СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКА ФЕРРОТИТАНА ПУТЕМ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ПЛАВЛЕНИЯ РУТИЛА ПОД СЛОЕМ ЗАЩИТНОГО ФЛЮСА
METHOD OF FERROTITANIUM INGOT OBTAINMENT BY ELECTRIC ARC FUSION OF RUTILE UNDER PROTECTIVE FLUX LAYER

2
Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к способу получения слитка ферротитана путем электродугового плавления рутила (TiO) под слоем защитного флюса, который может быть использован как легирующий сплав для производства специальных легированных сталей, которые служат конструкционными материалами при изготовлении деталей и узлов машин и механизмов в химической, машиностроительной, горнодобывающей и других областях промышленности.
Постоянно возрастающий объем производства легированных сталей нуждается в соответствующем росте производства легирующих элементов для них, которые в мире изготовляют по известным технологиям. Но имеющиеся в промышленности технологии их производства не могут удовлетворить этих нужд, потому что большинство из них использует в качестве исходных материалов отходы прямого производства сплавов на основе легирующих элементов, которых в нужном объеме явно мало. Другие существующие технологии используют для восстановления исходных легирующесодержащих соединений достаточно дорогие материалы - алюминий, углерод, кальций, магний, и таким образом получаемые легированные стали имеют существенно повышенную себестоимость. Т.е. существует проблема в разработке таких технологий изготовления легирующих элементов для производства легированных сталей, которые бы были относительно дешевы, не нуждались бы в сложных и многостадийных процессах их получения и обеспечивали высококачественное получение целевого продукта.
Известна алюмотермическая технология производства ферротитана, которая в процессе плавления исходных материалов использует алюминий как восстановитель оксидов титана, железа и других элементов, которые концентрируются в примесях основного сплава. Характерными примерами этой технологии являются изобретения по Авторским свидетельствам СССР №922170, А, опубл. 23.04.1982, Бюл.15, №1418345, А1, опубл. 23.08.1988, Бюл.31, патентам UA №60240, А, опубл. 15.09.2003, Бюл.9, №13403, U, опубл. 15.03.2006, Бюл.3, в соответствии с которыми восстановление и плавление шихты из смеси, состоящей из концентрата, содержащего оксид титана и алюминия, производят в одну или несколько стадий с разным соотношением исходных компонентов шихты в стационарном горне с возможностью его наклона или проплавляют в металлургической емкости шихту из отходов титана с алюминием в чушках и железосодержащими окатышами, в которую добавляют известь, или плавят на первой стадии шихту из титанового концентрата, извести и углеродного восстановителя, а дальше к продуктам плавки добавляют алюминий и плавят эту смесь в горне или в шихте, в качестве титанового концентрата используют рутил или смесь рутила и ильменита с алюминием, которую проплавляют в электродуговой печи до образования расплава, к которому добавляют стальную, железную или чугунную дробленую стружку или окалину. В результате плавления получают ферротитан с содержанием титана 60-87,7 мас.%.
2
2
Недостатками изложенных технологий являются: получение ферротитана со значительным содержанием полезных составляющих - до 13,3 мас.% TiO, до 1,6 SiO мас.%, до 17,0 мас.% СаО, до 1,0 мас.% MgO, которые переходят в шлаки; необходимость в значительном количестве дефицитных отходов титанового производства, которые применяются как основная часть исходного сырья процесса получения ферротитана и стоят относительно дорого; сложность технологий, применяемых для получения целевого продукта; нескольких стадий проплавления шихты; необходимость предварительного достаточно мелкого помола компонентов шихты и тщательного смешивания как рудной, так и алюмотермической частей шихты.
Известен патент Украины на полезную модель №19164, U, опубл. 15.12.2006, Бюл.12, в соответствии с которым шихту из рутила, который имеет содержание диоксида титана не меньше 96 мас.%, расплавляют электрической дугой от нескольких электродов, при перемещении тележки с горном под ними в сталеплавильной печи без ванны, поднимают электроды при получении расплава рудной части шихты, а потом в нагретый расплав порционно добавляют алюмотермическую часть шихты из алюминиевого порошка чистотой 99,9 мас.%, и снова повторно расплавляют электрической дугой расплав с выдержкой его в таком состоянии 20 минут, отключают электрический ток с подъемом электродов, выпускают шлак из горна, отстаивают полученный расплав до 20 минут и охлаждают его на протяжении двух суток в горне с получением блока металла с содержанием титана не меньше 65 мас.% и остатков шлака.
