СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКООБРАЗНОГО СИЛИКОКАЛЬЦИЯ Российский патент 1995 года по МПК B22F9/02 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству порошкообразных ферросплавов немеханическими способами.

Современные технологии выплавки качественных и высококачественных марок стали, высокопрочного чугуна предусматривают обязательное легирование и модифицирование металла ферросплавами со щелочноземельными элементами (кальций, магний, барий, стронций). Рациональные схемы введения этих ферросплавов (вдувание, в виде проволоки, в виде капсул) требуют приготовления их порошков.

Традиционным способом получения порошкообразных ферросплавов, в том числе высокопроцентного силикокальция, является дробление и помол слитков в дробилках и мельницах (Рысс М.А. Производство ферросплавов. М.: Металлургия, 1975, с. 69-72).

Измельчение силикокальция, относящегося к активным ферросплавам, требует высоких энергетических затрат, трудоемко и чрезвычайно взрывоопасно, т. к. температура начала окисления, характеризующая пожаро- и взрывоопасность получаемых механическим способом порошков, составляет всего 400^оС [1].

Наиболее близким к заявляемому является способ получения порошков марганцево-кремниевых сплавов, включающий выплавку сплава и выпуск его через копильник в ковш, где содержание марганца доводят до 20-60 мас.%, кремния - 25-60 мас. % , фосфора - 0,3-1,6 мас.%, введение в сплав щелочно-земельных металлов из расчета 1,1-2,4 весовых единицы на единицу содержащегося в расплаве фосфора, разливку сплава в изложницы и охлаждение в среде паров воды до саморассыпания [2]. В марганцево-кремниевых сплавах, а также в высокопроцентном силикокальции содержание лебоита (нестихеометрическая фаза FeSi_2+n, способствующая рассыпанию ферросилиция) невелико или его нет совсем, поэтому саморассыпание тих ферросплавов происходит за счет взаимодействия фосфидов кальция с влагой по реакции:
Ca₃P₂+6H₂O= 2PH_3газ+3Са(ОН)₂ (1) При этом часть кальция расходуется на образование Са(ОН)₂ и расход этот тем больше, чем больше количество фосфора, вводимое в расплав.

При всех преимуществах вышеуказанного способа применительно к высокопроцентному силикокальцию марок СК30 и СК25 (ГОСТ 4762-71) он имеет следующие недостатки: высокая остаточная концентрация фосфора в сплаве более 0,12% препятствует использованию такого силикокальция; снижение содержания кальция в порошках на 1,5-2,5% (по сравнению с расплавом) при введении фосфора из расчета 0,9-1,3% за счет образования Са(ОН)₂ по реакции (1) ухудшает качество порошков.

Получаемый известным способом порошкообразный силикокальций достаточно взрывоопасен (температура начала окисления t_н.о.=550^оС), поскольку резкое охлаждение слитков в среде паров воды вызывает сильные остаточные напряжения, активность порошка остается высокой.

Цель изобретения - повышение качества сплава за счет снижения содержания фосфора, потерь кальция, устранения пожаро- и взрывоопасности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения порошкообразного высокопроцентного силикокальция, включающем приготовление фосфорсодержащего расплава, разливку его в изложницы и обработку слитков водой или паром до саморассыпания, содержание фосфора в расплаве доводят до 0,15-0,40 мас.% и дополнительно вводят алюминий в количестве 1,0-2,5 мас.%, слитки перед обработкой водой или паром выдерживают при температуре 900-1050^оС в течение 6-12 ч, после чего охлаждают на воздухе. Выдержка слитков силикокальция при температурах плавления легкоплавких примесных составляющих позволяет последним перераспределяться в объеме металла, выделяться по границам зерен и вызывать стабильное рассыпание, взаимодействуя с влагой.

В предлагаемом способе специальным режимом термообработки достигается равномерное распределение примесей по межзеренным границам и саморассыпание образцов, причем остаточный фосфор в порошках не превышает 0,06-0,08%, что в 1,5-2,5 раза ниже, чем в прототипе.

Влияние алюминия, дополнительно вводимого в расплав в количестве 1,0-2,5 мас. % , заключается в снижении температуры плавления примесной фазы и температуры изотермической выдержки. Так, например, нижний предел термообработки для образцов с заявляемым алюминием составляет 900^оС, а без добавки алюминия - 1000^оС.

С другой стороны, алюминий, подобно кальцию, активно взаимодействует с фосфором, способствуя рассыпанию силикокальция:
AlP+3H₂O= PH_3газ+3Н₂О (2) Последнее особенно важно, т.к. алюминий, вводимый в высокопроцентный силикокальций в заявляемых пределах, предохраняет кальций, заменяя его, и тем самым повышает качество сплава.

Добавка алюминия в сочетании с режимом термообработки позволяет повысить температуру начала окисления получаемого порошка до 720-860^оС, чем обеспечивается его пожаро- и взрывобезопасность. Температура изотермической выдержки менее 900^оС не обеспечивает рассыпание образцов с заявляемым содержанием фосфора. Температура выдержки более 1050^оС вызывает сплавление слитков, выход жидкого ликвата на поверхность, неоднородность получаемого порошка по высоте слитка, нестабильное рассыпание.

