CN111500814B

CN111500814B - 一种硅锶合金变质剂的制备方法

Info

Publication number: CN111500814B
Application number: CN202010412171.0A
Authority: CN
Inventors: 包晓刚; 魏爽; 史鑫; 李有成; 卢建华
Original assignee: Sanxiang Advanced Materials Co ltd
Current assignee: Sanxiang Advanced Materials Co ltd
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2040-05-15
Also published as: CN111500814A

Abstract

本发明涉及硅锶合金变质剂及其制备方法，该硅锶合金变质剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将单晶硅切削料或多晶硅切削料进行烘干，直至水分含量为1％以下；(2)将80‑100重量份的烘干后的单晶硅切削料或多晶硅切削料与20‑30重量份的废钢混合，于1300‑1450℃条件下进行电加热熔炼，获得合金液；(3)将获得的合金液加入至1‑4重量份的金属锶中，进行锶合金化反应，然后进行浇筑成型，获得硅锶合金变质剂。本发明提供的硅锶合金变质剂及其制备方法可降低工艺难度和成本，且控制铝钙元素含量在较低水平。

Description

一种硅锶合金变质剂的制备方法

技术领域

本发明涉及合金金属材料技术，特别涉及一种硅锶合金变质剂及其制备方法。

背景技术

硅锶合金变质剂主要元素成分为Si和Sr，余量为Fe。主要用作铸造孕育剂，由于Sr在硅铁孕育剂中是最有效的促进孕育元素，当过冷度较大时，有减少共晶团的特殊作用，可减少铸件的缩孔、缩松缺陷。硅锶合金作为孕育剂，与硅铁对比，其减少白口能力较之高50%以上，同时不显著增加共晶团数。因此常用于薄壁或急冷的高硫、低硫灰铁件和需增加球墨数的球墨铸铁件，特别适于耐蚀铸铁和耐水压铸件。同时硅锶合金中Al与Ca含量控制低，铸件行渣少，无针孔缺陷，在精密、特异型铸件的孕育方面具有重要地位。

传统的硅锶制备工艺主要有矿热炉熔炼工艺和感应炉熔炼工艺。矿热炉工艺使用硅石、锶矿石等为原料在矿热炉内进行还原熔炼硅锶合金，因炉况复杂成分波动大，难于控制合金成分，以制备出低铝低钙的硅锶合金；此外，还可应用矿热炉内添加正常硅铁，熔化后进行吹氯气/氧气脱铝脱钙后，进行炉外铁水包埋锶浇铸熔炼，此方法吹气工艺对环境造成一定负面效应；而感应炉熔炼工艺主要为采用感应炉内直接添加低铝低钙高纯硅铁和金属锶重融法制备硅锶合金。上述方法为现有硅锶生产的主流技术，采用上述工艺以获得低铝低钙的硅锶合金，存在成本较高、工艺难度较大等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种硅锶合金变质剂的制备方法，可降低成本和工艺难度，获得低铝低钙的硅锶合金。以及基于上述制备方法，提供一种硅锶合金变质剂。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提出了一种硅锶合金变质剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将单晶硅切削料或多晶硅切削料进行烘干，直至水分含量为1%以下；

