یک فرآیند ایمن نوآورانه برای تولید آلیاژ MgFeSi حاوی کلسیم و عناصر کمیاب خاکی

معرفی کنید

آلیاژ سیلیکون منیزیم-آهن- (MgFeSi) معمولاً در صنعت ریخته‌گری آهن به عنوان یک افزودنی ضروری در تولید چدن انعطاف‌پذیر برای ترویج پراکندگی و تشکیل گرافیت کروی یا گره‌های گرافیت در داخل ماتریس استفاده می‌شود. این شکل گرافیت، شکل‌پذیری بسیار خوبی را به مواد می‌دهد و در نتیجه ماده‌ای را به وجود می‌آورد که شکل‌پذیری خوب را با استحکام بالا، ماشین‌کاری خوب و سطح صاف ترکیب می‌کند.

با کشف ساختارهای گرافیت کروی، استفاده از منیزیم برای تشکیل گرافیت کروی در یک زمینه آهنی به عنوان جایگزینی برای گرافیت پولکی سنتی پیشنهاد و آزمایش شد. اگرچه منیزیم به عنوان یک عامل گره‌ساز بسیار مؤثر است، اما چگالی کم آن (1.74 گرم در سانتی‌متر)⁻³نقطه جوش پایین (1107 درجه)، حلالیت محدود در چدن و ​​فشار بخار بالا در دمای تولید چدن شکل پذیر، استفاده از منیزیم خالص را دشوار می کند. افزودن منیزیم همچنین منجر به واکنش شدید می شود و باعث به هم زدن شدید آهن مذاب و تولید دودهای سفید اکسید منیزیم می شود که در نتیجه از دست دادن منیزیم و کاهش بازیابی منیزیم منجر می شود.

تحقیقات نشان داده است که منیزیم در آلیاژهای فروسیلیس مذاب حل می شود و سیلیسید منیزیم پایدار را تشکیل می دهد. آلیاژ MgFeSi حاصل، چگالی بالاتری نسبت به فلز منیزیم خالص دارد و آلیاژی عالی برای وارد کردن منیزیم به چدن مذاب در نظر گرفته می‌شود. برای تشکیل سیلیسید منیزیم و کاهش شدت واکنش، محتوای سیلیکون بهینه در آلیاژهای فروسیلیکون{2}}منیزیم 40 تا 50 درصد است در حالی که محتوای منیزیم معمولاً بین 5 تا 10 درصد است.

تحقیقات بعدی نشان داد که کلسیم می تواند گرافیت کروی شکل دهد و از دست دادن منیزیم را کاهش دهد. افزودن کلسیم به فروسیلیس-آلیاژهای منیزیم، فاز دوم حاوی منیزیم-به نام CaMgSi2 را وارد ساختار می‌کند._,کاهش سرعت واکنش و در نتیجه تاثیر مثبت بر بازیابی منیزیم. عناصر خاکی کمیاب نیز توانایی تشکیل ساختارهای کروی را نشان دادند و سریم (Ce) و لانتانیم (La) متعاقباً در تولید آلیاژهای فروسیلیس-منیزیم وارد شدند.

آلیاژهای حاوی منیزیم{0}}حاوی فروسیلیکون را می توان با احیای سنگ معدنی حاوی منیزیم{{1} (مانند دولومیت) با کربن، سیلیکون یا آلومینیوم تولید کرد. با این حال، استفاده از کربن به عنوان یک عامل کاهنده در یک کوره قوس الکتریکی برای تولید منیزیم{3}}حاوی آلیاژهای فروسیلیکون به دلیل دمای عملیاتی و فشار بخار بالای منیزیم، چالش‌های مهمی را ایجاد می‌کند. علاوه بر این، هزینه بالای استفاده از آلومینیوم در فرآیند تولید و میزان بالای آلومینیوم آلیاژ حاصل، این فرآیند را ایده آل نمی کند. علاوه بر این، نرخ بازیابی منیزیم هنگام احیای سنگ معدن دولومیت کلسینه شده با سیلیکون یا سیلیکون{7}}احیاء آلومینیوم از 13.8 درصد تجاوز نمی کند.

