NO863566L - Fremgangsmaate til fremstilling av en jern-bor-silisiumlegering. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å fremstille en amorf legering (enten direkte eller ved å fremstille en forlegering for umiddelbar anvendelse til fremstilling av en amorf legering) som f.eks. minst delvis er tenkt å erstatte krystallinsk elektrisk stål i transformatorer. Fremgangsmåten vedrører særlig en fremgangsmåte for fremstilling av slike amorfe legeringer hvor anvendelsen av kostbart ferrobor

unngås.

En amorf legering av jern-3% bor-5% silisium som vanligvis inneholder ca. 0,5% karbon, er blitt foreslått for et an-tall magnetiske formål, såsom i motorer og transformatorer. Denne legering har imidlertid vært relativt kostbar særlig på grunn av prisen på bor. Bor har vanligvis vært tilsatt i form av ferrobor fremstilt ved karbonreduksjon av en blanding av B^ O^, stålskrap, og/eller jernoksid (glødeskall). Denne prosess er sterkt endoterm og utføres i lysbueovner med neddykket elek-trode. Reduksjonen krever temperaturer på 1600-1800°C og borut-byttet er lavt (vanligvis kun ca. 40% og således må ca. 2,5 ganger den endelige bormengde tilsettes) på grunn av at E^O^har et særlig høyt damptrykk ved disse høye reaksjonstempera-turer. Videre utvikles det store mengder karbonmonoksidgass under prosessen, noe som nødvendiggjør utstrakt forurensningskontroll. Lavt borutbytte og utstrakt anvendelse av utstyr til forurensningskontroll resulterer i høye kostnader for å omdanne B2^3 (vannrri borsyre) til ferrobor (ferrobor koster vanligvis mer enn 5 ganger så mye som borsyre målt pr. kg inneholdt bor).

Selv om borsyre kan reduseres ved en aluminotermisk prosess, frembringer en slik prosess ferrobor med ca. 4% aluminium basert på vektprosent, noe som er uegnet for bruk i slike magnetiske anvendelseseksempler.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av en amorf jern-3%-bor-5%-silisiumlegering inneholdende opp til 1,0% karbon og fremgangsmåten kjennetegnes ved at det fremstilles en blanding vesentlig bestående av en jernholdig bestanddel med et stort sett støkiometrisk jerninnhold, minst 11% av legeringsvekten av en silisiumholdig silisi-umbestanddel, en karbonbestanddel, og fra 1 til 1,75 ganger den støkiometriske borholdige mengde av borsyre, og blandingen oppvarmes til en temperatur under 1575°C for å fremstille en jern-3% bor-5% silisiumsmelte dekket av en silisiumdioksidhol-dig slagg, og man lar jern-bor-silisiumsmelten størkne for å fremstille legeringen.

Denne fremgangsmåte resulterer i en stort sett aluminium-fri jern-bor-silisiumlegering, (slik det brukes her) betyr ut-trykket "jern-bor-silsiumlegering" en jern-3% bor-5%-silisium-legering som også inneholder opp til 1,0% karbon). Vannfri borsyre (B203) reduseres hovedsakelig av silsium. Jernbestanddelen er fortrinnsvis minst én av følgende: jern, jernoksyd og ferrosilisium. Silisiumbestanddelen er fortrinnsvis silisium og/ eller ferrosilisium. Karbonbestanddelen er fortrinnsvis karbon og/eller karbon i jern, (omfattende f.eks. jernkarbid). Ettersom silisium (og muligens også noe karbon) regarerer med oksygen i de andre bestanddeler såvel som eventuelt med atmosfærisk oksygen, tilsettes det silisium (og eventuelt karbon) i overskudd i forhold til legeringens støkiometri. Fortrinnsvis tilsettes ^ 2^ 3 t-"--"- smelten ved mindre enn 1500°C. Fortrinnsvis tilsettes borsyren til slutt til en smelte av de andre bestanddeler nær minimumstemperaturen, hvorved blandingen smeltes (smeltetemperaturen kan tillates å falle til ca. 1100°C og fortsatt kan smeiten være smeltet ettersom den endelige sammensetninger er oppnådd). Jernet kan smeltes først og den andre bestanddelene kan deretter tilsettes til det smeltede jern, idet temperaturen kontrolleres til mindre enn 1500°C mens borsyren tilsettes til slutt. Slaggen fjernes fra toppen av lege-ringssmelten og jern-bor-silisiumlegeringen kan enten anvendes umiddelbart i smeltet tilstand eller etter størkning kan den anvendes til å fremstille en amorf magnetisk legering. Fortrinnsvis er bestanddelene jern, karbon i jern, silisium og borsyre.

Kombinasjonen av reduksjon av ^ 2°3 ved den lavere temperatur, med silisium (heller enn karbon), og blandingen og reduksjonen av borbestanddelene direkte ved en borkonsentrasjon som hovedsakelig svarer til den endelige legerings borkonsentrasjon, hindrer anvendelsen av kostbart ferrobor og minimaliserer bortapet som følge av fordamping av B203.

Ifølge denne oppfinnelse reduseres t^O^(borsyre som et tørt pulver, fortrinnsvis av vannfri teknisk kvalitet) av silisium i smeltet jern (stort sett ved en temperatur på 1400-1500°C) for å fremstille den ønskede jern-bor-silisium-(og karbon )legeringssammensetning. Omsetningen mellom silisium og borsyre, ifølge den etterfølgende reaksjon, er eksoterm og således er lite eller ingen varmetilførsel nødvendig:

Silisiumdioksidet danner en slagg på overflaten og kan fjernes enkelt. Reaksjonen kan utføres i en elektrisk ovn for å sikre at varme, om nødvendig, kan tilføres for å oppnå en god slagg-metallseparasjon.