При концентрации фосфора в сплаве менее 0,15% не происходит его рассыпание, а добавка фосфора более 0,40% сопровождается ростом фосфора в готовых порошках, что снижает их качество.

Содержание алюминия в высокопроцентном силикокальции менее 1% практически не предохраняет кальций от расхода по реакции (1) и снижает температуру начала окисления порошков, повышая их пожаро- и взрывоопасность. Алюминий в сплаве в количестве более 2,5% ухудшает его качество, препятствует использованию такого силикокальция для легирования (ГОСТ 4762-71). Продолжительность термообработки менее 6 ч ухудшает стабильность рассыпания из-за недостаточно равномерного распределения примесей, более 12 ч - уже не улучшает показателей рассыпания и требует дополнительных затрат тепла на обогрев.

Нижний предел продолжительности выдержки целесообразен для более высоких температур (1000-1050^оС), и наоборот.

Окончательное рассыпание сплава после термообработки в специальной камере с дожиганием выделяющегося фосфористого водорода (РН₃) обеспечивает экологическую безопасность процесса.

Обработке водой или паром в заявляемом способе подвергаются термообработанные слитки, остывшие на воздухе до 40-60^оС, поскольку с горячих слитков вода будет испаряться, не реагируя с фосфорсодержащими соединениями.

Поскольку операции, отличающие предлагаемый способ от известного, в научно-технической литературе не выявлены, считаем, что заявлемый способ удовлетворяет критерию изобретения "существенные отличия".

П р и м е р ы. Из высокопроцентных марок силикокальция СК 30 (56,50% Si; 30,70% Ca; 0,017% P; 0,76% Al) и СК 25 (61,52% Si; 28,01% Ca; 0,02% P; 0,82% Al) получали сплавы с концентрацией фосфора 0,10-1,0% и алюминия 0,75-3,5% , разливали их в изложницы, выдерживали в нагревательной печи при 800-1100^оС в течение 4-14 ч. Далее образцы извлекали из печи, охлаждали на воздухе, обрабатывали водой или паром для саморассыпания. Выплавленные сплавы и получаемые порошки анализировали, а для последних с помощью дериватограмм определяли t_н.о.^oC и гранулометрический состав рассевом на ситах. Результаты опытов сведены в таблицу, из которой видно, что понижение температуры изотермической выдержки и концентрации фосфора в силикокальции (пример 1) не обеспечивают рассыпания образцов. Повышенная температура изотермической выдержки (пример 8) и увеличение ее продолжительности более заявленной (примеры 1,8) не сопровождаются улучшением рассыпания. Пониженная концентрация алюминия в силикокальции (пример 3) снижает температуру начала окисления порошков, делая их более пожаро- и взрывоопасными. Кроме того, растет расход кальция по реакции (1). Высокая концентрация алюминия в силикокальции, несмотря на высокую t_н.о. готовых порошков, не позволяет их использовать для легирования (пример 7).

Использование предлагаемого способа для получения порошкообразного силикокальция (содержание фосфора и алюминия в сплаве 0,15-0,40 и 1,0-2,5 соответственно, выдержка при температуре 900-1050^оС в течение 6-12 ч с последующим охлаждением и обработкой водой или паром) позволяет повысить качество порошков за счет уменьшения их пожаро- и взрывоопасности, снижения содержания фосфора в 1,5-3,0 раза и потерь кальция на 3-5%.

Заявляемый способ имеет существенные преимущества перед вариантом получения порошков высокопроцентного силикокальция без добавки алюминия (пример 3) посредством уменьшения потерь кальция на 1,5-2,0% и повышения температуры начала окисления.

Использование: в производстве порошкообразных ферросплавов немеханическим способом. Сущность изобретения: в расплав силикокальция после его выпуска в ковш вводят фосфор в количестве 0,15-0,40 мас.% и алюминий в количестве 1,0-2,5 мас. %, разливают расплав в изложницы. Слитки выдерживают при температуре 900-1050°С в течение 6-12 ч, после чего охлаждают на воздухе. Остывшие слитки обрабатывают водой или паром до саморассыпания. Изотермическая выдержка слитков силикокальция обеспечивает полное равномерное распределение в нем примесей, благодаря чему слитки стабильно рассыпаются. Положительный эффект: повышается качество порошков сплава за счет снижения содержания в них фосфора в 1,5-3,0 раза и потерь кальция на 3-5 %, уменьшения их пожаро- и взрывоопасности. 1 табл.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКООБРАЗНОГО СИЛИКОКАЛЬЦИЯ, включающий приготовление фосфорсодержащего расплава, разливку его в изложницы и обработку слитков водой или паром до саморассыпания, отличающийся тем, что содержание фосфора в расплаве доводят до 0,15 - 0,40 мас.% и дополнительно вводят алюминий в количестве 1,0 - 2,5 мас.%, слитки перед обработкой водой или паром выдерживают при 900 - 1050^oС в течение 6 - 12 ч, после чего охлаждают на воздухе.