Сплавы железо — кремний — РЗМ

Наряду с мишметаллом, эти сплавы используют в черной металлургии, по экономическим соображениям их применение предпочтительнее. Многочисленные варианты методов для получения таких сплавов, включая восстановительную плавку бастнезитово- го и железного концентратов в смеси с кварцем в электродуговой печи; восстановление смеси редких земель силицидом кальция или сплавом кальция с 70 % кремния; частичную замену кальций-крем- ниевого сплава на СаС2; использование железного скрапа в качестве компонента исходной шихты; применение в качестве восстановителей ферросилиция и алюминия, были опробованы в процессе выбора оптимального решения [2].

Среди нашедших коммерческое применение — процесс, разработанный в Горном бюро США, где для смеси редкоземельных оксидов из бастнезита восстановителями служили алюминиевая стружка и ферросилиций (25Fe—75Si) [6]. Тщательно перемешанная смесь с измельченным до крупности 6 мм ферросилицием загружалась в карбидкремниевый тигель и засыпалась флюсом из оксидов кальция и магния, позволявшим избежать потерь образующегося сплава с вязким шлаком. Процесс восстановления проводили в индукционной печи при 1500 °С с 30-минутной выдержкой, выпивали расплав в стальную изложницу и отбивали шлак после охлаждения. Состав полученного сплава, мае. %: РЗМ — 52,6; Si — 27,6; Fe — 10,7; А1 — 3,8; Са — 5,0; Р — 0,05; S — 0,003; О — 0,28. Редкие земли извлекались в сплав на 80 %, кремний — на 93, железо — на 85 и алюминий — на 16 %. В отличие от РЗМ—Si—А1 сплава, полученный РЗМ—Si—А1—Fe сплав был устойчив на воздухе и обладал максимальным содержанием и извлечением РЗМ.

В Индии для получения сплавов этого типа использовали смесь редких земель, полученных из монацита, алюминиевый скрап и 80%-й ферросилиций [7]. Кроме СаО—MgO, в качестве флюса опробовали смесь СаО—CaF, и проводили процесс в графитовом тигле при 1550 °С с выдержкой 30 минут и последующей разливкой по чугунным изложницам. Максимальное содержание РЗМ в сплаве достигало 55 % при извлечении 82 % в случае использования оксид- но-фторидного шлака.

В Китае (Баотоу) в качестве источника редких земель для получения подобных сплавов использовали шлак шахтной плавки железо-редкоземельного концентрата Баян-Обо. Восстановление вели в дуговой печи ферросилицием под известковым шлаком. Извлечение РЗМ в сплав 30 % РЗМ—Si—Fe составляло 60—70 % [8]. В отечественной металлургии для раскисления, десульфурации и легирования стали и чугуна на протяжении многих лет использовали лигатуры с участием редкоземельных металлов марок СЦЕМИШ (с преобладанием церия) и СИИТМИШ (с преобладанием иттрия) [9], причем было показано более эффективное действие иттрия в сравнении с церием и магнием для получения чугуна с шаровидным графитом [10]. В отличие от применявшегося ранее ферроцерия, они менее пирофорны, не окисляются при хранении и повышают стабильность свойств конечной продукции. При производстве таких сплавов алюмотермическим методом наибольшее извлечение РЗМ достигается при отношении алюминия и кремния к сумме редкоземельных оксидов, соответственно 0,4—0,45 и 0,9— 0,95. Содержание РЗМ в этих железо-алюминий-кремний-кальци- евых лигатурах составляет 15—30 %. Восстановителем в процессе их получения в дуговой печи при 1800—1850 °С служит алюминиевый порошок, в состав шихты входит ферросилиций ФС75, малофосфористая железная руда (Fe > 63 %) и свежеобожженная известь. Как и в работе индийских авторов, было отмечено положительное влияние добавок флюорита к флюсу на извлечение и разделение фаз. При использовании в качестве восстановителя смеси порошков алюминия, кремния и железа в сочетании с известково-магнезитовым флюсом удается получить сплав, содержащий, мае. %: РЗМ — 53, Si — 28, Fe — 11иА1 — 4с извлечением РЗМ в сплав около 80 %.