（2）将80-100重量份的烘干后的单晶硅切削料或多晶硅切削料与20-30重量份的废钢混合，于1300-1450℃条件下进行电加热熔炼，获得合金液；

（3）将获得的合金液加入至1-4重量份的金属锶中，进行锶合金化反应，然后进行浇筑成型，获得硅锶合金变质剂。

本发明还提出了一种硅锶合金变质剂，由下述质量百分比的原料组成：70-78%的硅、0.8-2.8%的金属锶、0.08%以下的铝、0.05%以下的钙和余量的铁。

本发明还提出了一种硅锶合金变质剂，通过下述重量份的原料制备而成：单晶硅切削料或多晶硅切削料80-100份、废钢20-30份和锶1-4份。

本发明的有益效果在于：

本发明通过上述制备工艺的设计，采用电加热熔炼技术，硅锶合金变质剂可由上述制备原料进行电加热（例如采用现有的电加热炉进行电加热熔炼）一次熔炼而成，合金中，铝元素含量在0.08%以下，钙元素含量在0.05%以下，铝钙元素含量较低，可应用于铁水炉外处理，处理温度要求低，因此工艺难度相应降低，且能够有效促进孕育，可表现出显著减少共晶团数、针孔缺陷和铸件出现缩松缩孔倾向，具有能够生产出性能优异的铸件的优点。同时，本工艺采用单/多晶硅切片过程产生的下脚料和废钢作为原料，锶收得率达到84%以上，生产成本得到大幅度降低。

附图说明

图1为本发明实施例的硅锶合金变质剂的制备方法中造粒料的照片；

图2为本发明实施例的硅锶合金变质剂的制备方法中使用感应加热炉高温熔炼后期出炉前的炉内产品照片；

图3为本发明实施例5的硅锶合金变质剂应用于下游铸件中试验获得的可显示共晶团数的电镜放大图；

图4为本发明实施例5的硅锶合金变质剂应用于下游铸件中铸件实验剖开后的显示出基本无针孔缺陷以及缩松缩孔现象的显微放大图；

图5为本发明实施例5的硅锶合金变质剂应用于下游铸件中铸件实验剖开后的显示出基本针孔缺陷以及无缩松缩孔现象的另一显微放大图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：取单/多晶硅切削料、废钢和金属锶原料采用电加热熔融工艺制成低铝低钙的硅锶合金变质剂。

本发明提供的硅锶合金变质剂的制备方法，包括以下步骤：

（3）将获得的合金液加入至1-4重量份的金属锶中，进行锶合金化反应，然后进行浇筑成型，获得硅锶合金变质剂。从上述描述可知，本发明的有益效果在于：

本发明通过上述制备工艺的设计，采用电加热熔炼技术，硅锶合金变质剂可由上述制备原料进行电加热（例如采用现有的电加热炉进行电加热熔炼）一次熔炼而成，合金中，铝元素含量在0.08%以下，钙元素含量在0.05%以下，铝钙元素含量较低，可应用于铁水炉外处理，处理温度要求低，因此工艺难度相应降低，且能够有效促进孕育，可表现出显著减少共晶团数、针孔缺陷和铸件出现缩松缩孔倾向，具有能够生产出性能优异的铸件的优点。同时，本工艺采用单/多晶硅切片过程产生的粉料下脚料和废钢作为原料，锶收得率达到84%以上，生产成本得到大幅度降低。

进一步的，步骤（1）具体为：取太阳能级单晶硅或多晶硅切片过程产生的含水硅粉下脚料，进行挤压造粒成型，获得造粒料，然后将造粒料于80-150℃条件下烘干至水分为1%以下，并控制造粒料中粒径为3-12mm的造粒料占总含量的比例为90%以上。

进一步的，将步骤（2）获得的合金液先进行扒渣处理，再将扒渣处理后的合金液加入金属锶中。

进一步的，所述扒渣处理具体为：于获得的合金液中加入1-3份聚渣剂，清渣后于1300-1450℃条件下继续进行保温熔炼1-3min。

进一步的，步骤（1）中，将合金液加入至覆盖有覆盖剂的金属锶中。

本发明提供的硅锶合金变质剂，由下述质量百分比的原料组成：70-78%的硅、0.8-2.8%的金属锶、0.08%以下的铝、0.05%以下的钙和余量的铁。

本发明提供的硅锶合金变质剂，通过下述重量份的原料制备而成：单晶硅切削料或多晶硅切削料80-100份、废钢20-30份和锶1-4份。

本发明采用的各原料中，单晶硅切削料或多晶硅切削料可选择单/多晶硅切片过程产生的下脚料，该下脚料可为粉料，优选为太阳能级单/多晶硅板切片过程产生的高纯度含水硅粉下脚料，优选的，金属锶纯度为99.9%以上。废钢为铝含量小于或等于0.3%钢种的废钢。选择的覆盖剂为单晶硅粉料、多晶硅粉料、废钢料、还原铁粉、硅锶合金粉料中的一种或多种。

本发明的实施例如下：

实施例1

本实施例的硅锶合金变质剂的制备方法，包括以下步骤：

采用太阳能级单/多晶硅板切片过程产生的高纯度含水硅粉下脚料为原料，在挤压机内进行挤压造粒成型，获得造粒料，将获得的造粒料投入回转烘干窑内，于80℃烘干至水分≤1.0%，造粒料中3-12mm料占比90%以上，将称量好的金属锶放在二级加热炉底部避开浇点位置并使用覆盖剂覆盖好。以上原料配方为烘干的单/多晶硅片切削粉造粒料80重量份、洁净废钢20重量份、金属锶1重量份，控制熔炼炉温度在1300℃温度范围内，待上述原料熔化完全，炉内加入1份聚渣剂，聚渣剂选用市面销售正常聚渣剂即可，进行人工扒渣处理，清渣后继续保温熔炼1min，合金液浇入预先埋锶的二级电加热炉内进行通电电磁搅拌下锶合金化反应，待反应平稳后合金液浇入模具成型冷却，粗坯破碎至相应粒度，获得本实施例的硅锶合金变质剂，该硅锶合金变质剂组成元素的质量百分比为：Si：70%，Ca：0.007%，Al：0.037%，Sr：0.8%，余量为铁。

所使用的原料单/多晶硅粉为太阳能级单/多晶硅板切削下脚料，金属锶纯度99.9%以上，废钢选用铝含量≤0.3%钢种的废钢；二级电炉内金属锶覆盖剂可选用单/多晶硅粉造粒料、洁净废钢料、还原铁粉、硅锶合金粉料中的一种或多种。

实施例2

本实施例的硅锶合金变质剂的制备方法，包括以下步骤：

采用太阳能级单/多晶硅板切片过程产生的高纯度含水硅粉下脚料为原料，在挤压机内进行挤压造粒成型，获得造粒料，将获得的造粒料投入回转烘干窑内，于150℃烘干至水分≤1.0%，造粒料中3-12mm料占比90%以上，将称量好的金属锶放在二级加热炉底部避开浇点位置并使用覆盖剂覆盖好。以上原料配方为烘干的单/多晶硅片切削粉造粒料100重量份、洁净废钢30重量份、金属锶4重量份，控制熔炼炉温度在1450℃温度范围内，待上述原料熔化完全，炉内加入3份聚渣剂，聚渣剂选用市面销售正常聚渣剂即可，进行人工扒渣处理，清渣后继续保温熔炼3min，合金液浇入预先埋锶的二级电加热炉内进行通电电磁搅拌下锶合金化反应，待反应平稳后合金液浇入模具成型冷却，粗坯破碎至相应粒度，获得本实施例的硅锶合金变质剂，该硅锶合金变质剂组成元素的质量百分比为：Si：78%，Ca：0.022%，Al：0.057%，Sr：2.8%，余量为铁。

实施例3

本实施例的硅锶合金变质剂的制备方法，包括以下步骤：

采用太阳能级单/多晶硅板切片过程产生的高纯度含水硅粉下脚料为原料，在挤压机内进行挤压造粒成型，获得造粒料，将获得的造粒料投入回转烘干窑内，于100℃烘干至水分≤1.0%，造粒料中3-12mm料占比90%以上，将称量好的金属锶放在二级加热炉底部避开浇点位置并使用覆盖剂覆盖好。以上原料配方为烘干的单/多晶硅片切削粉造粒料90重量份、洁净废钢25重量份、金属锶2重量份，控制熔炼炉温度在1400℃温度范围内，待上述原料熔化完全，炉内加入2份聚渣剂，聚渣剂选用市面销售正常聚渣剂即可，进行人工扒渣处理，清渣后继续保温熔炼2min，合金液浇入预先埋锶的二级电加热炉内进行通电电磁搅拌下锶合金化反应，待反应平稳后合金液浇入模具成型冷却，粗坯破碎至相应粒度，获得本实施例的硅锶合金变质剂，该硅锶合金变质剂组成元素的质量百分比为：Si：75%，Ca：0.013%，Al：0.036%，Sr：1.8%，余量为铁。

实施例4

本实施例的硅锶合金变质剂的制备方法，包括以下步骤：

采用工厂自有配备1600KVA容量变压器的1.0吨中频炉作为主熔炼炉，配备1000KVA容量变压器的1.0吨中频炉做为二级锶合金化炉。单/多晶硅片切削粉在挤压机内进行造粒，筛分检测造粒料中3-12mm料占比91%，造粒料投入回转烘干窑内控制温度110℃烘干至水分0.8%。将称量好的金属锶放在二级加热炉底部避开浇点位置并使用硅锶合金粉料覆盖好，原料配方为烘干的单/多晶硅片切削粉造粒料88份、洁净废钢27份、金属锶3份，物料熔化后控制熔炼炉温度在1300-1360℃温度范围内，待上述原料熔化完全，炉内加入3份聚渣剂，进行人工扒渣处理，清渣后继续保温熔炼1min，合金液浇入预先埋锶的二级电加热炉内，炉通电电磁搅拌下进行锶合金化反应，待反应平稳后合金液浇入模具成型冷却，粗坯破碎至不同粒度得所需硅锶合金变质剂。

所使用的原料单/多晶硅粉为太阳能级单/多晶硅板切削下脚料、金属锶纯度99.9%以上、废钢选用铝含量≤0.3%的废钢。通过检测制得硅锶合金变质剂组成元素的质量百分比为：Si：76.71%，Ca：0.023%，Al：0.051%，Sr：2.19%，余量为铁。

实施例5

本实施例的硅锶合金变质剂的制备方法，包括以下步骤：

采用工厂自有配备1600KVA容量变压器的1.0吨中频炉作为主熔炼炉，配备1000KVA容量变压器的1.0吨中频炉做为二级锶合金化炉。单/多晶硅片切削粉在挤压机内进行造粒，筛分检测造粒料中3-12mm料占比93%，造粒料投入回转烘干窑内控制温度100℃烘干至水分0.94%。将称量好的金属锶放在二级加热炉底部避开浇点位置并使用单/多晶硅粉造粒料覆盖好，原料配方为烘干的单/多晶硅片切削粉造粒料82份、洁净废钢23份、金属锶2份，物料熔化后控制熔炼炉温度在1350-1420℃温度范围内，待上述原料熔化完全，炉内加入1.5份聚渣剂，进行人工扒渣处理，清渣后继续保温熔炼2min，合金液浇入预先埋锶的二级电加热炉内，炉通电电磁搅拌进行锶合金化反应，待反应平稳后合金液浇入模具成型冷却，粗坯破碎至不同粒度得所需硅锶合金变质剂。

所使用的原料单/多晶硅粉为太阳能级单/多晶硅板切削下脚料、金属锶纯度99.9%以上、废钢选用铝含量≤0.3%的废钢。通过检测制得硅锶合金变质剂组成元素的质量百分比为：Si：74.29%，Ca：0.011%，Al：0.036%，Sr：1.45%，余量为铁。

实施例6-10

参见实施例5，按照实施例5的工艺进行硅锶合金变质剂的制备，仅“单/多晶硅片切削粉造粒料、洁净废钢和金属锶的重量份含量，即制备原料配比与实施例5不同”以及“造粒料中3-12mm料占比、造粒料烘干后水分与实施例5不同”，其他均与实施例5相同。根据下述表1，设计实施例6-10。

