Inovativen varen postopek za proizvodnjo zlitine MgFeSi, ki vsebuje kalcij in redke zemeljske elemente

Predstavite

Magnezijevo-železo-silicijeva zlitina (MgFeSi) se običajno uporablja v industriji livarstva železa kot bistveni dodatek pri proizvodnji nodularnega železa za spodbujanje disperzije in tvorbe sferičnega grafita ali grafitnih nodulov znotraj matrice. Ta grafitna oblika daje materialu odlično duktilnost, kar povzroči material, ki združuje dobro duktilnost z visoko trdnostjo, dobro obdelovalnostjo in gladko površino.

Z odkritjem sferoidnih grafitnih struktur je bila predlagana in preizkušena uporaba magnezija za tvorbo sferoidnega grafita znotraj železove matrice kot zamenjava za tradicionalni kosmičasti grafit. Čeprav je magnezij zelo učinkovit kot nodularizator, njegova nizka gostota (1,74 gm cm⁻³), nizko vrelišče (1107 stopinj), omejena topnost v litem železu in visok parni tlak pri proizvodnih temperaturah nodularne litine otežujejo uporabo čistega magnezija. Dodatek magnezija povzroči tudi burno reakcijo, ki povzroči intenzivno vznemirjenje staljenega železa in nastajanje belih hlapov magnezijevega oksida, kar povzroči izgubo magnezija in zmanjšano pridobivanje magnezija.

Raziskave so pokazale, da se magnezij raztopi v staljenih ferosilicijevih zlitinah in tvori stabilen magnezijev silicid. Nastala zlitina MgFeSi ima večjo gostoto kot čista magnezijeva kovina in velja za odlično zlitino za uvajanje magnezija v staljeno lito železo. Za tvorbo magnezijevega silicida in zmanjšanje resnosti reakcije je optimalna vsebnost silicija v ferosilicijevih-magnezijevih zlitinah 40 % do 50 %, medtem ko je vsebnost magnezija običajno med 5 % in 10 %.

Kasnejše raziskave so pokazale, da lahko kalcij tvori sferični grafit in zmanjša izgubo magnezija. Dodajanje kalcija ferosilicijevim-magnezijevim zlitinam v strukturo uvede drugo fazo,-ki vsebuje magnezij, CaMgSi2_,zmanjša hitrost reakcije in tako pozitivno vpliva na pridobivanje magnezija. Elementi redkih zemelj so prav tako pokazali sposobnost oblikovanja sferičnih struktur, cerij (Ce) in lantan (La) pa sta bila pozneje uvedena v proizvodnjo ferosilicijevih-magnezijevih zlitin.

Ferosilicijeve zlitine,-ki vsebujejo magnezij, je mogoče proizvesti z redukcijo rud,-ki vsebujejo magnezij (kot je dolomit), z ogljikom, silicijem ali aluminijem. Vendar uporaba ogljika kot redukcijskega sredstva v elektroobločni peči za proizvodnjo ferosilicijevih zlitin,-ki vsebujejo magnezij, predstavlja znatne izzive zaradi visoke delovne temperature in parnega tlaka magnezija. Poleg tega zaradi visokih stroškov uporabe aluminija v proizvodnem procesu in visoke vsebnosti aluminija v dobljeni zlitini ta postopek ni idealen. Poleg tega stopnje izkoristka magnezija ne presegajo 13,8 % pri redukciji žgane dolomitne rude s silicijem ali redukcijo silicija-aluminija.