В производстве ферросплавов, содержащих редкоземельные металлы, нашел применение и карботермический метод [9]. С его помощью получают лигатуры с 12—25 % РЗМ и 36—40 % кремния, а также сплавы, содержащие до 50 % РЗМ и 15—20 % кремния. Вакуумтермический вариант карботермии позволяет при 1500— 1510 °С довести содержание РЗМ в сплаве до 70—75 % при 25— 27 % кремния. Повышение температуры приводит к улетучиванию кремния в форме монооксида и падению его извлечения в сплав. Несмотря на дешевизну восстановителя, экономика процесса отягощена высокими энергозатратами, связанными с его продолжительностью, необходимости вакуумирования и нагрева больших рабочих объемов в печах сопротивления.

В массовом производстве в руднотермических печах мощностью 1200 кВА подвергают восстановительной плавке шихту из брикетированных оксидов РЗМ, кварцита, стальной стружки и газового угля или кокса. В полунепрерывном режиме работы печи выплавляют

лигатуры с 12—38 % РЗМ и 45—55 % кремния при извлечении РЗМ от 70 до 97,5 % [9].

Трудности, возникающие при выплавке в дуговых рудовосстановительных печах редкоземельных лигатур с повышенным содержанием магния, преодолеваются восстановлением РЗМ-содержащей шихты кремнием в присутствии оксидов магния и кальция [9]. С этой целью в индукционной печи мощностью 100 кВА смесь фторидов РЗМ с высоким содержанием иттриевой группы, крошки обожженного доломита (56СаО—32MgO) и 75%-го ферросилиция расплавляли в графитовом тигле и выливали металл со шлаком в чугунную изложницу, обмазанную графитом. Таким образом, при извлечении РЗМ 94,4 % получали сплав, содержавший, мае. %: Si 59; Са 5,2; Mg 4,1; А1 1,0; Fe 19,9; РЗМ 10,0; Р 0,015; S 0,01; С 0,21.

Растущие требования к сталям для современной техники по- прежнему во многом удовлетворяются за счет использования лигатур на основе РЗМ. Малые добавки редкоземельных металлов заметно влияют на поверхностное натяжение жидкой стали, сводя к минимуму адсорбцию вредных примесей в процессе ее кристаллизации, обеспечивая чистоту границ зерен и высокую пластичность, снижают анизотропию механических характеристик стали и ее литейные свойства, увеличивают плотность металла [11].

Тем не менее, объем применения РЗМ в отечественной черной металлургии остается ниже уровня передовых стран, прежде всего, из-за устоявшейся практики использования для этой цели мишметалла, ферроцерия и ферроцерия с 5 % магния (ФЦМ-5), характеристики которых не удовлетворяют сегодняшним требованиям. Промышленности необходимы лигатуры и модификаторы, содержащие, наряду с РЗМ и кремнием, кальций, магний, алюминий, медь, бор, цирконий, ванадий и другие элементы. Уже опробованы и зарекомендовали себя лигатуры, содержащие до 40 % индивидуальных редкоземельных металлов [12].

Комбинированная двухстадийная технология для получения лигатур, содержащих не менее 30 % РЗМ была разработана в Институте ферросплавов ЦНИИЧермета им. И. П. Бардина [13]. Ферросилиций ФС75 в смеси с алюминием и силикокальций СКЗО использовались в двух вариантах в качестве восстановителей для концентрата цериевой группы РЗМ, мае. %: Се02 — 48,0; La203 — 24,0; Nd203 — 15,0; Рг203 — 4,0. На первой стадии осуществляли плавление редкоземельных оксидов с известью, на второй — восстановление в расплаве. При использовании смеси ферросилиция и алюминия была получена лигатура состава, мае. %: Се — 22,8; La — 8,3; Nd — 4,5; Pr — 1,4; Si —36,6; А1 — 11,6; Fe — 13,8; при восстановлении сили- кокальцием: Се — 26,7; La — 12,3; Nd — 7,5; Pr — 1,5; Si — 36,8; Са — 5,6; Fe — 8,8. Содержание РЗМ в шлаке в обоих случаях было близко к 20 %, извлечение их в сплав — 50—60 %.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >