ES2958750T3 - Aleación basada en silicio, método para la producción de la misma y uso de tal aleación - Google Patents

Aleación basada en silicio, método para la producción de la misma y uso de tal aleación Download PDF

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Abstract

La presente invención se refiere a una aleación a base de silicio que comprende entre 45 y 95% en peso de Si; máx. 0,05 % en peso de C; 0,01-10 % en peso de Al; 0,01-0,3% en peso de Ca; máx. 0,10 % en peso de Ti; 0,5-25 % en peso de Mn; 0,005-0,07 % en peso de P; 0,001-0,005 % en peso de S; siendo el resto Fe e impurezas incidentales en la cantidad ordinaria, un método para la producción de dicha aleación y su uso. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Aleación basada en silicio, método para la producción de la misma y uso de tal aleación
Campo técnico:
La presente invención se refiere a una aleación basada en silicio, un método para la producción de la misma y el uso de tal aleación.
Antecedentes de la técnica:
El ferrosilicio (FeSi) es una aleación de silicio y hierro y es un aditivo importante en la fabricación de productos de acero. Tales aleaciones se denominan comúnmente aleaciones de ferrosilicio, pero cuando el contenido de silicio es alto y/o cuando el contenido de elementos de aleación es alto, habrá una cantidad muy pequeña de hierro en la aleación, y, por lo tanto, el término aleaciones de silicio (Si) también se usa para denotar tales aleaciones. El silicio en forma de ferrosilicio se usa para retirar oxígeno del acero y como elemento de aleación para mejorar la calidad final del acero. El silicio aumenta, en concreto, la resistencia y la resistencia al desgaste, la elasticidad (aceros elásticos), resistencia a corrosión (aceros resistentes al calor), y reduce la conductividad eléctrica y la magnetostricción (aceros eléctricos). Véase el ejemplo de calidades de ferrosilicio de la técnica anterior producidas por Elkem en la tabla 1. El ferrosilicio especial como LAI (bajo aluminio), HP/SHP (alta pureza/semi alta pureza) y ferrosilicio LC (bajo carbono) se usan en la producción de calidades de acero especiales, tal como acero eléctrico, acero inoxidable, acero para rodamientos, acero elástico, y acero de cable de neumático.
Tabla 1: Ejemplos de calidades en aleaciones de ferrosilicio (todas en % en peso)
El acero eléctrico sin granos orientados (NGOES) es esencial para fabricar núcleos magnéticos de máquinas eléctricas tales como motores, generadores y transformadores. NGOES generalmente se alean con silicio en el intervalo de 0,1 - 3,7 % en peso (% en peso) dependiendo del productor y la calidad, pero también se pueden encontrar niveles de Si más altos. Grados con niveles bajos (normalmente < 1,5 % en peso de Si) de Si se denominan en el presente documento de bajo grado mientras que los que tienen niveles más altos (>2/2,5 % en peso) de silicio a menudo se denominan de alto grado. La demanda de NGOES de alto grado está aumentando en todo el mundo, impulsada por el aumento de la electrificación (como la electromovilidad) y la reducción de las emisiones de CO2. Por lo tanto, existe la necesidad de desarrollar nuevos grados de NGOES, que a su vez requieren mejores soluciones para poder producir o desarrollar tales grados.
Los NGOES requieren tener el contenido de carbono lo más bajo posible (normalmente C < 0,005 % en peso). En la producción de NGOES, deben usarse aleaciones de bajo contenido de carbono para minimizar la contaminación por carbono en el acero tanto como sea posible. Se necesitarían etapas de proceso adicionales y costosas para obtener el bajo nivel de carbono requerido si el nivel de carbono en la masa fundida de acero es demasiado alto debido a la contaminación de aleaciones añadidas. Esta es la razón por la que las aleaciones de ferrosilicio/silicio de bajo contenido de carbono se han utilizado y siguen usándose ampliamente en la fabricación de NGOES, ya sea en forma de LC, LAl o HP/SHP FeSi.