علاوه بر فرآیند احیا، آلیاژهای سیلیکون آهن منیزیم{0}} با محتوای منیزیم حدود 5.5 درصد نیز می‌توانند با غوطه‌ور کردن شمش‌های منیزیم در فروسیلیس مذاب تولید شوند. روش غوطه وری اقتصادی تر از روش کاهش است، اما دارای چالش های فنی است. منیزیم با فروسیلیس مذاب واکنش می دهد و حرارت بالا، جرقه، دود و دود ایجاد می کند. محتوای منیزیم و میزان بازیابی منیزیم آلیاژ نیز کم است. در مطالعه دیگری، محققان آزمایش‌های آزمایشگاهی را برای غوطه‌ور کردن منیزیم در مذاب فروسیلیکون انجام دادند تا شدت واکنش را کاهش داده و محتوای سیلیکون را تا 75 درصد افزایش دهند. با این حال، حداکثر نرخ بازیابی منیزیم تنها 71٪ بود و محتوای منیزیم در آلیاژ نهایی از 9.5٪ تجاوز نمی کرد. علاوه بر این، آلیاژ MgFeSi تولید شده دارای محتوای سیلیکونی بالای 65-75٪ است. ، که برای تولید ریخته گری چدن داکتیل مناسب نیست. روش دیگر ذوب سیلیسید منیزیم و فروسیلیکون با هم برای تولید آلیاژ منیزیم{15} فروسیلیس است. آزمایش ها در آزمایشگاه انجام شد. این روش مستلزم ذوب شدن در اتمسفر گاز بی اثر و استفاده از فشارهای بالاتر از فشار اتمسفر برای کاهش اکسیداسیون منیزیم است. روش دیگر برای تولید آلیاژ منیزیم{19}}فروسیلیسیوم ذوب مجدد منیزیم و در عین حال محافظت از آن در برابر اکسیداسیون با سرباره است. با افزایش تدریجی دما، فروسیلیس جامد به آرامی به مذاب اضافه می شود. این فرآیند از نمودار رابطه سیلیکون{22}}منیزیم برای حفظ سیالیت و حفظ فلز در حالت مایع پیروی می کند. این روش پیچیده است و نیاز به تعادل دقیق بین مقدار فروسیلیسیم اضافه شده و افزایش دما دارد. از آنجایی که مقادیر زیادی فروسیلیس باید به آرامی اضافه شود، زمان گرم شدن طولانی می شود و در نتیجه بهره وری کم می شود.

به طور خلاصه، همه روش‌های مختلف برای تولید آلیاژهای سیلیکونی-آهن{1}}منیزیم با چالش‌هایی، به‌ویژه نرخ بازیابی پایین منیزیم مواجه هستند. منیزیم گران‌ترین ماده خام در این فرآیند است که منجر به افزایش هزینه‌های تولید و تأثیر منفی بر اقتصاد فرآیند تولید می‌شود. بنابراین، تحقیقات بیشتری برای یافتن روش ایمن‌تر برای تولید آلیاژهای فروسیلیکون{4}}منیزیم با نرخ بازیابی منیزیم بالاتر مورد نیاز است.

هدف این مطالعه کشف روشی برای تولید ایمن آلیاژهای سیلیکون-منیزیم-آهن حاوی عناصر خاکی کمیاب و با بازیابی منیزیم بالا است.

آزمایش کنید

برای تعیین شرایط بهینه برای تولید آلیاژهای فروسیلیس-منیزیم با محتوای منیزیم بالا و حداکثر بازیابی منیزیم، آزمایشات کوره آزمایشی در تأسیسات آزمایشی آهن و فولاد و فروآلیاژ (تاسیسات آزمایشی) مؤسسه تحقیقات و طراحی متالورژی چین طراحی و اجرا شد. آزمایش‌ها از یک کوره قوس الکتریکی و فرآیندهای مختلف ریخته‌گری استفاده کردند. مواد خام مورد نیاز برای آزمایش‌های آزمایشی شناسایی شدند و شامل آلیاژ فروسیلیس، ضایعات فولاد، شمش‌های منیزیم، آلیاژ کلسیم{3}}آلیاژ سیلیکون، عناصر خاکی کمیاب، شار و مواد پوششی (پودر فروسیلیس، دولومیت، تالک و اسید بوریک) بود. تجزیه و تحلیل شیمیایی مرطوب با اشعه ایکس و مرطوب بر روی مواد اولیه مختلف انجام شد.

