NO863604L - Fremgangsmaate til fremstilling av ferroborlegeringer. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av ferroborlegeringer og særlig en ferroborlegering som, selv om den inneholder noe silisium, er stort sett fri for aluminium.

Tidligere har aluminiumfri ferrobor vært kostbare. Mens aluminiumholdig ferrobor har vært tilfredsstillende for mange an- " vendelser, kan det for noen anvendelser (og særlig fremgangsmåter for å fremstille amorfe, magnetiske legeringer) vanligvis ikke benyttes slikt aluminiumholdig ferrobor.

Amorfe legeringer, såsom en jern-3% bor-5% silisium (vanligvis også inneholdende ca. 0,5% karbon) har vært foreslått for et antall av magnetiske anvendelser, såsom i motorer og transfor-matorer. Slike legeringer har imidlertid vært relativt kostbare, særlig på grunn av prisen på aluminiumfritt bor. Borinnholdet i slike magnetiske legeringer har vanligvis blitt tilsatt i form av ferrobor som er blitt fremstilt ved karbonreduksjon av en blanding av B-jO^, stålskrap og/eller jernoksyd (glødeskall). Denne prosess for å fremtille ferrobor er sterkt endoterm og blir vanligvis utført i lysbueovner med neddykket elektrode. Reduk-sjoner krever temperaturer på ca. 1600-1800°C og borutvinningen er lav (vanligvis kun ca. 40%, og således må det tilsettes 2,5 ganger den endelige bormengde) på grunn av det svært høye damp-trykket for & 2®3 ve(^ slike høye reaksjonstemperaturer. Videre ut-vikles det store mengder med karbonmonoksydgass under prosessen noe som nødvendiggjør utstrakt forurensningskontroll. Lavt bor-utbytte og utstrakt anvendelse av utstyr til forurensningskontroll resulterer i høye kostnader for å omdanne l^O^(vannfri borsyre) til ferrobor. Slik ferrobor koster vanligvis mere enn fem ganger så mye som borsyre pr. kg. av inneholdt bor.

Selv om borsyre kan reduseres ved en aluminotermisk prosess, frembringer en slik prosess ferrobor med ca. 4% aluminium som, selv om den er egnet for mange anvendelser, er uegnet for magnetiske anvendelser.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ved at det fremstilles en blanding inneholdende hovedsakelig en jernbestand-del, en silisumbestanddel, og borsyre, hvor jernbestanddelen velges fra jern, jernoksyd eller ferrosilisium og silisiumbestanddelen er silisium og/eller ferrosilisium, hvor silisiummeng-den i blandingen er større enn den støkiometriske mengde for å danne SiC>2med oksygenmengden i blandingen, at blandingen omsettes ved en temperatur på 1100-1550°C for å fremstille en smelte av ferrobor inneholdende 0,5-20% silisium og opp til 4,5% karbon dekket av en silisiumdioksydholdig slagg, og at slaggen fjernes.

Fortrinnsvis inneholder ferroboret 10-25 vekt% bor, 0,5-20 vekt% silisium og opp til 4,5 vekt% karbon, hvor det resterende er jern og tilfeldige forurensninger. Vannfri borsyre (B^^) reduseres særlig av silisium. Fortrinnsvis er vekt% av silisium i blandingen fra 2-3,7 ganger vekten av bor i blandingen.

Fortrinnsvis reguleres en smelte inneholdende minst jernbestanddelen til en temperatur på 1100-1450°C (tilsatsen av noe karbon eller silisium eller begge muliggjør at badet holder seg smeltet ved lavere temperaturer enn et rent jernbad) forut for tilsatsen av borsyre og, fortrinnsvis tilsettes i det minste noe av silisiumbestanddelen i metallsmelten sammen med borsyre.

Kombinasjonen av smeltens lavere temperatur og den øye-blikkelige tilgjengelighet av silisium for å redusere I^O^resulterer i at mindre av borinnholdet tapes.

Ifølge denne oppfinnelse reduseres B2(->3(borsyre, som et tørt pulver, fortrinnsvis vannfri teknisk kvalitet) av silisium i smeltet jern (vanligvis ved en temperatur på 1100-1550°C) for å fremstille en stort sett aluminiumfri, silisiumholdig ferroborlegering. Omsetningen av silisum med borsyre, ved den følgende re-aksjon er termodynamisk gunstig, og således er lite eller ingen varmetilførsel nødvendig:

Silisiumdioksydet danner en slagg på overflaten og kan fjernes på enkel måye. 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 forhindrer aluminiumforurensning.

Silisiumet kan enten tilsettes som ferrosilisium eller si-lisiummetall eller blandinger derav. Jernet kan tilsettes som jern (f.eks. omfattende karbonholdig jern, såsom råjern), jernoksyd, ferrosilisium og blandinger derav. Det bemerkes at billig jernoksyd kan anvendes for å tilsette noe av jernet etter som badet er sterkt reduserende. Karbon kan også tilsettes som karbon, karbon i jern (f.eks. i råjern) eller blandinger derav. De forannevnte forbindelser foretrekkes ettersom dette er den mest praktiske måte å tilsette bestanddelene på.

For noen anvendelser, såsom amorfe loddelegeringer, kan andre bestanddeler i den endelige legering tilsettes i det minste delvis i ferroboret av denne legering. Videre kan det tilføres andre tilsatser som avslagges (inkludert overskudd av fosfor) eller som ryker av (inkludert overskudd karbon) enten direkte eller når de oksyderes. Således kan f.eks. karbon tilsettes, selv for anvendelse med amorfe legeringer som ikke inneholder karbon, ettersom karbonet kan oksyderes og stort sett fjernes fra badet. Dette er særlig tilfelle ettersom moderate karbonforurensnings-nivåer i slike amorfe magnetiske legeringer stort sett ikke er noe problem.