Recientemente, el manganeso se usa cada vez más como un elemento de aleación en NGOES de alto grado. Una fuente importante de contaminación por carbono en la producción de tales grados de acero, además de aleaciones de silicio, son las aleaciones de manganeso usadas. Para mantener bajo el carbono añadido, a menudo se usan grados caros de manganeso como ferromanganeso de bajo contenido de carbono (LCFeMn) o metal de manganeso. La práctica actual implica el uso de la adición por separado de aleación basada en silicio de bajo contenido de carbono, como LC, LAI o HP/SHP FeSi y aleación basada en manganeso de bajo contenido de carbono, como ferromanganeso de bajo contenido de carbono (LC FeMn) o metal de manganeso, para lograr el nivel deseado de Si y Mn en el acero mientras se mantiene el carbono en el acero lo más bajo posible. Las aleaciones de silicio de bajo contenido de carbono y las aleaciones de ferromanganeso de bajo contenido de carbono son costosas de producir y requieren la adición separada de estas aleaciones al acero.
El principal elemento contaminante en las aleaciones basadas en manganeso es el carbono que puede ser de desde el 0,04 hasta el 8 % en peso. Ejemplos de aleaciones de Mn comerciales son ferromanganeso con alto contenido de carbono (HC FeMn) que tiene un contenido de carbono normalmente de desde el 6 hasta el 8 % en peso, ferromanganeso de contenido medio de carbono (MC FeMn) con normalmente el 1 - 2 % en peso de C y ferromanganeso de bajo contenido de carbono (LCFeMn) con aproximadamente un 0,5%en peso de C. También está disponible manganeso electrolítico que tiene hasta un máximo del 0,04 % en peso de C. Otras aleaciones pueden estar disponibles con diferentes contenidos de carbono de hasta el 8 %. También vale la pena señalar que el contenido de carbono más bajo en las aleaciones de Mn se encuentra en el manganeso electrolítico, cuyo proceso de producción se sabe que crea problemas ambientales y es muy costoso de producir. La tabla 2 a continuación muestra ejemplos de aleaciones comerciales de manganeso. El documento EP 3075869 A1 da a conocer una aleación de Fe-Si.
Tabla 2: Ejemplos de aleaciones comerciales de manganeso (todas en % en peso)
Existen varios desafíos con el método de producción actual de NGOES que contienen Mn, tales como el tiempo de procesamiento debido a adiciones separadas de aleación de silicio y aleación de manganeso, coste y calidad y que se tiene que añadir una gran cantidad de aleaciones.
Por lo tanto, el objeto de la presente invención es proporcionar una nueva aleación basada en silicio rentable que tenga un bajo contenido de carbono y que contenga manganeso que se pueda usar como una única adición de aleación para las calidades de acero, tales como NGOES que requieren un bajo contenido de carbono y un cierto contenido de manganeso.
Otro objeto es proporcionar un método para producir dicha aleación basada en Si.
Un objeto adicional es proporcionar el uso de dicha aleación basada en Si.
Estas y otras ventajas con la presente invención serán evidentes en la siguiente descripción.
Sumario de la invención:
La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.
Descripción detallada de la invención
Según la presente invención, se proporciona una nueva aleación basada en silicio que es bajo en carbono y con un contenido de manganeso de hasta el 25 % en peso.
La aleación según la invención se define en la reivindicación 1.
En la presente solicitud, los términos aleación basada en silicio y aleación basada en ferrosilicio se usan indistintamente. Si es el elemento principal en esta aleación que se añadirá a la masa fundida de acero. Tradicionalmente, se usa un 75 % en peso de Si o un 65 % en peso de Si. El ferrosilicio con un 75 % en peso de Si proporciona un aumento de temperatura más alto de la masa fundida de acero que cuando se añade un 65 % en peso de Si, que es casi neutro con respecto a temperatura. Hoy en día, el ferrosilicio con menos del 50 % en peso de Si rara vez se usa en la industria del acero, y significa que se tendría que añadir una alta cantidad de aleación para alcanzar el contenido de Si objetivo en el acero y que se crean desafíos durante la fabricación del acero. Hoy en día, rara vez se usa más del 80 %, ya que aumenta el coste de producción por unidad de silicio cuando aumenta el contenido de silicio en la aleación basada en Si. Por lo tanto, un intervalo de Si preferido es un 50-80 % en peso. Otro intervalo de Si preferido es un 64 - 78 % en peso.
