СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ МАГНИЕВЫХ ШЛАКОВ, СОДЕРЖАЩИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ МАГНИЙ, ХЛОРИСТЫЕ СОЛИ И ОКСИД МАГНИЯ Российский патент 2001 года по МПК C22B7/04 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения магнийсодержащей лигатуры на основе кремния или (и) меди и растворяемого в них магния из магниевых шлаков, содержащих металлический магний, хлористые соли и оксид магния. Магнийсодержащая лигатура затем применяется для получения отливок из чугуна с шаровидным графитом.

В настоящее время на предприятиях, производящих отливки из магниевых сплавов методом литья под давлением, весьма актуальной является проблема переработки образующихся при этом магниевых шлаков, содержащих хлористые соли. Так, на одном из известных предприятий магниевых шлаков скопилось уже несколько сотен тонн. Шлаки этого предприятия имеют состав, приведенный в табл. 1.

Магнийсодержащий шлак формируется в процессе плавки шихты в электропечи CAT-0,15 из-за окисления магния и оседания частиц оксида магния на дно тигля при рафинировании отстоем готового сплава флюсом из хлористых солей.

Количество используемого на плавку флюса составляет 2,8-3,0% от веса сплава в печи. Магнийсодержащий шлак, образовавшийся на дне тигля печи, извлекают через толщу жидкого сплава. Он представляет собой конгломерат запутавшегося магниевого сплава в флюсовооксидной смеси и структурно состоит из каркаса (скелета) магниевого сплава, а также мелких и крупных включений флюсовооксидной смеси, в которых могут находиться включения металлических частиц различных размеров.

Госкомэкология не разрешает вывозить эти шлаки на захоронение, в частности, из-за высокого содержания в них магния.

Известные решения по переработке и использованию указанных магниевых шлаков не находят практической реализации по ряду причин.

В табл. 2 представлены технические решения для переработки магниевых шлаков, выбранные в качестве аналогов.

По технической сущности за прототип следует принять способ, заключающийся в наплавлении алюминиевого сплава, покрытии его флюсом и введении отходов магния под уровень расплава, имеющего температуру 660-720^oC (М. Б. Альтман и др. Плавка и литье легких сплавов. М., "Металлургия", 1960, с. 317).

Цель изобретения состоит в растворении магния из магниевых шлаков, содержащих металлический магний, хлористые соли и оксид магния, в расплавах металлов на основе кремния или (и) меди с получением лигатур для производства отливок из чугуна с шаровидным графитом.

Предлагаемый способ переработки магниевых шлаков, содержащих металлический магний, хлористые соли и оксид магния, с получением лигатур для производства отливок из чугуна с шаровидным графитом включает:
подготовку расплава металлов на основе кремния или (и) меди;
поддержание температуры расплава при соединении с магниевым шлаком в пределах между максимальной температурой плавления хлористых солей и минимальной температурой их кипения;
заполнение пространства, в котором соединяют расплав и магниевый шлак, защитным газом, в частности азотом;
соединение расплава и магниевого шлака, содержащего металлический магний, хлористые соли и оксид магния.

Основным отличием предлагаемого способа от прототипа является то, что, во-первых, расплав готовят не на основе алюминия, а кремния или (и) меди, во-вторых, температуру расплава при соединении со шлаком поддерживают в пределах между максимальной температурой плавления хлористых солей (960^oC) и минимальной температурой их кипения (1413^oC), в-третьих, в пространство, в котором соединяют расплав и магниевый шлак, подают защитный газ, в частности азот.

Первые два отличительных признака имеют принципиальное значение. Именно их сочетание позволяет осуществлять переработку магниевых шлаков, содержащих металлический магний, хлористые соли и оксид магния, с получением лигатур для производства отливок из чугунов с шаровидным графитом.

Кремний или (и) медь, на основе которых готовят расплав, хорошо растворяют магний и не снижают литейных и прочностных свойств чугуна, а, наоборот, оказывают на чугун положительное модифицирующее и легирующее воздействие. Алюминий в качестве основы для подготовки расплава и получения лигатуры для модифицирования обычных чугунов не может быть использован, так как попадание его в чугун в количествах более 0,15% приводит к дефектам в отливках и потому недопустимо.

