Способ изготовления магнийсодержащей лигатуры

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к технике выплавки магнийсодержащих лигатур, используемых для получения высокопрочных чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом. Способ включает загрузку в печь шихты, содержащей легкоплавкие составляющие, и ее расплавление. В качестве легкоплавких составляющих используют магнийсодержащий и безмагниевый полупродукты, которые предварительно раздельно изготавливают путем выбора их состава по диаграммам состояния в соответствии с составом лигатуры. Дополнительно в шихту вводят силикокальций, сплав РЗМ, алюминий и солевую смесь с температурой плавления 450-550^oС при следующем соотношении составляющих, мас.%: магнийсодержащий полупродукт 20-30, силикокальций 10-15, сплав РЗМ 5-10, солевая смесь 3-4, алюминий 0,5-2,5, безмагниевый полупродукт - остальное. Изобретение обеспечивает возможность получения сложных многокомпонентных легкоплавких лигатур повышенной плотности, например, с медью, а также стабильность, безопасность процесса плавки с возможностью использования при получении магниевого полупродукта металлического магния в любом виде, хорошее усвоение лигатуры чугуном при модифицировании и уменьшение пироэффекта не только в процессе выплавки лигатуры, но и при модифицировании чугуна.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии выплавки комплексной магнийсодержащей лигатуры, используемой при получении высокопрочных чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом.

Известен способ получения магнийсодержащей лигатуры, заключающийся во введении гранулированного магния в движущийся расплав на основе ферросилиция при определенном соотношении скоростей подачи магния и движения расплава и регулируемой толщине потока расплава [1].

Недостатками способа являются необходимость использования дорогого гранулированного магния и повышенный его расход.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления магнийсодержащей лигатуры, заключающийся в загрузке в тигельную печь шихты, содержащей металлический магний, ее расплавлении, вводе в расплав до 1% церия, перегреве расплава до 700-1000^oС, загрузке и расплавлении остальных составляющих шихты [2].

Недостатками этого способа являются сильный световой эффект (пироэффект) и низкая степень усвоения магния и церия.

Задача изобретения - снижение температуры плавления лигатуры, обеспечивающее уменьшение пироэффекта при плавке и увеличение степени усвоения магния и редкоземельных металлов (РЗМ), в частности церия.

Технический результат - получение комплексных магнийсодержащих лигатур заданного химического состава, стабильность и безопасность процесса плавки и возможность использования в качестве исходного материала металлического магния в любом виде (в виде чушек, гранул, стружки и т.д.).

Это достигается тем, что в способе изготовления магнийсодержащей лигатуры, включающем загрузку в печь шихты, содержащей легкоплавкие составляющие, и ее расплавление, в качестве легкоплавких составляющих используют магнийсодержащий и безмагниевый полупродукты, которые предварительно раздельно изготавливают путем выбора их состава по диаграммам состояния в соответствии с составом лигатуры, их выплавки, разливки и затвердевания в виде слитков, а затем их снова загружают в печь и расплавляют, при этом дополнительно вводят силикокальций, сплав РЗМ, алюминий и солевую смесь с температурой плавления 450-550^oС при следующем соотношении составляющих, мас.%: Магнийсодержащий полупродукт - 20-30 Силикокальций - 10-15 Сплав РЗМ - 5-10 Алюминий - 0,5-2,5 Солевая смесь - 3-4 Безмагниевый полупродукт - Остальное Предварительные операции получения легкоплавких полупродуктов введены с целью снижения температуры выплавки лигатуры и увеличения степени усвоения магния и РЗМ. Поскольку минимальную температуру плавления имеют эвтектические сплавы, составы этих сплавов (полупродуктов) выбирают по диаграммам состояния соответствующих систем, используя справочники по двойным и более сложным металлическим системам. Для системы Mg-Cu в качестве такой смеси может служить эвтектика MgCu₂+Mg₂Cu с температурой плавления 552^oС при содержании в сплаве Mg-Cu около 35% магния; в системе Mg-Cu-Si целесообразно использовать сплав с 30-35% магния и ~ 4% кремния, этот сплав представляет собой эвтектику Mg₂Cu₃Si+Mg₂Cu с температурой плавления 565^oС; более высокую температуру плавления имеют сплавы без меди (например, эвтектический сплав, содержащий примерно 20% магния, 50% кремния и 30% алюминия, имеет температуру плавления ~ 800^oС) или сплавы с медью и железом (эвтектический сплав Mg-Cu-Si-Fe с ~ 30% магния, 4% кремния и 5-10% железа имеет температуру плавления 600-620^oС).

Состав шихты выбран, исходя из следующих соображений.

Поскольку приведенные выше эвтектические сплавы содержат от 20 до 35% магния, то для обеспечения в составе лигатуры обычно рекомендуемого содержания магния в количестве 6-10% необходимо иметь в составе шихты 20-30% магнийсодержащего полупродукта.