El carbono es el principal elemento no deseado en NGOES y debe ser lo más bajo posible en esta nueva aleación según la invención. Un contenido máximo de carbono en dicha aleación es un 0,05 % en peso. Un contenido preferido debe ser como máximo un 0,03 % en peso o incluso como máximo un 0,02 % en peso, como en los grados actuales de ferrosilicio de bajo contenido de carbono usados en la fabricación de dicho acero. Podría ser difícil retirar totalmente el carbono y, por lo tanto, normalmente un 0,003 % en peso de C puede estar presente en la aleación según la invención. Más que el contenido de carbono en sí mismo, la relación de carbono con respecto a manganeso es el parámetro clave. Con el aumento de manganeso en la aleación, el contenido de carbono en la nueva aleación basada en silicio según la invención puede ser como máximo un 0,05 % en peso.
El aluminio es una impureza en la producción de aleación basada en silicio, normalmente alrededor del 1 % en peso fuera del horno en grado estándar. Se puede refinar hasta un máximo de un 0,01 % en peso, aunque para NGOES serían buenas soluciones un máximo de un 0,03%en peso o incluso como máximo un 0,1%en peso. Sin embargo, en NGOES, a menudo se añade Al en pequeñas o grandes cantidades. Por lo tanto, añadir aluminio hasta un 5 % en peso o incluso hasta un 10 % en peso en la aleación según la invención puede ser preferible en algunos casos.
El calcio es una impureza en la producción de aleaciones basadas en silicio, y debe mantenerse bajo para evitar problemas durante la fabricación de acero y fundición, tal como obstrucción de la boquilla. En la aleación según la invención, el intervalo de calcio es de un 0,01-0,3 % en peso. Un intervalo de calcio preferido es de un 0,01 - 0,1 % en peso. Un contenido preferido es como máximo un 0,05 % en peso. Si el contenido de calcio en el material de partida para producir la aleación según la invención es mayor que el contenido de calcio deseado en dicha aleación, el calcio se puede retirar fácilmente durante la producción mediante soplado/agitación con oxígeno (del aire y/u oxígeno puro) formando de ese modo óxido de calcio que se puede retirar como escoria.
El titanio es una impureza en la producción de aleaciones basadas en silicio, normalmente alrededor de un 0,08 % en peso fuera del horno en una producción estándar de un 75 % en peso de FeSi, pero eso depende de la mezcla de materias primas. Sin embargo, en NGOES, a menudo es beneficioso un bajo contenido de titanio, para evitar la formación de inclusiones perjudiciales. Por lo tanto, un nivel de Ti de como máximo un 0,06 % en peso o incluso es preferible como máximo un 0,03 % en peso en la nueva aleación según la invención. Las trazas de Ti pueden estar presentes en dicha aleación, de modo que un nivel mínimo de Ti puede ser un 0,005 % en peso. Es difícil refinar Ti en la cuchara de colada, por lo que se requieren una buena operación de horno y selección de materia prima para obtener un bajo contenido de titanio.
El manganeso es normalmente una impureza en la producción de aleaciones basadas en silicio. Sin embargo, los inventores encontraron sorprendentemente que alear una aleación basada en silicio con manganeso en el intervalo de un 1 a un 25 % mientras se mantiene bajo el contenido de carbono proporciona una aleación con excelentes propiedades particularmente para el uso en la producción de calidades de acero que requieren bajo contenido de carbono tales como NGOES. Otros posibles intervalos de Mn son un 1-20 %, o un 1-15 % o también un 2-10 %.
El fósforo es una impureza en la producción de aleaciones basadas en silicio. En particular, en aleaciones basadas en silicio sin adiciones de Mn, los niveles de P están por debajo de un 0,04 %. Sin embargo, P es normalmente mayor en aleaciones de Mn, por lo tanto, la aleación con Mn puede conducir a un mayor contenido de P en el producto final. Sin embargo, el P en el acero que se origina a partir la adición de la aleación de silicio de la presente invención será igual o ligeramente menor que por la adición separada de aleación de silicio y aleación de manganeso.