Недостатками приведенного выше процесса является его двухстадийность, большая продолжительность, сложность в производстве, необходимость разборки горна для изъятия полученного блока ферротитана, необходимость в предварительном дроблении материалов шихты до размера не более 1 мм, для чего необходимо дополнительное оборудование, что увеличивает себестоимость полученного продукта.
Известен патент UA №76918, С2, опубл. 15.09.2006, Бюл.9, в соответствии с которым шихту, которая состоит из ильменитового концентрата, гашеной извести, углеродного восстановителя расплавляют в тигле с восстановлением оксида титана, далее в расплав вводили алюминиевый восстановитель, и проводили алюмотермическое восстановление остатков невосстановленных оксидов. Полученный расплав полупродукта переливали в индукционную печь, где его перемешивали и добавляли лом титановых сплавов ВТ-1, ВТ-23, ВТ-20 или титановую губку в заданном соотношении. После полного сплавления шихты полученный расплав ферросплава сливали в изложницу, где он кристаллизовался в слиток, который имел максимально до 76 мас.% титана.
К недостаткам этой технологии следует отнести необходимость использования нескольких печей, в которых нагревание и восстановление шихтового материала происходит по разным принципам, невысокое содержание титана в конечном продукте, необходимость в дорогом исходном сырье (сплавы титана или титановая губка) для ее переработки и двух восстановительных агентах - углероде и алюминии, которые существенно удорожают полученный продукт.
Известен патент US №2222795, А, опубл. 25.11.1939, в соответствии с которым проводят плавление с восстановлением шихты, которая содержит ильменит, стальной лом и углеродный восстановитель в электропечи. В полученный расплав для уменьшения содержания углерода в конечном продукте добавляют бокситы, или магнезит, или огнеупор, которые содержат значительное (до 55-60 мас.%) количество оксида алюминия, или магния, или кремния, с получением ферротитановых сплавов с повышенным содержанием этих дополнительных (кроме титана) элементов.
К недостаткам этого изобретения следует отнести необходимость дополнительного удаления из конечного продукта повышенного (не меньше 5,0 мас.%) количества углерода, низкое (до 60 мас.%) содержание титана в ферротитане, большое количество полученных в процессе плавления шлаков, в которые переходят из шихты полезные для конечного продукта элементы.
Известен патент US №5968224, А, опубл. 19.10.1999, в соответствии с которым титановую стружку с содержанием титана около 85 мас.% предварительно измельчают, очищают, гранулируют с применением органического связывающего агента, например, мелясы или смолы, добавляют в образованную смесь чугунный лом или губчатое железо и плавят в электродуговой печи в защитной атмосфере, например, гелия, аргона или азота.
Недостатками приведенного изобретения являются применение органического связующего агента, который загрязняет вредными примесями целевой продукт, невысокое содержание титана в полученном ферротитане (до 65 мас.%), необходимость в нескольких дополнительных предварительных операциях (измельчение, гранулирование, тщательное смешивание составляющих компонентов шихты), которые существенно удорожают полученный ферротитан.
Наиболее близким из уровня техники является патент Украины №77117, С2, опубл. 16.10.2006, Бюл.10, на „Способ получения высокотитанового ферросплава из ильменита двухстадийным электропечным плавлением", в соответствии с которым на первой стадии получают титановый шлак с высоким содержанием оксида титана и минимальным содержимым оксида железа из ильменитовой руды, извести и углеродного восстановителя - электродного боя или кокса, на второй стадии готовят шихту из измельченного шлака, содержащего оксид титана, и алюминиевой крупки, которую загружают и уплотняют в стальной оболочке с образованием расходуемого электрода. Расходуемый электрод подсоединяют к положительному полюсу источника питания и опускают в предварительно загруженный в ванну электродуговой установки защитный флюс до образования электрической дуги между расходуемым электродом и нижним отрицательным электродом, который подключен к дну ванны. При плавлении происходит восстановление оксидов титана и железа алюминием под слоем расплавленного шлака с образованием расплава ферротитанового сплава, который при затвердевании кристаллизуется в слиток.
