عملية آمنة ومبتكرة لإنتاج سبيكة MgFeSi المحتوية على الكالسيوم والعناصر الأرضية النادرة

يقدم

تُستخدم سبائك السيليكون -الحديد- من المغنيسيوم بشكل شائع (MgFeSi) بشكل شائع في صناعة صب الحديد كمادة مضافة أساسية في إنتاج الحديد المرن لتعزيز التشتت وتكوين الجرافيت الكروي، أو عقيدات الجرافيت، داخل المصفوفة. يضفي شكل الجرافيت هذا ليونة ممتازة على المادة، مما يؤدي إلى مادة تجمع بين الليونة الجيدة والقوة العالية وقابلية التصنيع الجيدة والتشطيب السطحي الناعم.

مع اكتشاف هياكل الجرافيت الكروية، تم اقتراح واختبار استخدام المغنيسيوم لتشكيل الجرافيت الكروي داخل مصفوفة حديدية كبديل لرقائق الجرافيت التقليدية. على الرغم من أن المغنيسيوم فعال للغاية كعامل عقيدي، إلا أن كثافته المنخفضة (1.74 جم سم3).⁻³) ، نقطة الغليان المنخفضة (1107 درجة)، الذوبان المحدود في الحديد الزهر، وضغط البخار العالي عند درجات حرارة إنتاج حديد الدكتايل يجعل من الصعب استخدام المغنيسيوم النقي. تؤدي إضافة المغنيسيوم أيضًا إلى تفاعل عنيف، مما يسبب تقليبًا شديدًا للحديد المنصهر وتوليد أبخرة أكسيد المغنيسيوم البيضاء، مما يؤدي إلى فقدان المغنيسيوم وانخفاض استرداد المغنيسيوم.

لقد وجدت الأبحاث أن المغنيسيوم يذوب في سبائك الفيروسيليكون المنصهرة لتكوين سيليسيد المغنيسيوم المستقر. تتميز سبيكة MgFeSi الناتجة بكثافة أعلى من كثافة معدن المغنيسيوم النقي وتعتبر سبيكة ممتازة لإدخال المغنيسيوم في الحديد الزهر المنصهر. لتكوين سيليسيد المغنيسيوم وتقليل شدة التفاعل، فإن محتوى السيليكون الأمثل في سبائك المغنيسيوم-الفيروسيليكون هو 40% إلى 50%، بينما يتراوح محتوى المغنيسيوم عادة بين 5% و10%.

وأظهرت الأبحاث اللاحقة أن الكالسيوم يمكن أن يشكل الجرافيت الكروي ويقلل من فقدان المغنيسيوم. تؤدي إضافة الكالسيوم إلى سبائك المغنيسيوم-من الفيروسيليكون إلى إدخال مرحلة ثانية تحتوي على المغنيسيوم-، CaMgSi2، في البنية_,تقليل معدل التفاعل وبالتالي التأثير بشكل إيجابي على استعادة المغنيسيوم. أظهرت العناصر الأرضية النادرة أيضًا القدرة على تكوين هياكل كروية، وتم لاحقًا إدخال السيريوم (Ce) واللانثانم (La) في إنتاج سبائك المغنيسيوم الفيروسيليكون-.

يمكن إنتاج سبائك-المغنيسيوم المحتوية على الفيروسيليكون عن طريق اختزال الخامات المحتوية على المغنيسيوم-(مثل الدولوميت) بالكربون أو السيليكون أو الألومنيوم. ومع ذلك، فإن استخدام الكربون كعامل اختزال في فرن القوس الكهربائي لإنتاج سبائك المغنيسيوم-التي تحتوي على الفيروسيليكون يمثل تحديات كبيرة نظرًا لارتفاع درجة حرارة التشغيل وضغط بخار المغنيسيوم. علاوة على ذلك، فإن التكلفة العالية لاستخدام الألومنيوم في عملية الإنتاج والمحتوى العالي من الألومنيوم في السبيكة الناتجة يجعل هذه العملية أقل من مثالية. علاوة على ذلك، لا تتجاوز معدلات استرداد المغنيسيوم 13.8% عند اختزال خام الدولوميت المكلس بالسيليكون أو اختزال الألومنيوم -السيليكون.