Denne løsning minimaliserer den nødvendige bormengde og hindrer anvendelsen av kostbart ferrobor.

Silisiumet kan tilsettes enten som ferrosilisium eller som silisiummetall eller blandinger av disse. Jernet kan tilsettes som jern (f.eks. omfattende råjern), jernoksid, ferrosilisium og blandinger derav. Det bemerkes at billig jernoksyd kan anvendes for å tilsette noe av jernet ettersom badet er sterkt reduserende. Karbon kan tilsettes som karbon, karbon i jern (f.eks. i råjern) eller som blandinger av disse. Det kan også anvendes andre forbindelser som tilfører bestanddeler, men som ikke endrer den endelige legering, men de ovennevnte forbindelser er antatt å være de mest anvendelige. Selv om bor først og fremst reduseres av silisium (særlig ved den foretruk-ne temperatur av mindre enn 1500°C ettersom reaksjonen B2°3+ 3C~2B + 3C0 ^kke er termodynamisk favorisert ved slike temperaturer) skal det bemerkes at overskytende karbon også kan reagere med annet oksygen i blandingen. De samlede silsium- og karbonmengder i blandingen er stort sett ca. 5-6% mer enn det som anvendes under reaksjonen for å danne karbonmonoksid/diok- sid og silsiumdioksid av oksygenmengden i blandingen. Silisium-mengden i blandingen bør være minst ca. 11% av den endelige le-geringsvekt (av dette ender 5% opp i den endelige legering og minst 6% i silisiumoksidet i slaggen).

Mens blandingens sammensetning kan beregnes forut for miksingen under anvendelse av støkiometrisk jern og støkiome-trisk bor (opptil 75%, men fortrinnsvis kan det kreves mindre enn 50% boroverskudd i en produksjonssats — selv forholdsvis større mengder kan være nødvendig under eksperimentelle forhold) og tilsats av av karbon- og silsiummengde både for å danne karbonmonoksid/dioksid og silisiumdioksid med jernet i blandingen og for å tilføre silisium og karbon i den endelige legering kan den endelige legering analyseret og tilsatser foretas for å justere den kjemiske sammensetning når det er nødvendig. Dette er særlig hensiktsmessig ettersom bortapet ved fordampning av B2^3såvel som forholdet mellom dannet karbon-monoksid og karbondioksid er helt avhengig av både ovnens kon-figurasjon og hvordan fremgangsmåten eksakt utføres.

I forsøkene som ble utført ifølge oppfinnelsen, ble en homogen legering dannet ved å bråkjøle den smeltede legering til barrer. For å bestemme borets natur i den støpte legering ble den analysert under anvendelse av ESCA (elektronspektro-skopi for kjemisk analyse). Denne analyse bekreftet positivt at bor var tilstede i legeringen som elementært bor og ikke som<B>2<0>3.

De kjemiske sammensetninger for forskjellige støpte barrer, bestemt ved våtkjemiske analyser, er opplistet nedenfor i tabell I. Resultatene viser at noe bor er tapt under smeltin-gen, enten ved fordampning og/eller til silisiumslagget, under den eksperimentelle utførelse. For å kompensere for dette tap, ble bormengden øket i en av startsatsene (barre nr. 10) til større enn de støkiometriske mengder, og det ble oppnådd en legering med en sammensetning svært nær den ønskede sammensetning. Dette tilsvarer til ca. 1,75 ganger den støkiometriske mengde for å frembringe den ønskede 3%-bor. Større produksjons-mengder vil kreve mindre bor. Anvendelse av boroksyd i en mengde større enn det som kreves støkiometrisk, er fortsatt billigere enn å anvende ferrobor under fremstillingen av den smeltede amorfe legeringsblokk. Ovnen bør utformes og drives for å minimalisere fordampning av B2^3 *

Som kjent kreves det hurtigstørkning for å fremstille en legering i amorf form. Dette kan utføres enten direkte fra smeiten, eller ved å la smeiten størkne for midlertidig lagring mens resmelting og hurtigstørkning utføres på et senere tids-punkt .

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en amorf jern-3% bor-5%-silisiumlegering inneholdende opp til 1,0% karbon, karakterisert ved at det fremstilles en blanding vesentlig bestående av en jernholdig bestanddel med et stort sett støkiometrisk jerninnhold, minst 11% av legeringsvekten av en silisiumholdig silisumbestanddel, en karbonbestanddel, og fra 1 til 1,75 ganger den støkiometriske borholdige mengde av borsyre, og blandingen oppvarmes til en temperatur under 1575°C for å fremstille jern-3% bor-5% silsiumsmelte dekket av et si-lisiumdioksidholdig slagg, og man lar jern-bor-silisiumsmelten størkne for å fremstille legeringen.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at jernbestanddelen er jern, jernoksyd og/ eller ferrosilisium, idet silisiumbestanddelen er silsium og/ eller ferrosilisium mens karbonbestanddelen er karbon og/ eller karbon i jern.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at bestanddelene er jern, karbon i jern, silisium og borsyre.

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at de samlede silisium- og karbonmengder i blandingen er 5-6% i overskudd av den støkiometri-ske mengde for å danne karbonmonoksid/dioksid og silisiumdioksid med oksygenet i blandingen.

5. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-4, karakterisert ved at den oppvarmede blanding kontrolleres og minst én bestanddel tilsettes, hvorved den kjemiske sammensetning justeres etter behov.

6. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-5, karakterisert ved at en jern-, silisium- og karbon-smelte dannes, holdes smeltet og kontrolleres til en temperatur av mindre enn 1500°C hvoretter borsyren tilsettes til smeiten.