К недостаткам изложенного изобретения следует отнести: необходимость выполнения операций для изготовления исходного продукта - шлаков из оксида титана и оксида железа, измельчение его и смешивание с восстановителем - алюминием и известью и, соответственно, необходимость дополнительного оборудования для этих операций, которое удорожает полученный продукт - ферротитан, использование и координация действий по использованию нескольких единиц печного оборудования (печь для выплавки титанового шлака, электродуговая печь для выплавки слитков ферротитана из расходуемого электрода, индукционная печь для переплавки нескольких слитков ферротитана в один слиток с усредненным составом) и подъемно-транспортного устройства для перенесения и закрепления тяжелого (вес до 150 кг) расходуемого электрода в узле подачи электрического тока, сложное ручное управление с пульта управления электродуговой печью процессом образования электрической дуги и поддержание ее действия для переплава расходуемого электрода.
В основу заявленного изобретения поставлена задача усовершенствования процесса получения слитка ферротитана электродуговым переплавом расходуемого электрода путем замены исходного материала на рутил - оксид титана с высоким его содержанием, введением дополнительных операций по приготовлению расплава флюса, автоматизации процесса добавления извести в расплав шлака, который образуется из флюса, повышения качества расходуемого электрода (по содержанию вредных примесей) с помощью его предварительной сушки, снижения времени плавления расходуемого электрода, модернизации пульта управления процессами сушки расходуемого электрода и проведения его переплава до получения слитка ферротитана повышенного качества и высокого содержания в нем титана.
Поставленная задача решается тем, что способ получения слитка ферротитана путем электродугового плавления рутила под слоем защитного флюса, по которому изготавливают расходуемый электрод путем формирования и уплотнения в стальной оболочке шихты, которая содержит рутил, алюминиевую крупку и связывающий агент - жидкое стекло, после этого уплотненный расходуемый электрод подают с помощью подъемно-транспортного устройства к узлу крепления на горизонтальной штанге вертикальной стойки электродуговой установки, где его закрепляют и опускают в ванну-кристализатор в предварительно загруженный флюс с образованием между расходуемым электродом и неподвижным электродом, закрепленным в дне ванны-кристализатора, электрической дуги определенных параметров, осуществляют плавление расходуемого электрода под слоем покровного шлака, который образовался из флюса, и получают расплав ферротитана, который при остывании кристаллизуется в слиток с поверхностным слоем указанного шлака, который удаляют, при этом перед подачей в указанный узел крепления уплотненный расходуемый электрод сушат в сушильном шкафу для обеспечения его обезвоживания, перед окончанием срока сушки расходуемого электрода параллельно с этим загружают и расплавляют до жидкого состояния флюс в ванне-кристализаторе нерасходуемым графитовым электродом, которые закрепляют на дополнительной горизонтальной штанге вертикальной стойки, дальше выводят нерасходуемый графитовый электрод из ванны-кристализатора и возбуждают электрическую дугу между расходуемым электродом и нижним электродом ванны-кристализатора, под защитным слоем шлака из жидкого флюса, при этом беспрерывно из дозатора в ванну-кристализатор подают известь, которая расплавляется в покровном шлаке.
Задача также решается тем, что процесс расплавления расходуемого электрода до его полного или частичного расплавления повторяют при закреплении и опускании в ванну-кристализатор с образованием электрической дуги другого (других) предварительно подготовленных расходуемых электродов, не удаляя при этом предварительно полученный слиток ферротитана из ванны-кристализатора.
Кроме того, задача изобретения может решаться тем, что для усреднения состава полученных при предыдущих плавках слитков ферротитана их переплавляют в индукционной печи в один слиток нужного химического состава.
