En innovativ sikker prosess for å produsere MgFeSi-legering som inneholder kalsium og sjeldne jordelementer

Introdusere

Magnesium-jern-silisiumlegering (MgFeSi) brukes ofte i jernstøpeindustrien som et viktig tilsetningsstoff i produksjonen av duktilt jern for å fremme spredning og dannelse av sfærisk grafitt, eller grafittknuter, i matrisen. Denne grafittformen gir utmerket duktilitet til materialet, noe som resulterer i et materiale som kombinerer god duktilitet med høy styrke, god bearbeidbarhet og en jevn overflatefinish.

Med oppdagelsen av sfæroidale grafittstrukturer ble bruken av magnesium for å danne sfæroidal grafitt i en jernmatrise foreslått og testet som en erstatning for tradisjonell flakgrafitt. Selv om magnesium er svært effektivt som et nodulariseringsmiddel, er dets lave tetthet (1,74 gm cm⁻³), lavt kokepunkt (1107 grader ), begrenset løselighet i støpejern og høyt damptrykk ved produksjonstemperaturer for duktilt jern gjør det vanskelig å bruke rent magnesium. Tilsetning av magnesium resulterer også i en voldsom reaksjon, som forårsaker intens omrøring av det smeltede jernet og dannelse av hvite magnesiumoksiddamper, noe som resulterer i magnesiumtap og redusert magnesiumgjenvinning.

Forskning har funnet at magnesium oppløses i smeltede ferrosilisiumlegeringer for å danne stabilt magnesiumsilisid. Den resulterende MgFeSi-legeringen har en høyere tetthet enn rent magnesiummetall og regnes som en utmerket legering for å introdusere magnesium i smeltet støpejern. For å danne magnesiumsilisid og redusere alvorlighetsgraden av reaksjonen, er det optimale silisiuminnholdet i ferrosilisium-magnesiumlegeringer 40 % til 50 %, mens magnesiuminnholdet typisk er mellom 5 % og 10 %.

Senere forskning viste at kalsium kan danne sfærisk grafitt og redusere magnesiumtap. Tilsetning av kalsium til ferrosilisium-magnesiumlegeringer introduserer en andre magnesiumholdig-fase, CaMgSi2, i strukturen_,redusere reaksjonshastigheten og dermed positivt påvirke magnesiumutvinningen. Sjeldne jordartselementer demonstrerte også evnen til å danne sfæriske strukturer, og cerium (Ce) og lantan (La) ble deretter introdusert i produksjonen av ferrosilisium-magnesiumlegeringer.

Magnesium-holdige ferrosilisiumlegeringer kan produseres ved å redusere magnesiumholdige-malmer (som dolomitt) med karbon, silisium eller aluminium. Men bruk av karbon som reduksjonsmiddel i en lysbueovn for å produsere magnesium-holdig ferrosilisiumlegeringer byr på betydelige utfordringer på grunn av den høye driftstemperaturen og damptrykket til magnesium. Videre gjør de høye kostnadene ved å bruke aluminium i produksjonsprosessen og det høye aluminiuminnholdet i den resulterende legeringen denne prosessen mindre enn ideell. Videre overstiger ikke magnesiumutvinningsgraden 13,8 % ved reduksjon av kalsinert dolomittmalm med silisium- eller silisium-aluminiumreduksjon.

I tillegg til reduksjonsprosessen kan magnesium-jernsilisiumlegeringer med et magnesiuminnhold på ca. 5,5 % også produseres ved å dyppe magnesiumblokker i smeltet ferrosilisium. Nedsenkingsmetoden er mer økonomisk enn reduksjonsmetoden, men den har tekniske utfordringer. Magnesium reagerer med smeltet ferrosilisium, og genererer høy varme, gnister, røyk og røyk. Magnesiuminnholdet og magnesiumgjenvinningshastigheten til legeringen er også lav. I en annen studie utførte forskere laboratorieeksperimenter for å senke magnesium i ferrosilisiumsmelte for å redusere alvorlighetsgraden av reaksjonen og øke silisiuminnholdet til så høyt som 75%. Imidlertid var den maksimale magnesiumgjenvinningsgraden bare 71 %, og magnesiuminnholdet i den endelige legeringen oversteg ikke 9,5 %. I tillegg har den produserte MgFeSi-legeringen et høyt silisiuminnhold på 65–75 %. , som ikke er egnet for fremstilling av duktile støpegods. En annen teknikk er å smelte magnesiumsilisium og ferrosilisium sammen for å produsere magnesium-ferrosilisiumlegering. Eksperimenter ble utført i laboratoriet. Denne metoden krever smelting under en inert gassatmosfære og bruk av trykk over atmosfærisk trykk for å redusere magnesiumoksidasjon. En annen metode for å produsere magnesium-ferrosilisiumlegering er å omsmelte magnesiumet samtidig som det beskyttes mot oksidasjon med slagg. Fast ferrosilisium tilsettes sakte til smelten ettersom temperaturen gradvis øker. Denne prosessen følger silisium-magnesiumforholdsdiagrammet for å opprettholde flyten og holde metallet i flytende tilstand. Denne metoden er kompleks og krever en nøye balanse mellom mengden ferrosilisium som tilsettes og temperaturøkningen. Fordi store mengder ferrosilisium må tilsettes sakte, forlenges oppvarmingstiden, noe som gir lav produktivitet.

