CN104099487B - 硅钙合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及硅钙合金的制备方法，属于铁合金领域。本发明要解决的技术问题是提供一种硅钙合金的制备方法。本发明硅钙合金的制备方法，包括如下步骤：a、于反应炉中加入熔融状态的金属添加剂；b、将炉料加入反应炉中，于1400～1550℃下重熔，混合，得炉料熔融液；所述炉料由石灰、硅铁和熔剂组成，按重量比，石灰:熔剂＝1:0.2～0.5，所述熔剂为氧化铝；c、将炉料熔融液进行浇铸，冷却，即得硅钙合金。采用本发明方法生产1吨硅钙合金，可减少电能消耗350～500KWh；且硅、钙损失率较小；硅钙合金中各组分分布均匀，明显改善了其偏析现象。

Description

硅钙合金的制备方法

技术领域

本发明涉及硅钙合金的制备方法，属于铁合金领域。

背景技术

硅钙合金，由于钙和硅与氧都有强亲和力，特别是钙，不仅与氧具有极强的亲和力，而且与硫、氮都有很强的亲和力，所有硅钙合金是一种较为理想的复合脱氧剂、脱硫剂，被广泛应用于优质钢、特殊钢、特殊合金生产中，同时还可以作为铸铁的孕育剂和球墨铸铁生产中的添加量。

按照钙含量的不同分为：SiCa31(Ca≥31％、Ca+Si≥90％)；SiCa28(Ca≥28％、Ca+Si≥85％)；SiCa24(Ca≥24％、Ca+Si≥80％)；SiCa15(Ca15-20％)等。此外，在硅钙合金的基础上添加其他元素可组成多元合金，如Si-Ca-Al、Si-Ca-Mn、Si-Ca-Fe等。

目前，常见的硅钙合金的方法有两种：碳热还原方法和硅热还原方法。

碳热还原方法：目前工业上的碳热还原法生产硅钙合金都是在2000℃左右的高温下碳热还原氧化硅和氧化钙的混合物，一般化学反应表达式为:

CaO+SiO₂+3C→CaSi+3CO↑

但是在碳热还原法中，反应温度过高，导致钙、硅元素在作为气体逸出，其损失量达到20％，同时由于元素的偏析，而导致合金组分具有很大的不均匀性，合金中有害杂质元素的含量也较高，生产一吨硅钙合金(24％钙为准)，电能消耗约14500kWh。

硅热还原法技术实质在于：将由石灰、硅铁、矿石作为原料，在1800-2200℃条件下混合冶炼，同时加入金属添加剂，制得成品。所获取的硅钙合金，虽然有害杂质元素的含量有所下降，但同时钙含量也降低20％左右。进一步的，金属添加剂其在钙中不同的元素溶解度，而会影响合金质量，尤其是完全不互溶的钙和钒。

硅热还原方法的缺点是还原过程温度过高(1700～1800℃)，直接产生的后果就是，钙、硅损失率较大，电能消耗较大，生产每吨硅钙合金的能耗较高,并且由于冶炼过程很大的偏析程度而直接导致产品质量较差。

冶炼过程的较高的温度，在还原过程中产生两种含钙硅酸盐，和较多的碳化钙，直接导致局部或全面钙的损失，用肉眼都能看到的、伴随着的强烈的高温现象，煤气消耗量较多。除此之外，渣中由于含有较多的、难熔的碳化钙，并且拥有较高的粘度，合金中某些部位损耗量较高,高的反应温度决定了过高的电能消耗。

硅钙合金的浇铸和冷却过程，在很大程度上增强了偏析过程。将合金冷却成块锭的工艺条件，甚至是熔融物的温度，炉料之间的相互熔融特性等等，都决定了哪种反应炉料的元素能够进入到合金中。在很大程度上，剩余的元素越多，偏析得越严重。

因此，寻找一种能有效减少合金损耗和电能消耗的硅钙合金的制备方法，显得尤为重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种硅钙合金的制备方法。