شمش منیزیم استفاده شده حاوی 99 درصد منیزیم و اسید بوریک حاوی 99.9 است_{% H3BO3}

بر اساس تجزیه و تحلیل شیمیایی مواد خام مختلف، تعادل مواد برای تولید یک آلیاژ MgFeSi حاوی 40-46٪ Si، 9-11٪ Mg، 1-1.5٪ کلسیم، و 1.25-1.5٪ REEs (Ce و La) انجام شد. مقادیر مورد نیاز مواد اولیه مختلف بر اساس تعادل مواد تعیین شد. 5.1-65/5 کیلوگرم شمش منیزیم برای تولید آلیاژ MgFeSi حاوی 9 تا 11 درصد منیزیم اضافه شد. مواد خام مورد استفاده برای پوشش شمش منیزیم (پودر فروسیلیس، دولومیت، تالک و اسید بوریک) اندازه ذرات کمتر از 3 میلی متر داشتند. اجزای مختلف پوشش سطح منیزیم به طور کامل در مخلوط کن مخلوط شدند و سپس یک پوشش ساده با استفاده از سیلیکات سدیم به عنوان چسب بر روی 90 درصد سطح شمش اعمال شد.

هفت آزمایش آزمایشی برای تولید آلیاژهای منیزیم- فروسیلیس حاوی کلسیم و عناصر خاکی کمیاب انجام شد. فروسیلیس مذاب با استفاده از کوره قوس الکتریکی 100 کیلوولت آمپر تولید شد. در این آزمایش‌ها، شارژ شامل 40 کیلوگرم آلیاژ فروسیلیس و 15 کیلوگرم ضایعات فولادی یا 41.5 کیلوگرم آلیاژ فروسیلیس و 13.5 کیلوگرم ضایعات فولاد بود تا میزان سیلیکون کاهش یابد و میزان آهن افزایش یابد و در نتیجه مذاب فروسیلیسیم با محتوای سیلیکون مورد نظر به دست آید. محتوای سیلیکون بهینه برای آلیاژهای فروسیلیکون{9}}منیزیم 40 تا 50 درصد است تا تشکیل سیلیسیدهای منیزیم را تسهیل کند و شدت واکنش را کاهش دهد. پس از ذوب کامل در دمای 1600 درجه، فلز مذاب در یک ملاقه داغ حاوی سیلیکون کلسیم، عناصر خاکی کمیاب و شمش های منیزیم ریخته شد. شکل 1 یک نمودار شماتیک از فرآیند ریخته گری برای تولید آلیاژ MgFeSi را نشان می دهد. شمش های منیزیم پوشش داده شده با یک محافظ شار یا بدون پوشش با فلزات خاکی کمیاب در پایین ملاقه داغ قرار داده شدند، با سیلیکون کلسیم پوشانده شدند و سپس با FeSi مذاب ریخته شدند، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. در یک آزمایش (گروه 1)، شمش منیزیم بدون پوشش استفاده شد. در آزمایش‌های دیگر، 90 درصد سطح شمش‌های منیزیم با پودر ریز FeSi یا مخلوطی از فلاکس‌ها و مواد پوشش‌دهنده مختلف با سیلیکات سدیم به‌عنوان چسبنده برای مطالعه تأثیر فرآیند پوشش بر بازیابی منیزیم پوشانده شد. مواد افزودنی برای ترویج واکنش‌های گرماگیر در مذاب انتخاب شدند و در نتیجه دما را کاهش دادند.

پس از ضربه زدن، ذوب اجزای مختلف و واکنش آنها با فروسیلیس مذاب در عرض 3-2 دقیقه کامل می شود. فلز به دست آمده وزن می شود و یک نمونه آلیاژی نماینده برای آنالیز شیمیایی XRF گرفته می شود. آنالیز XRD نیز بر روی نمونه آلیاژ به دست آمده انجام می شود.