Принципиальным является и поддержание температуры расплава в момент его соединения со шлаком в пределах между максимальной температурой плавления хлористых солей и минимальной температурой их кипения. Поддержание температуры расплава выше максимальной температуры плавления хлористых солей (960^oC) способствует быстрому плавлению хлористых солей и установлению непосредственного контакта между расплавом и магнием, находящимся в шлаке, и ускорению его растворения в кремнии или (и) меди. Поддержание температуры расплава ниже минимальной температуры кипения хлористых солей (1413^oC) снижает барботаж, выбросы расплава и задымление атмосферы плавильного участка.

Соединение расплава и шлака при температуре ниже максимальной температуры кипения хлористых солей достигают за счет ввода в кремний или (и) медь других элементов, понижающих температуру плавления (затвердевания) расплава. Например, ввод в медь 8-10% Si снижает температуру плавления (затвердевания) с 1089^oC (для меди) до 875^oC и дает возможность проводить соединение расплава и магниевого шлака при температуре 960^oC и выше. Ввод в кремний 40-50% железа позволяет снизить температуру плавления (затвердевания) расплава с 1423^oC [1] до 1220^oC и осуществлять соединение расплава и магниевого шлака при температуре ниже минимальной температуры кипения хлористых солей - при температуре 1300-1400^oC. Кроме того, железо и медь выполняют еще одну важную функцию - утяжеления расплава, благодаря чему происходит ускоренное всплывание (отделение) флюсовооксидной смеси. Конечно, наиболее предпочтительной является температура соединения расплава и шлака в пределах между температурой плавления хлористых солей (960^oC) и температурой кипения магния (1120^oC). В этом случае за счет исключения кипения магния еще в большей степени снижаются пироэффект и барботаж. Указанное практически можно реализовать при использовании расплавов на медной основе, в частности, с содержанием кремния 6 - 12% и, к сожалению, невозможно при использовании расплавов на основе кремния. По этой причине расплавы на основе меди более предпочтительны, но из-за высокой цены меди по сравнению с кремнием лигатуры на основе меди примерно в два раза дороже лигатур на основе кремния. Лигатуры на основе меди экономически целесообразно использовать для получения отливок из чугунов, которые должны быть легированы медью. Для обычных (нелегированных) чугунов экономически более предпочтительным является использование лигатур на основе кремния. В этом случае приходится осуществлять соединение расплава и магниевого шлака при температуре выше температуры кипения магния.

Введение защитного газа, в частности азота, в пространство, в котором соединяют расплав и магниевый шлак, повышает степень усвоения магния из магниевого шлака, снижает пироэффект и величину дымовыделений.

В описании сознательно используется выражение "соединение расплава и магниевого шлака" вместо, например, выражения "ввод магниевого шлака в расплав". Это вызвано тем, что соединение расплава и магниевого шлака может осуществляться вводом магниевого шлака в расплав, находящийся в печи (ковше, иной емкости), или заполнением расплавом емкости (тигля печи, ковша, литейной формы и т. п. ) с расположенным в ней магниевым шлаком. Выбор способа соединения расплава и магниевого шлака зависит от ряда обстоятельств: в частности, имеющегося типа плавильной печи, требований, предъявляемых к лигатуре, в частности, по количеству и пределам содержания в ней магния; других возможностей и конкретных условий в литейном цехе.

Например, при подготовке расплава в дуговой печи и сравнительно низком содержании магния в лигатуре (до 5-7%) более приемлемым может оказаться заливка расплава на твердый магниевый шлак, расположенный в ковше или в другой специальной емкости. При этом пространство в ковше или иной емкости, с находящимся в них магниевым шлаком, должно быть заполнено азотом перед заливкой в них расплава. К достоинствам данного способа соединения следует отнести его мобильность и производительность; к недостаткам - трудность получения лигатуры со строго определенным содержанием по магнию из-за возможных колебаний в содержании магния в шлаке.