表1

实施例	制备原料配比	造粒料中3-12mm料占比（%）	造粒料烘干后水分（%）	制得的硅锶合金变质剂组成元素的质量百分比
					实施例6	单/多晶硅片切削粉造粒料80份、洁净废钢20份、以及金属锶2.5份。	造粒料中3-12mm料占比97%	造粒料烘干至水分0.77%	Si：76.14%、Ca：0.018%，Al：0.072%、Sr：1.99%，余量为铁。
实施例7	单/多晶硅片切削粉造粒料100份、洁净废钢28份、以及金属锶4份。	造粒料中3-12mm料占比99%	造粒料烘干至水分0.49%	Si：77.8%、Ca：0.008%，Al：0.031%、Sr：2.72%，余量为铁。
					实施例8	单/多晶硅片切削粉造粒料95份、洁净废钢25份、以及金属锶3份。	造粒料中3-12mm料占比94%	造粒料烘干至水分0.36%	Si：76.21%、Ca：0.045%，Al：0.01%、Sr：2.32%，余量为铁。
实施例9	单/多晶硅片切削粉造粒料82份、洁净废钢30份、以及金属锶4份。	造粒料中3-12mm料占比100%	造粒料烘干至水分0.12%	Si：71.54%、Ca：0.026%，Al：0.053%、Sr：2.79%，余量为铁。
					实施例10	单/多晶硅片切削粉造粒料93份、洁净废钢26份、以及金属锶2份。	造粒料中3-12mm料占比99%	造粒料烘干至水分0.51%	Si：80.89%、Ca：0.019%，Al：0.012 %、Sr：1.86%，余量为铁。

实验测试

取实施例5制得的硅锶合金变质剂作为代表，分别进行共晶团数、针孔缺陷和铸件缩松缩孔倾向性能的检测，具体检测方法以及检测结果数据如下：

将实施例5制得的硅锶变质剂应用于下游铸件中试验，多点取样在电子显微镜下观察，表现为显著减少共晶团数、铸件实验剖开检测基本没有针孔缺陷和缩松缩孔现象。显微放大图片如图3-5所示。

综上所述，本发明提供的硅锶合金变质剂及其制备方法可降低工艺难度和成本，且控制铝钙元素含量在较低水平。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种硅锶合金变质剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（3）将获得的合金液加入至1-4重量份的金属锶中，进行锶合金化反应，然后进行浇筑成型，获得硅锶合金变质剂；

步骤（3）中，将合金液加入至覆盖有覆盖剂的金属锶中；

所述硅锶合金变质剂，由下述质量百分比的原料组成：70-78%的硅、0.8-2.8%的金属锶、0.08%以下的铝、0.05%以下的钙和余量的铁。

2.根据权利要求1所述的硅锶合金变质剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）具体为：取太阳能级单晶硅或多晶硅切片过程产生的含水硅下脚料，进行挤压造粒成型，获得造粒料，然后将造粒料于80-150℃条件下烘干至水分为1%以下，并控制造粒料中粒径为3-12mm的造粒料占总含量的比例为90%以上。

3.根据权利要求1所述的硅锶合金变质剂的制备方法，其特征在于，将步骤（2）获得的合金液先进行扒渣处理，再将扒渣处理后的合金液加入金属锶中。

4.根据权利要求3所述的硅锶合金变质剂的制备方法，其特征在于，所述扒渣处理具体为：于获得的合金液中加入1-3份聚渣剂，清渣后于1300-1450℃条件下继续进行保温熔炼1-3min。

5.根据权利要求1所述的硅锶合金变质剂的制备方法，其特征在于，所述覆盖剂为单晶硅粉料、多晶硅粉料、废钢料、还原铁粉、硅锶合金粉料中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的硅锶合金变质剂的制备方法，其特征在于，所述废钢为铝含量小于或等于0.3%钢种的废钢。

7.根据权利要求1所述的硅锶合金变质剂的制备方法，其特征在于，所述金属锶的纯度为99.9%以上。