بالإضافة إلى عملية الاختزال، يمكن أيضًا إنتاج سبائك الحديد والسيليكون والمغنيسيوم- التي تحتوي على محتوى مغنيسيوم بنسبة 5.5% تقريبًا عن طريق غمر سبائك المغنيسيوم في الفيروسيليكون المنصهر. تعتبر طريقة الغمر أكثر اقتصادا من طريقة التخفيض، ولكنها تنطوي على تحديات تقنية. يتفاعل المغنيسيوم مع الفيروسيليكون المنصهر، وينتج عنه حرارة عالية، وشرارة، ودخان، وأبخرة. محتوى المغنيسيوم ومعدل استرداد المغنيسيوم في السبيكة منخفضان أيضًا. وفي دراسة أخرى، أجرى الباحثون تجارب معملية لغمر المغنيسيوم في مصهور الفيروسيليكون لتقليل شدة التفاعل وزيادة محتوى السيليكون إلى 75%. ومع ذلك، كان الحد الأقصى لمعدل استرداد المغنيسيوم 71% فقط، ولم يتجاوز محتوى المغنيسيوم في السبيكة النهائية 9.5%. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي سبيكة MgFeSi المنتجة على نسبة عالية من السيليكون تبلغ 65-75%. ، وهي غير مناسبة لإنتاج مصبوبات حديد الدكتايل. هناك أسلوب آخر يتمثل في صهر سيليسيد المغنيسيوم والفيروسيليكون معًا لإنتاج سبيكة الحديد والسيليكون والمغنيسيوم-. أجريت التجارب في المختبر. تتطلب هذه الطريقة الذوبان تحت جو من الغاز الخامل واستخدام ضغوط أعلى من الضغط الجوي لتقليل أكسدة المغنيسيوم. هناك طريقة أخرى لإنتاج سبائك المغنيسيوم- الفيروسيليكون وهي إعادة صهر المغنيسيوم مع حمايته من الأكسدة بالخبث. يضاف الفيروسيليكون الصلب ببطء إلى المصهور مع زيادة درجة الحرارة تدريجياً. تتبع هذه العملية مخطط علاقة السيليكون-بالمغنيسيوم للحفاظ على السيولة والحفاظ على المعدن في حالة سائلة. هذه الطريقة معقدة وتتطلب توازنًا دقيقًا بين كمية الفيروسيليكون المضافة وزيادة درجة الحرارة. نظرًا لأنه يجب إضافة كميات كبيرة من الفيروسيليكون ببطء، فإن وقت التسخين يطول، مما يؤدي إلى انخفاض الإنتاجية.

باختصار، تواجه جميع الطرق المختلفة لإنتاج سبائك السيليكون-الحديد-المغنيسيوم تحديات، خاصة معدلات استرداد المغنيسيوم المنخفضة. يعتبر المغنيسيوم المادة الخام الأكثر تكلفة في هذه العملية، مما يؤدي إلى زيادة تكاليف الإنتاج والتأثير سلبًا على اقتصاديات عملية الإنتاج. لذلك، هناك حاجة إلى مزيد من البحث لإيجاد طريقة أكثر أمانًا لإنتاج سبائك المغنيسيوم-الفيروسيليكون مع معدلات استرداد مغنيسيوم أعلى.

تهدف هذه الدراسة إلى استكشاف طريقة لإنتاج سبائك الحديد-المغنيسيوم-الحديد التي تحتوي على عناصر أرضية نادرة بشكل آمن وباسترداد عالي للمغنيسيوم.

تجربة

لتحديد الظروف المثالية لإنتاج سبائك مغنيسيوم الفيروسيليكون- ذات المحتوى العالي من المغنيسيوم والحد الأقصى من استخلاص المغنيسيوم، تم تصميم تجارب الأفران التجريبية وإجراؤها في المنشأة التجريبية للحديد والصلب والسبائك الحديدية التابعة لمعهد الصين للأبحاث والتصميمات المعدنية (المنشأة التجريبية). استخدمت التجارب فرن القوس الكهربائي وعمليات الصب المختلفة. تم تحديد المواد الخام المطلوبة للتجارب التجريبية وتضمنت سبائك الفيروسيليكون، وخردة الفولاذ، وسبائك المغنيسيوم، وسبائك سيليكون الكالسيوم -، والعناصر الأرضية النادرة، والتدفق، ومواد الطلاء (مسحوق الفيروسيليكون، والدولوميت، والتلك، وحمض البوريك). تم إجراء التحليل الكيميائي بالأشعة السينية والرطبة على المواد الخام المختلفة.