本发明硅钙合金的制备方法，包括如下步骤：

a、于反应炉中加入熔融状态的金属添加剂铝；

b、将炉料加入反应炉中，于1400～1550℃下重熔、混合，得炉料熔融液；所述炉料由石灰、硅铁和熔剂组成，按重量比，石灰:熔剂＝1:0.2～0.5，所述熔剂为氧化铝；

c、将炉料熔融液进行浇铸，冷却，即得硅钙合金。

其中，a步骤也可以是先加入金属添加剂，然后通过加热或通电流使其变为熔融状态。

优选地，b步骤中，按重量比，石灰:熔剂＝1:0.3～0.4。

b步骤中，重熔温度优选为1500℃；b步骤重熔时间优选为45min～75min，更优选为60min。

进一步的，作为优选方案，按重量计，炉料:金属添加剂＝100:2～5。

作为进一步优选方案，c步骤浇铸前，先于浇铸罐中加入铝合金，按重量比，炉料熔融液:铝合金＝1000:1～10。

本发明有益效果：

1、采用本发明方法生产1吨硅钙合金，可减少电能消耗350～500KWh；

2、本发明硅钙合金的制备方法中硅、钙损失率较小；

3、通过本发明方法制备得到的硅钙合金中各组分分布均匀，明显改善了其偏析现象；进一步的，由于偏析程度的减弱以及钙含量的提升，从而提升了硅钙合金的品质。

4、在浇注过程中添加铝合金，以增强液体炉料的流动性，从而能够生产处成分更加均匀的硅钙合金。

具体实施方式

本发明硅钙合金的制备方法，包括如下步骤：

a、于反应炉中加入熔融状态的金属添加剂铝；

b、将炉料加入反应炉中，于1400～1550℃下重熔、混合，得炉料熔融液；

c、将炉料熔融液进行浇铸，冷却，即得硅钙合金。

其中，所述炉料由石灰、硅铁、熔剂组成，所述熔剂为氧化铝，按重量比，石灰:熔剂＝1:0.2～0.5。石灰和硅铁的用量根据目标硅钙合金中合金比例进行调整，如制备SiCa31时，石灰中Ca的含量≥炉料重量的31wt％、石灰中Ca的含量和硅铁中硅含量的之和≥炉料重量的90wt％。

其中，a步骤中的金属添加剂为铝粉。同时，在a步骤中，也可先加入金属添加剂，再通过加热或通电流等方式提高温度，使其变成熔融状态。a步骤中添加的金属添加剂，基本都存留在反应炉的炉底。金属添加剂的用量为，按重量计，炉料:金属添加剂＝100:2～5kg，即，每向反应炉中加入100kg炉料，则需加入2～5kg的铝粉。

b步骤的熔化过程伴随着强烈的还原过程，容易形成具有液体流动性的、有活性的残渣(CaO·Al₂O₃·SiO₂)。这种反应的温度条件，改善了放热反应进行条件。b步骤还原过程如下：

3CaO+5Si+Al₂O₃→2CaSi₂+CaO·Al₂O₃·SiO₂

△G＝-153374+2.37T

反应平衡向着形成CaO·Al₂O₃·SiO₂的方向移动。

反应过程温度的降低直接减少了电能的消耗和钙蒸发的消耗。除此之外，反应过程温度的降低，在冷却成锭的过程中，由于熔体的温度不会过高而特别容易显示出其有利，并由于此会减少产品合金的偏析过程。

b步骤中的熔剂氧化铝会阻碍形成碳化钙，因此可以提高反应体系的稳定性，在所有炉次中都保持液态流动性渣。同时，液态炉料的存在会有效减少渣中合金的损耗。

进一步的，作为优选方案，b步骤中，按重量比，石灰:熔剂＝1:0.3～0.4。熔剂可以使用铝土矿或其它铝工业生产的残渣代替，其中，氧化铝的含量通常在50～80wt％左右，甚至更多。当采用铝土矿或其它铝工业生产的残渣来作为熔剂时，其用量根据氧化铝实际含量进行调整，总之，使氧化铝的实际含量为石灰重量的0.2～0.5倍，优选为0.3～0.4倍即可。

进一步的，氧化铝的用量优选为：生产每吨硅钙合金中，加入200～600kg氧化铝，更优选每吨硅钙合金中加入300～500kg氧化铝。氧化铝加入量多少以及氧化铝与石灰的比例，或多或少的改变，都不会有太大影响；但氧化铝的加入量增大的，在还原反应过程中，为了保持炉渣为熔融状态，必须提供更多的热量，而热量的来源是电耗，因此会增加电能的消耗，加大了合金的损耗和钙的损耗。