شکل 1

 ​

​

نتایج بازیابی منیزیم اثربخشی فرآیند نوآورانه را در بهبود بازیابی منیزیم در تولید آلیاژ منیزیم-فرو- نشان می‌دهد. هنگامی که فروسیلیکون مذاب داخل ملاقه حاوی سیلیکون کلسیم، عناصر خاکی کمیاب و شمش منیزیم بدون پوشش ریخته شد، بازیابی منیزیم در 69.49 درصد پایین بود. با پوشاندن 90 درصد سطح شمش منیزیم با پودر فروسیلیکون معادل 44 درصد وزن شمش، بازیابی منیزیم به 84.96 درصد افزایش یافت. با پوشاندن 90 درصد سطح شمش منیزیم با یک لایه محافظ متشکل از مخلوطی از دولومیت، تالک و اسید بوریک یا دولومیت، تالک، اسید بوریک و پودر فروسیلیکون، بازیابی منیزیم به 85.11 درصد به 87.35 درصد افزایش یافت. بالاترین بازیابی منیزیم (35/87 درصد) با پوشش 90 درصد سطح شمش منیزیم با یک لایه محافظ متشکل از یک ماده شار مخلوط شامل 29 درصد وزن شمش، شامل 5/36 درصد دولومیت، 5/36 درصد فروسیلیسیم، 24 درصد اثر محافظتی در پودر تالک و 24 درصد لایه های تقویت کننده به دست آمد. آلیاژ کلسیم{20}}سیلیکون نیز به نظر می‌رسد که بازیابی منیزیم را بهبود می‌بخشد. نرخ بازیابی منیزیم برای گرمای دوم (84.00%)، بدون افزودن آلیاژ سیلیکون{23}کلسیم، کمتر از نرخ بازیابی منیزیم برای گرمای هفتم (87.35%) بود که در شرایط مشابه اما با افزودن کلسیم-سیلیکون تولید شد. این بازیابی بیشتر منیزیم منجر به محتوای منیزیم بالاتر در آلیاژ MgFeSi تولید شده، از 9.04٪ تا 10.89٪ شد.

علاوه بر این، با پوشش 90 درصد از سطح شمش منیزیم با یک لایه محافظ، بازیابی کل عناصر خاکی کمیاب (Ce+La) از 88.7 درصد در هنگام استفاده از شمش منیزیم بدون پوشش به مقادیر بالاتر 95.26-99.59 درصد افزایش یافت.

در مقایسه با نرخ بازیابی بسیار کمتر منیزیم (نه بیش از 13.8٪) به دست آمده در هنگام احیای دولومیت کابرنه با سیلیکون یا آلومینا، یا حداکثر بازیابی منیزیم 71٪ به دست آمده در هنگام شسته شدن منیزیم به مذاب فروسیلیس، نرخ بازیابی به طور قابل توجهی بالاتر منیزیم را می توان در این مطالعه نسبت داد. هنگام ریختن فروسیلیس مذاب روی شمش منیزیم بدون پوشش، منیزیم به دلیل چگالی کم، نقطه جوش کم و فشار بخار بالا در دماهای فروسیلیکون مذاب به شدت واکنش نشان می دهد و در نتیجه تبخیر قابل توجهی منیزیم ایجاد می شود. علاوه بر این، بدون پوشاندن سرباره سطح فلز مذاب، منیزیم اکسید می شود و منجر به بازیابی منیزیم کم می شود.

با پوشش 90 درصد از سطح شمش منیزیم، منیزیم بدون پوشش باقی مانده شروع به واکنش می کند و پوشش نقش عمده ای در کاهش اتلاف منیزیم دارد. اگر پودر فروسیلیس روی سطح شمش منیزیم پوشانده شود، ذوب آن یک فرآیند گرماگیر است که گرما را جذب می کند و در نتیجه دمای حوضچه مذاب را کاهش می دهد، واکنش منیزیم را کاهش می دهد و اتلاف منیزیم در اثر تبخیر را به حداقل می رساند.