Poleg postopka redukcije lahko zlitine magnezija-železa in silicija z vsebnostjo magnezija približno 5,5 % proizvedemo tudi s potopitvijo magnezijevih ingotov v staljeni ferosilicij. Metoda potopitve je bolj ekonomična od redukcijske metode, vendar ima tehnične izzive. Magnezij reagira s staljenim ferosilicijem, pri čemer nastane visoka temperatura, iskre, dim in hlapi. Nizki sta tudi vsebnost magnezija in stopnja izkoristka magnezija v zlitini. V drugi študiji so raziskovalci izvedli laboratorijske poskuse za potopitev magnezija v talino ferosilicija, da bi zmanjšali resnost reakcije in povečali vsebnost silicija do 75 %. Vendar je bila največja stopnja izkoristka magnezija le 71 %, vsebnost magnezija v končni zlitini pa ni presegla 9,5 %. Poleg tega ima proizvedena zlitina MgFeSi visoko vsebnost silicija 65–75 %. , ki ni primeren za izdelavo ulitkov iz nodularne litine. Druga tehnika je taljenje magnezijevega silicida in ferosilicija skupaj, da se proizvede magnezij-ferosilicijeva zlitina. Poskusi so bili izvedeni v laboratoriju. Ta metoda zahteva taljenje v atmosferi inertnega plina in uporabo tlakov nad atmosferskim tlakom za zmanjšanje oksidacije magnezija. Druga metoda za proizvodnjo magnezij-ferosilicijeve zlitine je ponovno taljenje magnezija, hkrati pa ga zaščitite pred oksidacijo z žlindro. Trden ferosilicij se počasi dodaja talini, medtem ko se temperatura postopoma povečuje. Ta postopek sledi diagramu razmerja med silicijem-magnezijem, da se ohrani fluidnost in ohrani kovina v tekočem stanju. Ta metoda je zapletena in zahteva natančno ravnovesje med količino dodanega ferosilicija in povišanjem temperature. Ker je treba velike količine ferosilicija dodajati počasi, se čas segrevanja podaljša, kar povzroči nizko produktivnost.

Če povzamemo, se vse različne metode za proizvodnjo magnezijevih-železovih-silicijevih zlitin soočajo z izzivi, zlasti z nizkimi stopnjami pridobivanja magnezija. Magnezij je najdražja surovina v procesu, kar vodi do višjih proizvodnih stroškov in negativno vpliva na ekonomičnost proizvodnega procesa. Zato so potrebne nadaljnje raziskave, da bi našli varnejšo metodo za proizvodnjo ferosilicijevih-magnezijevih zlitin z višjimi stopnjami pridobivanja magnezija.

Namen te študije je raziskati metodo za varno proizvodnjo zlitin silicija-magnezija-železa, ki vsebujejo redke zemeljske elemente in z visokim izkoristkom magnezija.

Eksperimentirajte

Za določitev optimalnih pogojev za proizvodnjo ferosilicijevih-magnezijevih zlitin z visoko vsebnostjo magnezija in maksimalnim izkoristkom magnezija so bili zasnovani in izvedeni poskusi pilotnih peči v pilotnem obratu za železo, jeklo in ferolegure Kitajskega inštituta za metalurške raziskave in oblikovanje (Pilotni obrat). Pri poskusih so uporabili elektroobločno peč in različne postopke litja. Surovine, potrebne za pilotne poskuse, so bile identificirane in so vključevale ferosilicijevo zlitino, jeklene odpadke, magnezijeve ingote, kalcijeve -silicijeve zlitine, elemente redkih zemelj, talila in materiale za prevleke (ferosilicij v prahu, dolomit, smukec in borovo kislino). Rentgenske in mokre kemične analize so bile izvedene na različnih surovinah.

Uporabljeni magnezijev ingot vsebuje 99 % Mg, borova kislina pa 99,9 %_{% H3BO3}

Na podlagi kemijske analize različnih surovin je bila izvedena materialna bilanca za proizvodnjo zlitine MgFeSi, ki vsebuje 40–46 % Si, 9–11 % Mg, 1–1,5 % Ca in 1,25–1,5 % REE (Ce in La). Zahtevane količine različnih surovin so bile določene na podlagi materialne bilance. 5.1–5,65 kg magnezijevega ingota smo dodali za proizvodnjo zlitine MgFeSi, ki vsebuje 9–11 % Mg. Surovine, uporabljene za prevleko magnezijevega ingota (ferosilicij v prahu, dolomit, smukec in borova kislina), so imele velikost delcev manj kot 3 mm. Različne komponente magnezijeve površinske prevleke smo temeljito zmešali v mešalniku, nato pa smo nanesli preprosto prevleko na 90 % površine ingota z uporabo natrijevega silikata kot veziva.