进一步的，b步骤中熔炼低于1400℃会阻碍熔化，会使还原反应过程动力学恶化，并会形成差额合金而导致钙在合金中的含量降低；高于1550℃，会使过程热力学恶化，增加了钙元素的挥发损耗，温度优选为1500℃。作为优选方案，b步骤重熔时间为45min～75min，更优选为60min。

在b步骤中硅元素部分参与反应，部分没有参与反应，没有参与反应的部分以熔融的状态存在于反应炉底部，与同处一个位置的铝溶解在一起。同时，由于化学反应，在炉底富集和形成了钙、硅溶液，硅和钙有着非常好的相溶性能，能非常良好的溶解在一起，所形成的合金具有非常均匀度的成分，因此，在冷却工序不容易产生偏析现象。

进一步的，c步骤中浇铸的具体操作为：将得到的炉料熔融液倒入浇铸罐，为了增加熔融状态炉料的流动性，优选先于浇铸罐中添加铝合金，更优选，按重量比，炉料熔融液:铝合金＝1000:1～10，能够获取得到更加均匀元素分布的硅钙合金。铝合金的加入量每吨少于1kg，会从本质上对获取更加均匀成份的硅钙合金有所影响，由于溶解程度不充分，在这种程度上会直接导致偏析仍然会停留在以前的程度。大于10kg，不会从本质上改善硅钙合金的质量，反而会直接增加成本。

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

a、向反应炉中加入10kg的铝粉，通入电流，使其变成熔融状态；

b、继续向反应炉中加60kg石灰、20kg硅铁、30kg氧化铝含量为60％的铝土矿，于1400℃下重熔，混合，得炉料熔融液；

c、先于浇铸罐中加入2kg的铝合金，然后将炉料熔融液倒入浇铸罐中进行浇筑，即得硅钙合金。

经核算，采用本发明方法，每生产1吨硅钙合金的耗电量为8000KWh。经测定，硅钙合金中钙含量为35％。

实施例2

a、向反应炉中加入10kg的铝粒，通入电流，使其变成熔融状态；

b、继续向反应炉中加60kg石灰、20kg硅铁、30kg氧化铝含量为60％的铝土矿，于1500℃下重熔，混合，得炉料熔融液；

c、先于浇铸罐中加入2kg的铝合金，然后将炉料熔融液倒入浇铸罐中进行浇筑，即得硅钙合金。

经核算，采用本发明方法，每生产1吨硅钙合金的耗电量为8400KWh。经测定，硅钙合金中钙含量为37％。

实施例3

a、向反应炉中加入10kg的铝粒，通入电流，使其变成熔融状态；

b、继续向反应炉中加60kg石灰、20kg硅铁、40kg氧化铝含量为50％的铝土矿，于1400℃下重熔，混合，得炉料熔融液；

c、先于浇铸罐中加入2kg的铝粒，然后将炉料熔融液倒入浇铸罐中进行浇筑，即得硅钙合金。

经核算，采用本发明方法，每生产1吨硅钙合金的耗电量为8000KWh。经测定，硅钙合金中钙含量为32％。

Claims (7)

1.硅钙合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、于反应炉中加入熔融状态的金属添加剂铝；或于反应炉中先加入金属添加剂，然后通过加热或通电流使其变为熔融状态；

b、将炉料加入反应炉中，于1400～1550℃下重熔、混合，得炉料熔融液；所述炉料由石灰、硅铁和熔剂组成，按重量比，石灰:熔剂＝1:0.2～0.5，所述熔剂为氧化铝；

c、将炉料熔融液进行浇铸，冷却，即得硅钙合金。

2.根据权利要求1所述的硅钙合金的制备方法，其特征在于：b步骤中，按重量比，石灰:熔剂＝1:0.3～0.4。

3.根据权利要求1所述的硅钙合金的制备方法，其特征在于：b步骤中，重熔温度为1500℃。

4.根据权利要求1所述的硅钙合金的制备方法，其特征在于：b步骤重熔时间为45min～75min。

5.根据权利要求4所述的硅钙合金的制备方法，其特征在于：b步骤重熔时间为60min。

6.根据权利要求1所述的硅钙合金的制备方法，其特征在于：按重量计，炉料:金属添加剂＝100:2～5。

7.根据权利要求1所述的硅钙合金的制备方法，其特征在于：c步骤浇铸前，先于浇铸罐中加入铝合金，按重量比，炉料熔融液:铝合金＝1000:1～10。