Boret reduseres fortrinnsvis av silisium, særlig ved de foretrukne temperaturer av mindre 1500°C ettersom reaksjonen B2°3+ 3V 2B + 3C0 ikke er termodynamisk gunstig ved slike temperaturer.

Vanligsvis inneholder ferroboret 10-20 vekt% bor. Den nød-vendige silisiummengde for å redusere boret er omtrent to ganger vekten av bor og stort sett vil ytterligere tilsats silisium for-bli i ferroboret. Tilsats av ytterligere silisium har en tendens til å redusere bortapet på grunn av fordampning av borsyren, reduserer temperaturen som er nødvendig for å holde badet smeltet, og resulterer selvsagt i et høyere silisiuminnhold i ferroborpro- duktet. Dersom det endelige produkt således skal inneholde 3% bor og 5% silisium, er den tilsatte silisiummengde fortrinnsvis ca. 3,7 ganger vekten av det bor som skal fremstilles.

Fortrinnsvis er forholdet mellom jern og bor i ferroborpro-duktet fra 8:1 til 3:1. Dette er selvsagt som elementært bor og omfatter ikke bor som er tapt på grunn av fordampning av & 2®3'

Fortrinnsvis anvendes ferroboret fra denne prosess som den viktigste bortilførende ingrediens i en amorf legering, og fortrinnsvis er den amorfe legering en jern-bor-silisiumlegering an-vendt som minst en del av det magnetiske materiale i en elektrisk anordning såsom en transformator eller motor.

Selv om blandingens sammensetning kan beregnes forut for blandingen under anvendelse av støkiometrisk mengde jern, mellom 1-1,75 ganger støkiometrisk mengde bor, og silisium i en mengde av 2-3,7 (og fortrinnsvis 2,5-3,7) ganger vekten av støkiometrisk mengde bor for den ønskede ferroborsammensetning, kan smeltens kjemiske sammensetning analyseres og det kan gjøres tilsatser for å justere kjemien når det er nødvendig. Dette er særlig hensikts-messig ettersom bortapet ved fordampning av I^O^såvel som anvendelse av silisium under reaksjonen med oksygen fra andre kil-der kan variere fra sats til sats.

Prosessen kan utføres i egnede ildfastforede beholdere eller sandgroper hvori de godt blandede reaktantene smeltes sammen. Silika (SiC^) fremstilt ved reaksjonen danner en salt-slagg på toppen av ferroborsmelten og kan fjernes. Avhengig av de anvendte reaktanters natur og mengde kan den frigjorte varme-mengde under silisiumreduksjonen være utilstrekkelig til å smelte slaggen og gi en god slagg-smelteseparasjon, og således kan det være nødvendig å utføre prosessen i en elektrisk ovn for å frem-bringe ytterligere varme. Ferroboret som fremstilles ved denne prosessen inneholder noe silisium (minst 0,5%) ettersom slike silikotermiske reaksjoner stort sett ikke går fullstendig og overskuddet av silisium minimaliserer tapet gjennom fordampning av B2(-)3 ' Idet silisium imidlertid vanligvis ikke er skadelig for de fleste ferroboranvendelser og magnetiske amorfe legeringer vanligvis inneholder ca. 5 vekt% silisium, er det silisumholdige ferrobor perfekt egnet for å introdusere bor, såvel som minst deler av det nødvendige silisium i den amorfe legering. Kostnad-ene for å fremstille dette ferrobor er mye lavere enn den tidligere anvendte karbotermiske reduksjonsprosess på grunn av at det kreves svært lave kapitalinvesteringer, at fremgangsmåten er enkel og er eksoterm.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en stort sett aluminiumfri ferroborlegering, karakterisert ved at det fremstilles en blanding som hovedsakelig inneholder en jern-bestanddel, en silisiumbestanddel og borsyre, og jernbestanddelen velges fra jern, jernoksyd eller ferrosilsium, og silsiumbestand-delen er silsium og/eller ferrosilsium, hvor mengden av silsium i blandingen er større enn den støkiometriske mengde for å danne Si02 med oksygenmengden i blandingen, at blandingen omsettes ved en temperatur på 1100-1550°C for å fremstille en smelte av ferrobor inneholdende 0,5-20% silisium og opp til 4,5% karbon dekket av en silsiumdioksydholdig slagg, og at slaggen fjernes.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at vektprosenten av silisium i blandingen er fra 2-3,7 ganger vektprosenten av bor i blandingen og ferroboret inneholder 10-25 vekt% bor.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at ferroboret inneholder 10-20 vekt% bor.

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at vekt% av silisium er fra 2,5 til 3,7 ganger vekten av bor.

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, 2, 3, eller 4, karakterisert ved at forholdet mellom jern og bor i smeiten er fra 10:1 til 2:1.

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5, karakterisert ved at forholdet mellom jern og bor er fra 8:1 til 3:1.

7. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-6, karakterisert ved at minst jernbestanddelen oppvarmes for å danne en smelte og temperaturen av smeiten kontrolleres til 1100-1450°C forut for tilsatsen av borsyren.

8. Fremgangsmåte i samsvar med krav 7, karakterisert ved at minst noe av silisiumbestanddelen tilføres smeiten sammen med borsyren.