Izvedenih je bilo sedem pilotnih poskusov za proizvodnjo magnezijevih-ferosilicijevih zlitin, ki vsebujejo kalcij in elemente redkih zemelj. Staljeni ferosilicij je bil proizveden z uporabo električne obločne peči 100 kVA. V teh poskusih je polnjenje vsebovalo bodisi 40 kg ferosilicijeve zlitine in 15 kg odpadnega jekla ali 41,5 kg ferosilicijeve zlitine in 13,5 kg odpadnega jekla, da se zmanjša vsebnost silicija in poveča vsebnost železa, s čimer se pridobi ferosilicijeva talina z želeno vsebnostjo silicija. Optimalna vsebnost silicija za ferosilicijeve-magnezijeve zlitine je 40 % do 50 %, da se olajša tvorba magnezijevih silicidov in zmanjša resnost reakcije. Po popolnem taljenju pri 1600 stopinjah so staljeno kovino vlili v vročo posodo, ki je vsebovala kalcijev silicij, elemente redkih zemelj in magnezijeve ingote. Slika 1 prikazuje shematski diagram postopka litja za proizvodnjo zlitine MgFeSi. Magnezijeve ingote, prevlečene s ščitom proti pretoku ali neprevlečene z redkimi zemeljskimi kovinami, smo položili na dno vroče zajemalke, prekrili s kalcijevim silicijem in nato prelili s staljenim FeSi, kot je prikazano na sliki 1. V enem poskusu (skupina 1) so uporabili neprevlečene ingote magnezija. V drugih poskusih je bilo 90 % površine magnezijevih ingotov prevlečenih s finim prahom FeSi ali mešanico različnih talil in materialov za prevleko z natrijevim silikatom kot vezivom, da bi preučili učinek postopka prevleke na pridobivanje magnezija. Dodatki so bili izbrani za spodbujanje endotermnih reakcij v talini in s tem znižanje temperature.

Po dovajanju je taljenje različnih komponent in njihova reakcija s staljenim ferosilicijem končana v 2-3 minutah. Nastalo kovino stehtamo in vzamemo reprezentativni vzorec zlitine za kemijsko analizo XRF. XRD analiza se izvede tudi na dobljenem vzorcu zlitine.

Slika 1

 ​

​

Rezultati pridobivanja magnezija dokazujejo učinkovitost inovativnega postopka pri izboljšanju pridobivanja magnezija v proizvodnji magnezij-fero-silicijeve zlitine. Ko so staljeni ferosilicij vlili v lonec, ki je vseboval kalcijev silicij, elemente redkih zemelj in neprevlečene magnezijeve ingote, je bil izkoristek magnezija nizek, 69,49 %. S prevleko 90 % površine magnezijevega ingota s ferosilicijevim prahom, ki ustreza 44 % teže ingota, se je izkoristek magnezija povečal na 84,96 %. S prevleko 90 % površine magnezijevega ingota z zaščitno plastjo, sestavljeno iz mešanice dolomita, smukca in borove kisline ali dolomita, smukca, borove kisline in ferosilicijevega prahu, se je izkoristek magnezija povečal na 85,11 % do 87,35 %. Najvišji izkoristek magnezija (87,35 %) je bil dosežen s prevleko 90 % površine magnezijevega ingota z zaščitno plastjo, sestavljeno iz mešanega talilnega materiala, ki vsebuje 29 % teže ingota, vključno s 36,5 % dolomitom, 36,5 % ferosilicijevega prahu, 24 % smukca in 3 %. Poleg ojačitvenega učinka zaščitne plasti je zdi se, da tudi kalcijeve-silicijeve zlitine izboljšajo pridobivanje magnezija. Stopnja izkoristka magnezija za drugo segrevanje (84,00 %) brez dodatka kalcijeve-silicijeve zlitine je bila nižja od stopnje izkoristka magnezija za sedmo segrevanje (87,35 %), proizvedeno pod enakimi pogoji, vendar z dodatkom kalcijevega-silicija. Ta višja izkoristek magnezija je povzročila višjo vsebnost magnezija v proizvedeni zlitini MgFeSi, in sicer od 9,04 % do 10,89 %.

Poleg tega se je s prevleko 90 % površine magnezijevega ingota z zaščitno plastjo izkoristek skupnih elementov redkih zemelj (Ce+La) povečal z 88,7 % pri uporabi neprevlečenih magnezijevih ingotov na višje vrednosti 95,26–99,59 %.

V primerjavi z veliko nižjimi stopnjami izkoristka magnezija (ne več kot 13,8 %), doseženimi pri redukciji Cabernet dolomita s silicijem ali aluminijevim oksidom, ali največjim izkoristkom magnezija 71 %, doseženim, ko je bil magnezij izlužen v ferosilicijeve taline, lahko znatno višjo stopnjo izkoristka magnezija v tej študiji (87,35 %) pripišemo več dejavnikom. Pri vlivanju staljenega ferosilicija na magnezijev ingot brez prevleke, magnezij močno reagira zaradi svoje nizke gostote, nizkega vrelišča in visokega parnega tlaka pri temperaturah staljenega ferosilicija, kar povzroči znatno izhlapevanje magnezija. Poleg tega magnezij oksidira brez žlindre, ki pokriva površino staljene kovine, kar vodi do nizkega izkoristka magnezija.