Отдельное решение задачи изобретения может быть осуществлено также тем, что известь в ванну-кристализатор из дозатора подают как в ручном, так и в автоматическом режиме вокруг расходуемого электрода на расплавленный шлак.
Задача изобретения может решаться также тем, что в качестве связывающего компонентов шихты расходуемого электрода используют жидкое стекло.
Отдельное решение задачи изобретения может быть осуществлено тем, что перед загрузкой флюса футеровку ванны-кристализатора нагревают до температуры 900°С.
Детальное изложение способа получения слитка ферротитана путем электродугового плавления рутила под слоем защитного флюса описан ниже.
Заявленный способ реализуется в электродуговой установке, которая включает футерованную ванну-кристализатор, нерасходуемый графитовый электрод для расплавления защитного флюса в этой ванне-кристализаторе, неподвижный электрод для образования электрической дуги, и который закреплен в поде ванны-кристализатора, сменный расходуемый электрод, который представляет собой стальную оболочку, которая содержит смесь из рутила или другого титансодержащего окисленного материала, восстановителя и связующего, которая предварительно подвергается уплотнению и сушению в узле уплотнения и сушильном шкафе, дозатор для введения в ванну-кристализатор флюса, что поддерживает защитный флюс в жидком состоянии, боковой отсос для удаления вредных паров и расплавленных мелких частичек флюсов и ферротитана, подъемно-транспортное средство и пульт управления электродуговой установкой и режимами ее работы и работы вспомогательных агрегатов.
Заявленный способ осуществляется следующим образом. Нерасходуемый графитовый электрод, который укреплен на дополнительной горизонтальной штанге вертикальной стойки электродуговой установки, вводят в ванну-кристализатор и образовывают электрическую дугу между ним и неподвижным электродом ванны-кристализатора. Одновременно загружают на дно ванны-кристализатора флюс и расплавляют его.
При испытании предлагаемого способа на опытно-промышленной электродуговой установке, как защитный флюс, применяли смесь порошков глинозема и извести.
В процессе расплавления защитного флюса ток дуги между нерасходуемым графитовым электродом и нижним электродом ванны-кристализатора изменяли от 1500 до 2500 А, напряжение поддерживалось в пределах 40-50 В. Указанные числовые параметры электродуговой плавки были определены в процессе серии исследовательских экспериментов. Установлено, что сила тока ниже 1500 А при напряжении ниже 40 В не обеспечивает стабильности электрической дуги при плавлении расходуемого электрода длиной даже меньше 50 см и диаметром 400 мм. При силе тока дуги больше 2500 А и напряжения больше 50 В неравномерно (с одного из краев) расходуемого электрода расплавляется стальная оболочка и равномерное оплавление электрода прекращается.
В период расплавления флюса нерасходуемым графитовым электродом подготавливается расходуемый электрод в виде стальной оболочки, заполненной смесью рутила, алюминиевой крупы и агента, который связывает, жидкого стекла. Указанная смесь загружалась в стальную оболочку расходуемого электрода, уплотнялась до нужного состояния и полученный уплотненный расходуемый электрод устанавливали в сушильный шкаф, где он подвергался сушению. Высушенный расходуемый электрод вытягивали из сушильного шкафа, в котором проводили обезвоживание указанной смеси. С помощью подъемно-транспортного устройства расходуемый электрод подавали в узел его крепления на горизонтальной штанге вертикальной стойки электродуговой установки и закрепляли его. На первом этапе исследовательские плавки предусматривали расплавление одного расходуемого электрода.
После наведения жидкого покровного шлака, который образовался в результате расплавления защитного флюса, нерасходуемый графитовый электрод выводили из ванны-кристализатора, опускали расходуемый электрод в ванну-кристализатор, зажигали электрическую дугу между расходуемым электродом и покровным шлаком и расплавляли указанный электрод под слоем защитного шлака.
В процессе расплавления расходуемого электрода из дозаторов беспрерывно подавали в ванну-кристализатор известь для офлюсовувания окиси алюминия, которая образовывалась в процессе восстановительной плавки оксида титана, и получения жидкоподвижного шлака.