При сравнительно высоком содержании в лигатуре магния (10-15%), узких пределах по отклонению в содержании магния в лигатуре и наличии в цехе индукционной печи более приемлемым будет ввод твердого магниевого шлака в расплав, находящийся непосредственно в печи, например, с помощью колокола. Достоинство данного метода - возможность получения лигатуры с требуемым содержанием магния; недостаток - потребность в колоколах. В этом случае после проведения экспресс-анализа на магний и при наличии отклонения содержания магния от заданного есть возможность ввести дополнительное расчетное количество магниевого шлака на основании данных анализа. Перед вводом дополнительного количества магниевого шлака расплав, как правило, нужно будет подогревать.

При наличии на производственном участке двух и более плавильных печей может быть реализовано соединение магниевого шлака и расплава кремния или (и) меди путем заливки расплава в магниевый шлак, в котором металлический магний находится в расплавленном состоянии (преимущественно между частицами хлористых солей и оксида магния). При заливке расплава кремния или (и) меди на магниевый шлак с жидким магнием магний растворяется в кремнии или (и) меди, а хлористые соли и оксид магния всплывают на поверхность расплава лигатуры вследствие значительной разницы в плотности расплава и флюсово-оксидной смеси. В качестве достоинства этого способа соединения расплава и магниевого шлака можно отметить возможность применения расплава кремния или (и) меди с более низкой температурой; в качестве недостатка - необходимость иметь две плавильные печи.

Ниже приведены примеры осуществления предлагаемого способа и полученные при этом результаты.

Пример 1. Графитовый тигель установили в набивной тигель печи ИСТ-0,16 и расплавили 5 килограммов меди, затем ввели в расплав 0,5 килограмма кремния. Ввод кремния осуществили для снижения температуры плавления (затвердевания) расплава. После растворения кремния при температуре расплава 1000^oC над тиглем печи установили колпак с продетой через отверстие колпака штангой колокола. В колоколе находилось 0,4 килограмма магниевого шлака, содержащего около 45% магния. Из баллона по гибкому шлангу под колпак подали азот и ввели колокол в расплав. После окончания подрагивания колокола, что свидетельствует об окончании растворения магния, отключили подачу азота и извлекли колокол из расплава, сняли колпак. Затем удалили с поверхности расплава шлак, подогрели расплав до 1100^oC; снова установили колпак с колоколом, подали азот, ввели в расплав 0,4 килограмма магниевого шлака, отключили подачу азота, удалили колокол и колпак. Снова сняли с поверхности расплава шлак, установили колпак с колоколом, подали азот и при температуре 940^oC ввели 0,3 килограмма шлака, удалили колокол и колпак. В последнем случае примерно четверть введенного магниевого шлака оказалась непрореагировавшей - низкая температура расплава не позволила расплавиться хлористым солям и это затормозило процесс растворения магния из магниевого шлака. Подогрели расплав до 950^oC, сняли шлак с поверхности расплава и разлили расплав лигатуры в изложницу.

Полученную лигатуру состава, %:
Cu - 80
Mg - 7,5
Si - 9,2
Al - 0,9
Zn - 0,4
Fe - Остальное
опробовали для модифицирования чугуна.

Химический состав чугуна после модифицирования, %:
C - 3,4
Si - 2,95
Mn - 0,28
P - 0,12
Cr - 0,03
Cu - 1,32
Al - 0,05
S - 0,05
Zn - < 0,005
В табл. 3 приведены свойства чугуна, модифицированного полученной лигатурой.

В табл. 4 приведено сравнение свойств чугуна, полученного при модифицировании лигатурой, изготовленной по предлагаемому способу, и чугуна по ГОСТ 7293-85 (соответствующие марки ВЧ 50, ВЧ 70, ВЧ 80). Свойства полученного чугуна значительно превышают свойства чугуна соответствующих марок, приведенных в ГОСТ 7293-85.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что предлагаемый способ переработки шлаков в расплаве меди с получением при этом магнийсодержащей лигатуры является практически осуществимым, а лигатуру можно применять для получения отливок из чугуна с шаровидной формой графита. Фотографии микроструктур полученных чугунов приведены на чертеже.