Oppsummert står alle forskjellige metoder for å produsere magnesium-jern-silisiumlegeringer overfor utfordringer, spesielt lav magnesiumutvinningsgrad. Magnesium er det dyreste råstoffet i prosessen, noe som fører til økte produksjonskostnader og negativ innvirkning på økonomien i produksjonsprosessen. Derfor er det nødvendig med ytterligere forskning for å finne en sikrere metode for å produsere ferrosilisium-magnesiumlegeringer med høyere utvinningshastigheter for magnesium.

Denne studien tar sikte på å utforske en metode for sikker produksjon av silisium-magnesium-jernlegeringer som inneholder sjeldne jordartsmetaller og med høy magnesiumgjenvinning.

Eksperiment

For å bestemme de optimale forholdene for å produsere ferrosilisium-magnesiumlegeringer med høyt magnesiuminnhold og maksimal magnesiumgjenvinning, ble pilotovnsforsøk designet og utført ved China Metallurgical Research and Design Institutes Iron and Steel and Ferroalloy Pilot Facility (pilotanlegg). Forsøkene brukte en lysbueovn og forskjellige støpeprosesser. Råvarene som kreves for pilotforsøkene ble identifisert og inkluderte ferrosilisiumlegering, stålskrap, magnesiumblokker, kalsium-silisiumlegering, sjeldne jordartsmetaller, flussmiddel og beleggmaterialer (ferrosilisiumpulver, dolomitt, talkum og borsyre). Røntgen- og våtkjemisk analyse ble utført på de ulike råvarene.

Magnesiumbarren som brukes inneholder 99 % Mg og borsyren inneholder 99,9_{% H3BO3}

Basert på kjemisk analyse av de ulike råvarene ble det utført en materialbalanse for å produsere en MgFeSi-legering inneholdende 40–46 % Si, 9–11 % Mg, 1–1,5 % Ca og 1,25–1,5 % REEs (Ce og La). De nødvendige mengder av de forskjellige råvarene ble bestemt basert på materialbalansen. 5.1–5,65 kg magnesiumbarre ble tilsatt for å produsere en MgFeSi-legering som inneholdt 9–11 % Mg. Råvarene som ble brukt til å belegge magnesiumblokken (ferrosilisiumpulver, dolomitt, talkum og borsyre) hadde en partikkelstørrelse på mindre enn 3 mm. De ulike komponentene i magnesiumoverflatebelegget ble grundig blandet i en blender, og deretter ble et enkelt belegg påført på 90 % av barrens overflate ved bruk av natriumsilikat som bindemiddel.