El azufre generalmente es bajo en la producción de aleaciones de silicio. Sin embargo, S es normalmente ligeramente mayor en aleaciones de Mn, por lo que la aleación con Mn puede conducir a un S más alto en el producto final. Sin embargo, S en el acero que se origina a partir de la adición de la aleación de silicio de la presente invención será igual o ligeramente menor que a partir de la adición separada de aleación de silicio y aleación de manganeso.
Una composición preferida de la aleación según la invención es:
Si: 64 - 78 % en peso;
C: máximo de un 0,03 % en peso;
Al: 0,1 -10 % en peso;
Ca: 0,01 - 0,05 % en peso;
Ti: máximo de un 0,06 % en peso;
Mn: 1 - 20 % en peso;
P: 0,005 - 0,05 % en peso;
S: 0,001 - 0,005 % en peso;
siendo el resto Fe e impurezas incidentales en la cantidad normal.
La aleación según la presente invención se fabrica añadiendo una fuente de Mn que comprende carbono como elemento de aleación o como elemento de impureza en una aleación líquida basada en Si. La fuente de Mn puede estar en forma de unidades de manganeso sólidas o líquidas, en forma de una aleación de manganeso o metal de manganeso o una mezcla de los mismos. La fuente de manganeso puede comprender impurezas/contaminantes normales. La aleación de manganeso puede ser, por ejemplo, una aleación de ferromanganeso, tal como ferromanganeso con alto contenido de carbono, ferromanganeso de contenido medio de carbono, ferromanganeso de bajo contenido de carbono o una mezcla de los mismos. Una aleación comercial de manganeso, por ejemplo, como se indica en la tabla 2 anterior, o una combinación de dos o más de tales aleaciones, son adecuadas para su uso en la presente invención. Preferiblemente, el Mn añadido está en forma de ferromanganeso con alto contenido de carbono o ferromanganeso con contenido medio de carbono. El carbono añadido de la fuente de manganeso reaccionará con silicio formando de ese modo partículas sólidas de SiC (carburo de silicio) que durante el refinado se retiran de la masa fundida al material refractario de cuchara de colada o a cualquier escoria que se haya formado antes o durante el proceso de fundición, preferiblemente con agitación en la cuchara de colada. Se pueden añadir formadores de escoria si es necesario para tener un receptor suficientemente grande para las partículas de SiC formadas. Esto da como resultado una aleación de Si según la invención con bajo contenido de carbono y que contiene manganeso, con el intervalo de elementos como se indicó anteriormente.
Un ejemplo de una composición para el material de partida podría ser FeSi líquido del horno, pero son posibles muchas otras dependiendo de la especificación final que va a alcanzarse. La fusión de nuevo de cualquier aleación comercial basada en silicio como ferrosilicio estándar o ferrosilicio de alta pureza también podría ser un posible material de partida.
Por lo tanto, un posible material de partida comprende:
Si: 45-95 % en peso;
C: hasta un 0,5 % en peso;
Al: hasta un 2 % en peso;
Ca: hasta un 1,5 % en peso;
Ti: 0,01-0,1 % en peso;
Mn: hasta un 0,5 % en peso;
P: hasta un 0,02 % en peso;
S: hasta un 0,005 % en peso;
siendo el resto Fe e impurezas incidentales en la cantidad normal.
Si el contenido de aluminio se va a aumentar en el producto final (hasta un 10 %), la adición de unidades de aluminio sólidas o líquidas se puede hacer en la cuchara de colada. Alternativamente, el aluminio del horno se puede aumentar mediante la selección de materias primas al horno. Se puede añadir Al para ajustar el contenido de Al dentro del intervalo de un 0,01 -10 % en peso.