تحتوي سبيكة الماغنسيوم المستخدمة على 99% Mg وحمض البوريك على 99.9_{% H3BO3}

استنادًا إلى التحليل الكيميائي للمواد الخام المختلفة، تم إجراء توازن المواد لإنتاج سبيكة MgFeSi تحتوي على 40-46% Si، و9-11% Mg، و1-1.5% Ca، و1.25-1.5% العناصر النادرة (Ce وLa). تم تحديد الكميات المطلوبة من المواد الخام المختلفة بناءً على توازن المواد . 5.1 - تمت إضافة 5.65 كجم من سبيكة المغنيسيوم لإنتاج سبيكة MgFeSi تحتوي على 9-11% Mg. المواد الخام المستخدمة في طلاء سبيكة المغنيسيوم (مسحوق الفيروسيليكون والدولوميت والتلك وحمض البوريك) كان حجم جسيماتها أقل من 3 مم. تم خلط المكونات المختلفة لطلاء سطح المغنيسيوم جيدًا في الخلاط، ثم تم تطبيق طلاء بسيط على 90% من سطح السبيكة باستخدام سيليكات الصوديوم كمادة رابطة.

تم إجراء سبع تجارب تجريبية لإنتاج سبائك المغنيسيوم-الفيروسيليكون التي تحتوي على الكالسيوم والعناصر الأرضية النادرة. تم إنتاج الفيروسيليكون المنصهر باستخدام فرن القوس الكهربائي بقدرة 100 كيلو فولت أمبير. في هذه التجارب، تتكون الشحنة إما من 40 كجم من سبائك الفيروسيليكون و15 كجم من الفولاذ الخردة أو 41.5 كجم من سبائك الفيروسيليكون و13.5 كجم من الفولاذ الخردة لتقليل محتوى السيليكون وزيادة محتوى الحديد، وبالتالي الحصول على ذوبان الفيروسيليكون بمحتوى السيليكون المطلوب. إن محتوى السيليكون الأمثل لسبائك المغنيسيوم والفيروسيليكون- هو 40% إلى 50% لتسهيل تكوين مبيدات سيليكات المغنيسيوم وتقليل شدة التفاعل. بعد الذوبان الكامل عند درجة حرارة 1600 درجة، يُسكب المعدن المنصهر في مغرفة ساخنة تحتوي على سيليكون الكالسيوم والعناصر الأرضية النادرة وسبائك المغنيسيوم. يوضح الشكل 1 رسمًا تخطيطيًا لعملية الصب لإنتاج سبيكة MgFeSi. تم وضع سبائك المغنيسيوم المطلية بدرع التمويه أو غير المطلية بالمعادن الأرضية النادرة في الجزء السفلي من المغرفة الساخنة، المغطاة بسليكون الكالسيوم، ثم سكبت بـ FeSi المنصهر، كما هو موضح في الشكل 1. في إحدى التجارب (المجموعة 1)، تم استخدام سبائك المغنيسيوم غير المطلية. وفي التجارب الأخرى، تم طلاء 90% من سطح سبائك المغنيسيوم بمسحوق ناعم FeSi أو خليط من التدفقات المختلفة ومواد الطلاء مع سيليكات الصوديوم كمواد رابطة لدراسة تأثير عملية الطلاء على استخلاص المغنيسيوم. تم اختيار المواد المضافة لتعزيز التفاعلات الماصة للحرارة في المصهور، وبالتالي خفض درجة الحرارة.

بعد النقر، يكتمل ذوبان المكونات المختلفة وتفاعلها مع الفيروسيليكون المنصهر خلال 2-3 دقائق. يتم وزن المعدن الناتج، ويتم أخذ عينة تمثيلية من السبائك للتحليل الكيميائي لـ XRF. يتم إجراء تحليل XRD أيضًا على عينة السبائك الناتجة.