Syv piloteksperimenter ble utført for å produsere magnesium-ferrosilisiumlegeringer som inneholder kalsium og sjeldne jordartsmetaller. Smeltet ferrosilisium ble produsert ved bruk av en 100 kVA lysbueovn. I disse forsøkene bestod ladningen av enten 40 kg ferrosilisiumlegering og 15 kg skrapstål eller 41,5 kg ferrosilisiumlegering og 13,5 kg skrapstål for å redusere silisiuminnholdet og øke jerninnholdet, for derved å oppnå en ferrosilisiumsmelte med ønsket silisiuminnhold. Det optimale silisiuminnholdet for ferrosilisium-magnesiumlegeringer er 40 % til 50 % for å lette dannelsen av magnesiumsilicider og redusere alvorlighetsgraden av reaksjonen. Etter fullstendig smelting ved 1600 grader ble det smeltede metallet helt over i en varm øse som inneholdt kalsiumsilisium, sjeldne jordelementer og magnesiumblokker. Figur 1 viser et skjematisk diagram av støpeprosessen for fremstilling av MgFeSi-legeringen. Magnesiumblokker belagt med et flussskjold eller ubelagt med sjeldne jordmetaller ble plassert i bunnen av den varme øsen, dekket med kalsiumsilisium, og deretter helt med smeltet FeSi, som vist i figur 1. I ett forsøk (gruppe 1) ble ubelagte magnesiumblokker brukt. I de andre forsøkene ble 90 % overflaten av magnesiumbarrer belagt med FeSi fint pulver eller en blanding av forskjellige flussmidler og belegningsmaterialer med natriumsilikat som bindemiddel for å studere effekten av belegningsprosessen på magnesiumgjenvinning. Tilsetningsstoffer ble valgt for å fremme endoterme reaksjoner i smelten, og derved redusere temperaturen.

Etter tapping er smeltingen av de forskjellige komponentene og deres reaksjon med smeltet ferrosilisium fullført i løpet av 2-3 minutter. Det resulterende metallet veies, og en representativ legeringsprøve tas for XRF kjemisk analyse. XRD-analyse utføres også på den resulterende legeringsprøven.

Figur 1

 ​

​

Magnesiumgjenvinningsresultatene demonstrerer effektiviteten til den innovative prosessen for å forbedre magnesiumutvinningen i magnesium-ferro-silisiumlegeringsproduksjon. Når smeltet ferrosilisium ble helt i en øse som inneholdt kalsiumsilisium, sjeldne jordartselementer og ubelagte magnesiumblokker, var magnesiumgjenvinningen lav på 69,49 %. Ved å belegge 90 % av magnesiumblokkens overflate med ferrosilisiumpulver tilsvarende 44 % av blokkens vekt, ble magnesiumutvinningen økt til 84,96 %. Ved å belegge 90 % av magnesiumblokkens overflate med et beskyttende lag bestående av en blanding av dolomitt, talkum og borsyre, eller dolomitt, talkum, borsyre og ferrosilisiumpulver, ble magnesiumutvinningen økt til 85,11 % til 87,35 %. Den høyeste magnesiumgjenvinningen (87,35 %) ble oppnådd ved å belegge 90 % av magnesiumblokkens overflate med et beskyttende lag bestående av et blandet flussmateriale bestående av 29 % av blokkens vekt, inkludert 36,5 % dolomitt, 36,5 % ferrosilisiumpulver, 24 % talkum og 3 % I tillegg til det{ilikonbeskyttende laget, styrker alle kalsiumbeskyttende lag20}. ser ut til å forbedre magnesiumutvinningen. Magnesiumgjenvinningsgraden for den andre varmen (84,00 %), uten tilsetning av kalsium-silisiumlegering, var lavere enn magnesiumgjenvinningsgraden for den syvende varmen (87,35 %), produsert under de samme forholdene, men med tilsetning av kalsium-silisium. Denne høyere magnesiumgjenvinningen resulterte i et høyere magnesiuminnhold i den produserte MgFeSi-legeringen, fra 9,04 % til 10,89 %.

Videre, ved å belegge 90 % av magnesiumblokkens overflate med et beskyttende lag, økte gjenvinningen av totalt sjeldne jordartselementer (Ce+La) fra 88,7 % ved bruk av ubelagte magnesiumblokker til høyere verdier på 95,26–99,59 %.

Sammenlignet med de mye lavere magnesiumutvinningsgradene (ikke mer enn 13,8 %) oppnådd ved reduksjon av Cabernet-dolomitt med silisium eller aluminiumoksyd, eller den maksimale magnesiumgjenvinningen på 71 % oppnådd når magnesium ble utlutet til ferrosilisiumsmelter, kan den betydelig høyere magnesiumgjenvinningsgraden i denne studien (87,35 %) tilskrives flere faktorer. Når smeltet ferrosilisium helles på en ubelagt magnesiumblokk, reagerer magnesium kraftig på grunn av dens lave tetthet, lave kokepunkt og høye damptrykk ved temperaturer av smeltet ferrosilisium, noe som resulterer i betydelig magnesiumfordampning. Videre, uten slagg som dekker den smeltede metalloverflaten, oksiderer magnesium, noe som fører til lav magnesiumutvinning.

