността на разтопения метал, образувайки ефективен защитен слой, който предотвратява проникването на атмосферния кислород в разтопения метал и намалява окисляването на магнезий. Този слой от шлака също така предотвратява изтичането на магнезиеви пари, които могат да се образуват, във въздуха. В резултат на това всички магнезиеви пари, които могат да се образуват, имат време да реагират със силиций и калций, за да образуват магнезиев силицид и калциево-магнезиев силицид. XRD анализ на получената сплав на магнезий-желязо-силиций разкри образуването на магнезиев силицид (_Mg2Образуваните интерметални фази на магнезиев силицид и калциев магнезиев силицид намаляват парциалното парциално налягане на магнезия в стопения метал.

В допълнение, малкото количество магнезиев оксид в талк и доломит може да бъде частично редуцирано до Mg или магнезиевият силицид може да влезе в получената фаза на сплавта, като по този начин се подобри степента на възстановяване на магнезия. Наличието на CaO улеснява редуцирането на MgO до Mg2Si_,и температурата на намаляване може да достигне 1650-1750 градуса.

В заключение

За производството на сплави на магнезий-силиций-желязо, съдържащи калций и редкоземни елементи, покриването на защитен слой от флюса върху повърхността на магнезиевия блок може ефективно да подобри степента на възстановяване на магнезия.

Чрез покриване на 90% от повърхността на магнезиевия слитък с феросилициев фин прах, еквивалентен на 44% от теглото на слитъка, степента на възстановяване на магнезий се увеличава от 69,49% на 84,96%.

По-високо възстановяване на магнезий от 85,11–87,35% се постига чрез покриване на 90% от повърхността на магнезиевия слитък със защитен слой, състоящ се от смес от доломит, талк и борна киселина или доломит, талк, борна киселина и феросилициев прах.

В допълнение към подобряването на защитния слой, калциево-силициевата сплав изглежда помага и за подобряване на възстановяването на магнезия.

Най-голямото възстановяване на магнезий (87,35%) се постига чрез покриване на 90% от повърхността на магнезиевия блок със защитен слой от смесен флюсов материал. Този защитен слой, който представлява 29% от теглото на блока, се състои от 36,5% доломит, 36,5% феросилициев прах, 24% талк и 3% борна киселина.

В допълнение към по-високото възстановяване на магнезий, степента на възстановяване на общия редкоземен елемент (Ce+La) също беше увеличена от 88,7% на 95,26-99,59% чрез използване на непокрити магнезиеви блокове (чрез прилагане на защитно покритие върху 90% от повърхността на магнезиевия блок).

Високата степен на възстановяване на магнезия води до високо съдържание на магнезий в произведената MgFeSi сплав, вариращо от 9,04% до 10,89%. При оптимални условия на защита може безопасно да се получи феросилико-магнезиева сплав, съдържаща 9,58% магнезий, 1,26% редкоземни елементи и 1,52% калций.