لایه محافظ پودر فروسیلیس علاوه بر تاثیر مثبت بر سایر اجزای مخلوط (دولومیت، تالک و اسید بوریک)، اثرات دیگری نیز دارد. تجزیه دولومیت و سنگ معدن تالک یک واکنش گرماگیر است که دمای حوضچه مذاب را کاهش می دهد. اسید بوریک تمام آب را در دمای بالای 150 درجه از دست می دهد و به اکسید بور (B2O3) تبدیل می شود.₎که به عنوان یک شار عمل می کند و نقطه ذوب اکسیدهای مختلف را کاهش می دهد_ازتالک و دولومیت، در نتیجه سیالیت سرباره تشکیل شده توسط این اکسیدها افزایش می یابد. سرباره سیال حاصله چگالی کمتری نسبت به فلز مذاب دارد و روی سطح فلز مذاب شناور می شود و یک لایه محافظ موثر تشکیل می دهد که از نفوذ اکسیژن اتمسفر به فلز مذاب جلوگیری می کند و اکسیداسیون منیزیم را کاهش می دهد. این لایه سرباره همچنین از خروج بخار منیزیم به هوا جلوگیری می کند. در نتیجه، هر بخار منیزیمی که ممکن است تشکیل شود، زمان دارد تا با سیلیکون و کلسیم واکنش دهد و سیلیسید منیزیم و سیلیسید منیزیم کلسیم را تشکیل دهد. تجزیه و تحلیل XRD آلیاژ منیزیم-آهن- حاصل از سیلیکون، تشکیل سیلیسید منیزیم را نشان داد._Mg2فازهای بین فلزی سیلیسید منیزیم و سیلیسید کلسیم منیزیم تشکیل شده فشار جزئی بخار منیزیم را در فلز مذاب کاهش می دهند.

علاوه بر این، مقدار کمی از اکسید منیزیم در تالک و دولومیت ممکن است تا حدی به منیزیم کاهش یابد یا سیلیسید منیزیم ممکن است وارد فاز آلیاژی شود و در نتیجه سرعت بازیابی منیزیم را بهبود بخشد. وجود CaO باعث می شود که MgO به Mg2Si کاهش یابد_,و دمای کاهش می تواند به 1650-1750 درجه برسد.

در نتیجه

برای تولید آلیاژهای آهن منیزیم-سیلیکون- حاوی کلسیم و عناصر خاکی کمیاب، پوشاندن یک لایه محافظ شار روی سطح شمش منیزیم می‌تواند به طور موثر نرخ بازیابی منیزیم را بهبود بخشد.

با پوشش دادن 90 درصد سطح شمش منیزیم با پودر ریز فروسیلیکون معادل 44 درصد وزن شمش، میزان بازیابی منیزیم از 69.49 درصد به 84.96 درصد افزایش یافت.

بازیابی بالاتر منیزیم 85.11-87.35٪ با پوشش 90٪ از سطح شمش منیزیم با یک لایه محافظ متشکل از مخلوطی از دولومیت، تالک، و اسید بوریک یا دولومیت، تالک، اسید بوریک و پودر فروسیلیسیون به دست آمد.

علاوه بر تقویت لایه محافظ، آلیاژ سیلیکون{0}}کلسیم همچنین به بهبود بازیابی منیزیم کمک می کند.

بالاترین بازیابی منیزیم (35/87 درصد) با پوشش دادن 90 درصد سطح شمش منیزیم با یک لایه محافظ از مواد شار مخلوط به دست آمد. این لایه محافظ که 29 درصد وزن شمش را به خود اختصاص می دهد، از 5/36 درصد دولومیت، 5/36 درصد پودر فروسیلیکون، 24 درصد تالک و 3 درصد اسید بوریک تشکیل شده است.

علاوه بر بازیابی بیشتر منیزیم، میزان بازیابی کل عنصر خاکی کمیاب (Ce+La) نیز با استفاده از شمش های منیزیم بدون پوشش (با اعمال پوشش محافظ بر روی 90 درصد سطح شمش منیزیم) از 88.7 درصد به 95.26-99.59 درصد افزایش یافت.

نرخ بازیابی بالای منیزیم منجر به محتوای بالای منیزیم در آلیاژ MgFeSi تولید شده، از 9.04٪ تا 10.89٪ می شود. تحت شرایط حفاظتی بهینه، یک آلیاژ فروسیلیکون-منیزیم حاوی 9.58٪ منیزیم، 1.26٪ عناصر خاکی کمیاب و 1.52٪ کلسیم را می توان با خیال راحت به دست آورد.