Ved å belegge 90 % av magnesiumblokkens overflate, begynner det gjenværende ubelagte magnesium å reagere, og belegget spiller en viktig rolle for å redusere magnesiumtapet. Hvis ferrosilisiumpulver er belagt på overflaten av magnesiumblokken, er dets smelting en endoterm prosess som absorberer varme og reduserer dermed temperaturen i smeltet basseng, bremser magnesiumreaksjonen og minimerer magnesiumtap på grunn av fordampning.

I tillegg til sin positive effekt på de andre komponentene i blandingen (dolomitt, talkum og borsyre), har det beskyttende laget av ferrosilisiumpulver andre effekter. Nedbrytningen av dolomitt og talkum er en endoterm reaksjon som reduserer temperaturen i smeltebassenget. Borsyre mister alt vann over 150 grader og omdannes til boroksid (B2O3₎, som fungerer som en fluss og senker smeltepunktet til de forskjellige oksidene_avtalkum og dolomitt, og øker dermed fluiditeten til slagget som dannes av disse oksidene. Det resulterende flytende slagget har lavere tetthet enn det smeltede metallet og flyter på overflaten av det smeltede metallet, og danner et effektivt beskyttende lag som hindrer atmosfærisk oksygen i å trenge inn i det smeltede metallet og reduserer oksidasjonen av magnesium. Dette slagglaget forhindrer også at eventuell magnesiumdamp som kan dannes slipper ut i luften. Som et resultat vil eventuell magnesiumdamp som kan dannes, reagere med silisium og kalsium for å danne magnesiumsilisid og kalsiummagnesiumsilisid. XRD-analyse av den resulterende magnesium-jern-silisiumlegeringen avslørte dannelsen av magnesiumsilisid (_Mg2Det dannede magnesiumsilisid og kalsiummagnesiumsilisid intermetalliske faser reduserer damppartialtrykket til magnesium i det smeltede metallet.

I tillegg kan den lille mengden magnesiumoksid i talkum og dolomitt reduseres delvis til Mg, eller magnesiumsilisid kan gå inn i den resulterende legeringsfasen, og dermed forbedre magnesiumutvinningshastigheten. Tilstedeværelsen av CaO gjør det lettere for MgO å reduseres til Mg2Si_,og reduksjonstemperaturen kan nå 1650-1750 grader.

Avslutningsvis

For produksjon av magnesium-silisium-jernlegeringer som inneholder kalsium og sjeldne jordartsmetaller, kan belegging av et flussbeskyttende lag på overflaten av magnesiumblokken effektivt forbedre magnesiumutvinningshastigheten.

Ved å belegge 90 % av magnesiumblokkens overflate med fint ferrosilisiumpulver tilsvarende 44 % av blokkens vekt, økte magnesiumutvinningsgraden fra 69,49 % til 84,96 %.

Høyere magnesiumgjenvinning på 85,11–87,35 % ble oppnådd ved å belegge 90 % av magnesiumblokkens overflate med et beskyttende lag bestående av en blanding av dolomitt, talkum og borsyre eller dolomitt, talkum, borsyre og ferrosilisiumpulver.

I tillegg til å forbedre det beskyttende laget ser kalsium-silisiumlegeringen også ut til å bidra til å forbedre magnesiumgjenvinningen.

Den høyeste magnesiumgjenvinningen (87,35 %) ble oppnådd ved å belegge 90 % av magnesiumblokkens overflate med et beskyttende lag av blandet flussmateriale. Dette beskyttende laget, som utgjør 29 % av blokkens vekt, består av 36,5 % dolomitt, 36,5 % ferrosilisiumpulver, 24 % talkum og 3 % borsyre.

I tillegg til høyere magnesiumutvinning, ble den totale gjenvinningsgraden for sjeldne jordarter (Ce+La) også økt fra 88,7 % til 95,26-99,59 % ved å bruke ubelagte magnesiumblokker (ved å påføre et beskyttende belegg på 90 % av magnesiumblokkens overflate).

Den høye magnesiumgjenvinningsgraden resulterer i et høyt magnesiuminnhold i den produserte MgFeSi-legeringen, fra 9,04 % til 10,89 %. Under optimale beskyttelsesforhold kan en ferrosilisium-magnesiumlegering som inneholder 9,58 % magnesium, 1,26 % sjeldne jordartselementer og 1,52 % kalsium oppnås trygt.