الشكل 1

 ​

​

توضح نتائج استخلاص المغنيسيوم فعالية العملية المبتكرة في تحسين استخلاص المغنيسيوم في إنتاج سبائك السيليكون-الحديدية-المغنيسيوم. عندما تم صب الفيروسيليكون المنصهر في مغرفة تحتوي على سيليكون الكالسيوم، وعناصر أرضية نادرة، وسبائك مغنيسيوم غير مطلية، كان استرداد المغنيسيوم منخفضًا بنسبة 69.49%. من خلال طلاء 90% من سطح سبيكة المغنيسيوم بمسحوق الفيروسيليكون المعادل لـ 44% من وزن السبيكة، تمت زيادة استخلاص المغنيسيوم إلى 84.96%. من خلال طلاء 90% من سطح سبيكة المغنيسيوم بطبقة واقية تتكون من خليط من الدولوميت، التلك، وحمض البوريك، أو الدولوميت، التلك، حمض البوريك، ومسحوق الفيروسيليكون، تمت زيادة استخلاص المغنيسيوم إلى 85.11% إلى 87.35%. تم تحقيق أعلى استرداد للمغنيسيوم (87.35%) من خلال طلاء 90% من سطح سبيكة المغنيسيوم بطبقة واقية مكونة من مادة تدفق مختلطة تشتمل على 29% من وزن السبيكة، بما في ذلك 36.5% دولوميت، و36.5% مسحوق فيروسيليكون، و24% تلك، و3%. بالإضافة إلى تأثير تقوية الطبقة الواقية، يبدو أيضًا أن سبيكة سيليكون الكالسيوم - تعمل على تحسين استخلاص المغنيسيوم. كان معدل استخلاص الماغنيسيوم للحرارة الثانية (84.00%)، بدون إضافة سبيكة سيليكون الكالسيوم-، أقل من معدل استخلاص الماغنسيوم للحرارة السابعة (87.35%)، المنتجة تحت نفس الظروف ولكن مع إضافة سيليكون الكالسيوم-. أدى هذا الاسترداد المرتفع للمغنيسيوم إلى زيادة محتوى المغنيسيوم في سبيكة MgFeSi المنتجة، والتي تتراوح من 9.04% إلى 10.89%.

علاوة على ذلك، من خلال طلاء 90% من سطح سبائك المغنيسيوم بطبقة واقية، زاد استرداد إجمالي العناصر الأرضية النادرة (Ce+La) من 88.7% عند استخدام سبائك المغنيسيوم غير المطلية إلى قيم أعلى تتراوح بين 95.26-99.59%.

بالمقارنة مع معدلات استرداد المغنيسيوم الأقل بكثير (لا تزيد عن 13.8%) التي تم تحقيقها عند تقليل دولوميت كابيرنت بالسيليكون أو الألومينا، أو الحد الأقصى لاسترداد المغنيسيوم بنسبة 71% الذي تم تحقيقه عندما تم ترشيح المغنيسيوم في ذوبان الفيروسيليكون، فإن معدل استرداد المغنيسيوم الأعلى بشكل ملحوظ في هذه الدراسة (87.35%) يمكن أن يعزى إلى عدة عوامل. عند صب الفيروسيليكون المنصهر على سبيكة مغنيسيوم غير مطلية، يتفاعل المغنيسيوم بقوة بسبب كثافته المنخفضة، ونقطة الغليان المنخفضة، وارتفاع ضغط البخار عند درجات حرارة الفيروسيليكون المنصهر، مما يؤدي إلى تبخر كبير للمغنيسيوم. علاوة على ذلك، بدون الخبث الذي يغطي سطح المعدن المنصهر، يتأكسد المغنيسيوم، مما يؤدي إلى انخفاض استرداد المغنيسيوم.

من خلال طلاء 90% من سطح سبيكة المغنيسيوم، يبدأ المغنيسيوم غير المطلي المتبقي في التفاعل، ويلعب الطلاء دورًا رئيسيًا في تقليل فقدان المغنيسيوم. إذا تم طلاء مسحوق الفيروسيليكون على سطح سبيكة المغنيسيوم، فإن ذوبانه هو عملية ماصة للحرارة، حيث يمتص الحرارة وبالتالي يخفض درجة حرارة حوض السباحة المنصهر، ويبطئ تفاعل المغنيسيوم ويقلل من فقدان المغنيسيوم بسبب التبخر.