Пример 2. В печи ИСТ-0,16 наплавили 50 килограммов сплава состава 60% кремния и 40% железа. Основная функция железа - понижение температуры плавления расплава (с 1423^oC до 1200-1220^oC). Над тиглем печи установили колпак с продетой через отверстие колпака штангой колокола. В колоколе находилось 8 килограммов магниевого шлака, содержащего около 50% магния. Из баллона по гибкому шлангу под колпак подали азот. Через 10 секунд после начала подачи азота в расплав при температуре 1380^oC ввели колокол с магниевым шлаком. После окончания растворения магния из шлака, о чем свидетельствует прекращение вибрации колокола, подачу азота прекратили. Извлекли из расплава колокол. Удалили колпак с колоколом с тигля печи. Сняли шлак с поверхности расплава. Провели экспресс-анализ расплава на содержание магния. Его содержание оказалось равным 7,5%. Требуемое содержание магния 9±0,5%. Произвели расчет дополнительного количество магниевого шлака (Q_ш) в кг, которое нужно ввести, чтобы выйти на требуемое содержание магния в лигатуре. Расчет произвели по формуле
Q_ш = P_ш · (C_т - C_a)(1 + C_а:100): C_а,
где P_ш - количество введенного в расплав магниевого шлака, кг;
C_т - требуемое содержание магния в лигатуре, %;
C_а - содержание магния в расплаве по данным экспресс-анализа, %.

Разместили в колоколе расчетное количество магниевого шлака:
8 · (9,25-7,5)(1+0,075);7,5=2 кг.

Подогрели расплав до температуры 1350^oC. Продели сквозь отверстие в колпаке штангу колокола, установили колпак с колоколом над тиглем печи, подали азот в пространство над расплавом и ввели колокол в расплав. После окончания растворения из шлака магния перекрыли подачу азота, извлекли из расплава колокол, удалили колпак с колоколом, сняли шлак с поверхности расплава, выпустили полученный расплав лигатуры в литейный ковш и разлили его в изложницы.

Анализ лигатуры показал следующий состав:
Mg = 9,1%; Si = 55%; Al = 0,5%; Zn = 0,1%; Fe - остальное.

Предлагаемый способ позволяет перерабатывать магниевые шлаки со значительным экономическим эффектом за счет совмещения процесса извлечения магния из магниевых шлаков и приготовления лигатуры для производства отливок из чугуна с шаровидным графитом.

Промышленное использование предлагаемого способа позволит решить не только чисто экономическую задачу в результате производства лигатур на базе извлеченного из шлака магния, но будет способствовать решению и экологической задачи в результате удаления магния из шлака и снижения объема шлака на 30-40% по сравнению с первоначальным объемом.

ЛИТЕРАТУРА
1. Таблица физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Киконина. М., Атомиздат, 1976, 1008 с.

2. Краткая химическая энциклопедия в пяти томах. Москва, 1961. Изд-во "Советская энциклопедия". Том 1, с 378.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения магнийсодержащей лигатуры из магниевых шлаков, содержащих металлический магний, хлористые соли и оксид магния, и применения ее при производстве отливок из чугуна с шаровидным графитом. Сущность изобретения в том, что готовят специальный расплав на основе кремния или (и) меди; поддерживают температуру расплава при соединении его со шлаком в пределах между температурой плавления хлористых солей и температурой их испарения; заполняют пространство, в котором соединяют расплав и магниевый шлак, защитным газом; соединяют расплав и магниевый шлак. Способ позволяет осуществлять переработку магниевых шлаков со значительным экономическим эффектом за счет совмещения процесса извлечения магния из магниевого шлака и приготовления лигатуры для производства отливок из чугуна с шаровидным графитом. 3 з.п. ф-лы, 4 табл., 1 ил.

1. Способ переработки магниевых шлаков, содержащих металлический магний, хлористые соли и оксид магния, включающий подготовку расплава металлов и соединение расплава металлов и магниевых шлаков, отличающийся тем, что в качестве основы расплава используют кремний или/и медь, температуру расплава при соединении его со шлаком поддерживают в пределах выше максимальной температуры плавления хлористых солей, равной 960^oC, и ниже минимальной температуры их кипения, равной 1413^oC. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в пространство, в котором соединяют расплав и магниевый шлак, подают защитный газ. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве защитного газа используют азот. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру расплава для сплавов на основе меди поддерживают выше температуры плавления хлористых солей, равной 960^oC, и ниже температуры кипения магния, равной 1120^oC.