Para producir la aleación según la invención, pueden realizarse etapas adicionales que implican refinamiento de escoria, retirada de escoria y/o agitación según técnicas generalmente conocidas, en particular para alcanzar los bajos niveles de carbono reivindicados por la presente invención. Tales etapas se pueden realizar antes o durante el proceso de fundición o en combinación.
Los siguientes ejemplos ilustran la presente invención sin limitar su alcance.
Ejemplo 1
En dos ensayos separados, el ferrosilicio se vació según lo normal en una cuchara de colada de vaciado (cuchara de colada 1 y cuchara de colada 2) agitando la parte inferior con aire. La cantidad de ferrosilicio que se vació fue de aproximadamente 5900 kg en cada una de la cuchara de colada 1 y la cuchara de colada 2. La tabla 3 muestra la composición de material de partida en las dos cucharas de colada utilizadas.
Tabla 3: Materiales de partida (% en peso)
Después del vaciado, FeMn grumoso, con un 75,7 % en peso de Mn y un 6-8 % en peso de C; siendo el resto Fe e impurezas incidentales en la cantidad normal, se añadió al ferrosilicio líquido en cada cuchara de colada en una cantidad igual a 246 kg de unidad de Mn hasta alcanzar un 4,5 % de Mn en el producto final. Como no se conocía el rendimiento de Mn, se añadió FeMn gradualmente durante un período entre 20-25 minutos hasta que se alcanzó el objetivo de Mn de un 4,5 %. (Las adiciones se pueden hacer en un tiempo más corto o más largo). La agitación de parte inferior se mantuvo durante todo el proceso de adición, garantizando una buena disolución de Mn y que las partículas de SiC formadas se retiraron de la masa fundida de aleación de Si a la escoria formada y las paredes de cuchara de colada. Después de la etapa de refinación, las cucharas de colada se llevaron al área de fundición donde se tomó la muestra líquida final antes de la fundición en moldes de hierro fundido.
Se tomaron muestras de la nueva aleación producida según la invención al final de la fase líquida, justo antes de la fundición. Los resultados de las dos cucharas de colada se muestran en la tabla 4.
Todas las muestras se analizaron con XRF (Zetium® de Malvern Panalytical) para Al, Si, P, Ca, Ti, Mn y para C, se usó LECO® CS-220 (análisis de combustión).
Tabla 4: Análisis (% en peso) al final de la fase líquida
Ejemplo 2
El ferrosilicio líquido se vació según lo normal en una cuchara de colada de vaciado agitando la parte inferior con aire. La cantidad de ferrosilicio que se vació en la cuchara de colada fue de aproximadamente 6000 kg. La composición de material de partida se puede ver en la tabla 5.
Durante el vaciado, FeMn grumoso, con un 78,4 % en peso de Mn y un 6,85 % en peso de C; siendo el resto Fe e impurezas incidentales en la cantidad normal, se añadió al ferrosilicio líquido en una cantidad igual a 950 kg. Junto con FeMn, se añadieron 100 kg de cuarzo a la masa fundida para aumentar el volumen de receptores para favorecer la captura del SiC formado. La agitación de parte inferior se mantuvo durante todo el proceso de adición, garantizando una buena disolución de Mn y que las partículas de SiC formadas se retiraron de la masa fundida de aleación de FeSi a las paredes de cuchara de colada y la escoria formada. Después de la etapa de refinación, la cuchara de colada se llevó al área de fundición donde se tomó la muestra líquida final antes de la fundición en moldes de hierro fundido.
Se tomaron muestras de la nueva aleación producida según la invención al final de la fase líquida, justo antes de la fundición, y sobre el producto final después de la fundición. Los resultados se muestran en la tabla 5.
Todas las muestras se analizaron con XRF (Zetium® de Malvern Panalytical) para Al, Si, P, Ca, Ti, Mn, y para C, se usó LECO® CS-220 (análisis de combustión).
Tabla 5: Composición química (% en peso) en diferentes etapas del experimento
Aplicando tal método, los inventores lograron un bajo nivel de carbono, lo que puede explicarse por la baja solubilidad del carbono en aleaciones de alto contenido de silicio. Sin embargo, fue sorprendente que fuera posible alcanzar niveles de carbono tan bajos como en los grados actuales de ferrosilicio de bajo contenido de carbono (véase la tabla 1).