بالإضافة إلى تأثيرها الإيجابي على مكونات الخليط الأخرى (الدولوميت، التلك، وحمض البوريك)، فإن الطبقة الواقية من مسحوق الفيروسيليكون لها تأثيرات أخرى. إن تحلل الدولوميت وخام التلك هو تفاعل ماص للحرارة يقلل من درجة حرارة البركة المنصهرة. يفقد حمض البوريك كل الماء فوق 150 درجة ويتحول إلى أكسيد البورون (B2O3₎، الذي يعمل بمثابة تدفق ويقلل من درجة انصهار الأكاسيد المختلفة_لالتلك والدولوميت، وبالتالي زيادة سيولة الخبث المتكون من هذه الأكاسيد. يتمتع خبث السائل الناتج بكثافة أقل من كثافة المعدن المنصهر ويطفو على سطح المعدن المنصهر، مكونًا طبقة واقية فعالة تمنع الأكسجين الجوي من اختراق المعدن المنصهر ويقلل من أكسدة المغنيسيوم. تمنع طبقة الخبث هذه أيضًا أي بخار مغنيسيوم قد يتشكل من الهروب إلى الهواء. ونتيجة لذلك، فإن أي بخار مغنيسيوم قد يتشكل لديه الوقت للتفاعل مع السيليكون والكالسيوم لتكوين سيليسيد المغنيسيوم وسيليكيد مغنيسيوم الكالسيوم. كشف تحليل XRD لسبائك السيليكون الناتجة من المغنيسيوم-الحديد- عن تكوين سيليسيد المغنيسيوم (_ملغ2تعمل المراحل المتكونة من سيليسيد المغنيسيوم وسيليسيد الكالسيوم والمغنيسيوم على تقليل الضغط الجزئي للبخار للمغنيسيوم في المعدن المنصهر.

بالإضافة إلى ذلك، قد يتم تقليل الكمية الصغيرة من أكسيد المغنيسيوم في التلك والدولوميت جزئيًا إلى Mg، أو قد يدخل مبيد سيليكات المغنيسيوم إلى مرحلة السبيكة الناتجة، وبالتالي تحسين معدل استرداد المغنيسيوم. إن وجود CaO يجعل من السهل اختزال MgO إلى Mg2Si_,ويمكن أن تصل درجة حرارة التخفيض إلى 1650-1750 درجة.

ختاماً

لإنتاج سبائك الحديد-السيليكون-المغنيسيوم التي تحتوي على الكالسيوم والعناصر الأرضية النادرة، يمكن أن يؤدي طلاء طبقة واقية من التدفق على سطح سبيكة المغنيسيوم إلى تحسين معدل استرداد المغنيسيوم بشكل فعال.

من خلال طلاء 90% من سطح سبيكة المغنيسيوم بمسحوق ناعم من الفيروسيليكون يعادل 44% من وزن السبيكة، زاد معدل استرداد المغنيسيوم من 69.49% إلى 84.96%.

تم تحقيق استرجاع أعلى للمغنيسيوم بنسبة 85.11-87.35% عن طريق طلاء 90% من سطح سبيكة المغنيسيوم بطبقة واقية تتكون من خليط من الدولوميت، التلك، وحمض البوريك أو الدولوميت، التلك، حمض البوريك، ومسحوق الفيروسيليكون.

بالإضافة إلى تعزيز الطبقة الواقية، يبدو أن سبيكة سيليكون الكالسيوم-تساعد أيضًا في تحسين استعادة المغنيسيوم.

تم تحقيق أعلى نسبة استخلاص للمغنيسيوم (87.35%) من خلال طلاء 90% من سطح سبيكة الماغنسيوم بطبقة واقية من مادة التدفق المختلط. تتكون هذه الطبقة الواقية، التي تمثل 29% من وزن السبيكة، من 36.5% دولوميت، و36.5% مسحوق الفيروسيليكون، و24% تلك، و3% حمض البوريك.

بالإضافة إلى ارتفاع معدل استخلاص المغنيسيوم، تم أيضًا زيادة إجمالي معدل استخلاص العناصر الأرضية النادرة (Ce+La) من 88.7% إلى 95.26-99.59% باستخدام سبائك المغنيسيوم غير المطلية (من خلال تطبيق طبقة واقية على 90% من سطح سبيكة المغنيسيوم).

يؤدي معدل استرداد المغنيسيوم المرتفع إلى محتوى عالي من المغنيسيوم في سبيكة MgFeSi المنتجة، يتراوح من 9.04% إلى 10.89%. في ظل ظروف الحماية المثلى، يمكن الحصول بأمان على سبيكة مغنيسيوم الفيروسيليكون- التي تحتوي على 9.58% مغنيسيوم، و1.26% عناصر أرضية نادرة، و1.52% كالسيوم.