S prevleko 90 % površine magnezijevega ingota začne preostali neprevlečeni magnezij reagirati, prevleka pa igra pomembno vlogo pri zmanjševanju izgube magnezija. Če je ferosilicij v prahu prevlečen na površini magnezijevega ingota, je njegovo taljenje endotermni proces, ki absorbira toploto in tako zniža temperaturo bazena staline, upočasni reakcijo magnezija in zmanjša izgubo magnezija zaradi izhlapevanja.

Zaščitni sloj ferosilicijevega prahu ima poleg pozitivnega delovanja na ostale sestavine zmesi (dolomit, smukec in borova kislina) še druge učinke. Razgradnja dolomita in smukca je endotermna reakcija, ki zniža temperaturo bazena staline. Borova kislina izgubi vso vodo nad 150 stopinj in se pretvori v borov oksid (B2O3₎, ki deluje kot tok in znižuje tališče različnih oksidov_odsmukec in dolomit, s čimer se poveča fluidnost žlindre, ki jo tvorijo ti oksidi. Nastala tekoča žlindra ima manjšo gostoto kot staljena kovina in plava na površini staljene kovine ter tvori učinkovito zaščitno plast, ki preprečuje prodiranje atmosferskega kisika v staljeno kovino in zmanjšuje oksidacijo magnezija. Ta plast žlindre prav tako preprečuje, da bi magnezijeve pare, ki lahko nastanejo, uhajale v zrak. Posledično imajo vse magnezijeve pare, ki lahko nastanejo, čas, da reagirajo s silicijem in kalcijem, da nastanejo magnezijev silicid in kalcijev magnezijev silicid. XRD analiza dobljene magnezijeve-železove-silicijeve zlitine je pokazala nastanek magnezijevega silicida (_Mg2Nastali intermetalni fazi magnezijevega silicida in kalcijevega magnezijevega silicida zmanjšata parcialni tlak magnezija v staljeni kovini.

Poleg tega se lahko majhna količina magnezijevega oksida v smukcu in dolomitu delno reducira v Mg ali pa lahko magnezijev silicid vstopi v fazo nastale zlitine, s čimer se izboljša stopnja izkoristka magnezija. Zaradi prisotnosti CaO se MgO lažje reducira v Mg2Si_,in redukcijska temperatura lahko doseže 1650-1750 stopinj.

Za zaključek

Za proizvodnjo magnezij-silicijevih-železovih zlitin, ki vsebujejo kalcij in redke zemeljske elemente, lahko prevleka zaščitne plasti proti fluksu na površini magnezijevega ingota učinkovito izboljša stopnjo pridobivanja magnezija.

S prevleko 90 % površine magnezijevega ingota s ferosilicijevim finim prahom, ki ustreza 44 % teže ingota, se je stopnja izkoristka magnezija povečala z 69,49 % na 84,96 %.

Višji izkoristek magnezija 85,11–87,35 % je bil dosežen s prevleko 90 % površine magnezijevega ingota z zaščitno plastjo, sestavljeno iz mešanice dolomita, smukca in borove kisline ali dolomita, smukca, borove kisline in ferosilicijevega prahu.

Zdi se, da kalcijeva-silicijeva zlitina poleg izboljšanja zaščitne plasti pomaga tudi pri izboljšanju izkoristka magnezija.

Največji izkoristek magnezija (87,35 %) je bil dosežen s prevleko 90 % površine magnezijevega ingota z zaščitno plastjo mešanega talilnega materiala. Ta zaščitna plast, ki predstavlja 29% teže ingota, je sestavljena iz 36,5% dolomita, 36,5% ferosilicijevega prahu, 24% smukca in 3% borove kisline.

Poleg večjega izkoristka magnezija se je povečala tudi skupna stopnja izkoristka redkih zemeljskih elementov (Ce+La) z 88,7 % na 95,26-99,59 % z uporabo neprevlečenih magnezijevih ingotov (z nanosom zaščitnega premaza na 90 % površine magnezijevega ingota).

Visoka stopnja izkoristka magnezija ima za posledico visoko vsebnost magnezija v proizvedeni zlitini MgFeSi, ki sega od 9,04 % do 10,89 %. Pod optimalnimi zaščitnimi pogoji je mogoče varno pridobiti ferosilicijevo-magnezijevo zlitino, ki vsebuje 9,58 % magnezija, 1,26 % elementov redkih zemelj in 1,52 % kalcija.