La aleación según la invención es una alternativa rentable para añadir por separado los elementos de aleación requeridos Si y Mn por separado como aleación de ferrosilicio y manganeso o un metal de manganeso, mejorando el tiempo y la calidad del proceso. Dicha aleación también podría ayudar a los productores de NGOES a disminuir el contenido total de carbono en el acero y alcanzar un nivel más bajo que mediante la adición de aleación basada en ferrosilicio/Si y manganeso en forma de aleación de manganeso con bajo contenido de carbono o metal de manganeso por separado. Además, dicha aleación podría permitir a los productores de acero eléctrico fabricar nuevos grados con un nivel de Mn más alto y, al mismo tiempo, mantener el bajo contenido de carbono en el acero utilizando solo un aditivo de aleación.
Al haber descrito diferentes realizaciones de la invención, será evidente para los expertos en la técnica que se pueden usar otras realizaciones que incorporen los conceptos. Estos y otros ejemplos de la invención ilustrados anteriormente están destinados solo a modo de ejemplo y el alcance de la invención se determinará a partir de las siguientes reivindicaciones.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Una aleación basada en silicio que comprende
entre un 50 y un 95 % en peso de Si;
como máximo un 0,05 % en peso de C;
un 0,01-10 % en peso de Al;
un 0,01-0,3 % en peso de Ca;
como máximo un 0,10 % en peso de Ti;
un 1-25 % en peso de Mn;
un 0,005-0,07 % en peso de P;
un 0,001-0,005 % en peso de S;
siendo el resto Fe e impurezas incidentales en la cantidad normal.
2. Aleación basada en silicio según la reivindicación 1, en la que la aleación basada en silicio comprende entre un 50 y un 80 % en peso de Si.
3. Aleación basada en silicio según la reivindicación 2, en la que la aleación basada en silicio comprende entre un 64 y un 78 % en peso de Si.
4. Aleación basada en silicio según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la aleación basada en silicio comprende como máximo un 0,03 % en peso de C.
5. Aleación basada en silicio según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la aleación basada en silicio comprende entre un 0,01-0,1 % en peso de Ca.
6. Aleación basada en silicio según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la aleación basada en silicio comprende como máximo un 0,06 % en peso de Ti.
7. Aleación basada en silicio según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la aleación basada en silicio comprende entre un 1-20 % en peso de Mn.
8. Un método para producir una aleación basada en silicio según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que dicho método comprende proporcionar una aleación líquida basada en ferrosilicio que comprende Si: un 45-95 % en peso;
C: hasta un 0,5 % en peso;
Al: hasta un 2 % en peso;
Ca: hasta un 1,5 % en peso;
Ti: un 0,01-0,1 % en peso;
Mn: hasta un 0,5 % en peso;
P: hasta un 0,02 % en peso;
S: hasta un 0,005 % en peso;
siendo el resto Fe e impurezas incidentales en la cantidad normal, y añadir una fuente de Mn en forma de aleación de ferromanganeso con alto contenido de carbono que tiene un contenido de carbono de desde el 6 hasta el 8 % en peso, aleación de ferromanganeso de contenido medio de carbono que tiene un contenido de carbono de desde el 1 hasta el 2 % en peso, aleación de ferromanganeso con bajo contenido de carbono que tiene un contenido de carbono de aproximadamente un 0,5 % en peso, metal de Mn, o una mezcla de los mismos, en dicho ferrosilicio líquido, obteniendo de ese modo una masa fundida, y refinar dicha masa fundida obtenida, comprendiendo el refinado retirar partículas de carburo de silicio formadas antes y/o durante la fundición de dicha masa fundida.
9. Método según la reivindicación 8, en el que se añade Al para ajustar el contenido de Al dentro del intervalo de un 0,01-10 % en peso.
10. Uso de la aleación basada en silicio según cualquiera de las reivindicaciones 1-7 como aditivo en la fabricación de acero.
11. Uso según la reivindicación 10, en la fabricación de acero eléctrico sin granos orientados.
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