Силикокальций должен обеспечить содержание в составе лигатуры 3-7% кальция. При использовании силикокальция марок от СК20 до СК30 по ГОСТ 4762-71 содержание его в составе шихты должно составлять 10-15%.

В качестве сплавов РЗМ целесообразно использовать ферроцерий, цериевый мишметалл или сплав ФЦМ-5, в которых содержится от 80 до 90% РЗМ при 40-75% церия. Так как в комплексных лигатурах оптимальным является содержание 3-7% РЗМ или 2-4% церия, то в пересчете на указанные сплавы это составляет 5-10%.

Алюминий вводится в состав шихты с целью обеспечить его содержание в лигатуре в количестве 0,5-3%, так как он является сильным графитизатором и уменьшает склонность модифицированного чугуна к отбелу.

Как показали эксперименты, количество солевой смеси, играющей в процессе плавки роль флюса, образующего жидкоподвижный шлак и защитную атмосферу для предотвращения взаимодействия сплава с воздухом, должно составлять 3-4%. В качестве такого флюса может быть использована смесь, содержащая 75% CaCl₂ и 25% NaCl и имеющая температуру плавления около 500^oС. Защитный шлак, образующийся в процессе плавки, не отделяется от лигатуры и используется совместно с ней при модифицировании чугуна, усиливая ее рафинирующий и модифицирующий эффект.

Остальную часть шихты составляет легкоплавкий безмагниевый полупродукт. Удобнее всего использовать в качестве такого полупродукта сплав Cu-Fe-Si, содержащий 4-5% железа и около 16% кремния и имеющий температуру плавления 800-830^oС.

Способ позволяет получать сложные многокомпонентные лигатуры, в том числе и повышенной плотности (например, с медью), обеспечивая легкоплавкость лигатуры, хорошее усвоение ее чугуном при модифицировании и резкое уменьшение пироэффекта как в процессе выплавки лигатуры, так и при модифицировании чугуна. Преимуществами предлагаемого способа являются также стабильность и безопасность процесса плавки и возможность использования при получении магниевого полупродукта металлического магния в любом виде: в виде чушек, гранул, стружки и т.д.

Пример реализации способа - изготовление лигатуры по составу, соответствующему патенту СССР 1745127, кл. С 22 С 35/00, и включающему, масс. %: 4-9 магния, 3-8 кальция, 18-32 кремния, 3,5-10 РЗМ, 27-50 меди, 1-3 алюминия, остальное железо и примеси. Расчет проведен, исходя из среднего состава лигатуры, маc. %: 8% магния, 5% кальция, 24% кремния, 5% РЗМ, 40% меди, 1,5% алюминия, остальное - железо и примеси.

На первой стадии проводится выплавка полупродукта 1, содержащего медь, 33% магния, 4% кремния и 5% железа. Основу этого полупродукта составляет эвтектика Mg₂Cu₃Si+Mg₂Cu с температурой плавления 565^oС. Железо повышает температуру плавления этого полупродукта до 600-620^oС.

Вторая стадия состоит в выплавке безмагниевого полупродукта 2, содержащего медь, 16% кремния и 10% железа и имеющего температуру плавления 800-830^oС.

Выплавка конечного продукта - комплексной магнийсодержащей лигатуры заданного химического состава - проводится на шихте, состоящей из полупродуктов, силикокальция, сплава РЗМ, алюминия и солевой смеси (75% CaCl и 25% NaCl), при следующем соотношении составляющих, мас.%: Полупродукт 1 - 27 Силикокальций СК20 - 27
Сплав РЗМ (цериевый мишметалл МЦ40) - 6
Алюминий - 1*)
Солевая смесь - 4
Полупродукт 2 - Остальное
*) Примерно 0,5% алюминия вводится с другими составляющими шихты (в составе силикокальция и полупродукта 2), в которых он присутствует в виде примеси.

Температура плавления полученной лигатуры составляет около 850^oС, средняя плотность лигатуры около 5,5 г/см³.

В процессе выплавки лигатуры пироэффект отсутствовал; усвоение магния составило 90-95%, усвоение РЗМ - около 95%.

Источники информации
1. Авт. св. СССР 1675375, кл. С 22 С 35/00, 1991.

2. Патент РФ 2024642, кл. С 22 С 35/00, 1994.

Формула изобретения

Способ изготовления магнийсодержащей лигатуры, включающий загрузку в печь шихты, содержащей легкоплавкие составляющие, и ее расплавление, отличающийся тем, что в качестве легкоплавких составляющих используют магнийсодержащий и безмагниевый полупродукты, которые предварительно раздельно изготавливают путем выбора их состава по диаграммам состояния в соответствии с составом лигатуры, при этом в шихту дополнительно вводят силикокальций, сплав РЗМ, алюминий и солевую смесь с температурой плавления 450-550^oС при следующем соотношении составляющих, мас. %:
Магнийсодержащий полупродукт - 20-30
Силикокальций - 10-15
Сплав РЗМ - 5-10
Алюминий - 0,5-2,5
Солевая смесь - 3-4
Безмагниевый полупродукт - Остальное