После расплавления расходуемого электрода отключали электропитание на электродуговую установку, охлаждали полученный расплав и проводили разделение продуктов плавки.
В процессе разделения продуктов плавки установлено, что расплав при охлаждении кристаллизуется в слиток ферротитана, покрытый слоем шлака.
Исследование химического состава металла показывает, что плавка ферротитана из рудных концентратов по предлагаемому способу обеспечивает высокую степень восстановления титана и позволяет получать сплав с содержимым титана в пределах 65-85 мас.%.
На втором этапе исследовательские плавки предусматривали последовательное расплавление нескольких расходуемых электродов.
Исследовательские плавки проводились таким образом. В процессе плавления первого расходуемого электрода второй расходуемый электрод готовили вышеописанным способом. После его изготовления вытягивали электрод из сушильного шкафа и с помощью подъемно-транспортного устройства доставляли к ванне-кристализатору электродуговой установки. После расплавления первого расходуемого электрода в огарок, второй расходуемый электрод закрепляли в узле крепления на горизонтальной штанге вертикальной стойки электродуговой установки, опускали второй расходуемый электрод в ванну-кристализатор, зажигали дугу между электродом и расплавленным шлаком, полученным при плавлении первого расходуемого электрода, и расплавляли второй расходуемый электрод. В процессе его плавления проводили периодическую догрузку извести на поверхность расплава для офлюсования образующегося в процессе плавки оксида алюминия.
После расплавления второго расходуемого электрода плавили следующий расходуемый электрод и процесс повторяли до заполнения ванны-кристализатора. После этого отключали электропитание на установку, охлаждали расплав и проводили разделение продуктов плавки. Следует отметить, что заявленный способ позволяет расплавлять несколько расходуемых электродов без остановки процесса плавления, а их количество обуславливается объемом ванны-кристализатора оптимальным временем плавления одного расходуемого электрода, которое получается при реализации заявленного способа, и общей массой слитков, в которых нуждаются потребители этого продукта. Обычно нужно учитывать также и периодическую необходимость во времени на отладку узлов и режимов работы установки в целом.
В связи с тем, что сырье для изготовления смеси, которую загружают в расходуемый электрод, может иметь некоторые отличия по своему химическому составу, заявленный способ нуждается в дополнительной технологической операции, которая обеспечивает одинаковый химический состав и физико-механические свойства изготовленных слитков ферротитана. Эта операция состоит в усреднении химического состава полученных слитков ферротитана путем загрузки партии полученных слитков в индукционную печь со следующей переплавкой слитков в один слиток нужного химического состава. Понятно, что после получения слитков ферротитана на предыдущих плавках в электродуговой установке определяют их химический состав и по данным химических составов подбирают слитки ферротитана таким образом, что после проведения их индукционной плавки полученный слиток имеет нужный или близкий к нужному химический состав элементов.
Следует также указать, что в процессе ведения плавки расходуемых электродов жидкоподвижный защитный шлак испаряется при электродуговом процессе и, соответственно, нуждается в восстановлении его массы и свойств. Восстановление массы защитного жидкоподвижного шлака осуществляют путем добавлением извести. Загрузка извести осуществляется с помощью автоматического дозатора или вручную, при этом вносят известь вокруг расходуемого электрода небольшими порциями приблизительно по 150-350 г в течение каждых 5-15 мин режима плавления. Такие расходы извести установлены исследовательским путем при ручном управлении работой дозатора и являются оптимальными для ведения процесса плавления расходуемого электрода.
Исследовательским путем установлено, что наилучшим по показателям оптимального режима плавления расходуемого электрода (сила тока, напряжение, влажность и время плавления единицы объема расходуемого электрода со стальной оболочкой) связующим материалом является жидкое стекло.
Пример
Для сокращения времени нагревания защитного флюса в ванне-кристализаторе нерасходуемым электродом было использовано предварительное нагревание футеровки ванны-кристализатора. Исследовательским путем установлено, что время расплавления защитного флюса в ванне-кристализаторе уменьшается на 7-12% при нагревании футеровки кристализатора до 900°С и, таким образом, термодинамические показатели процесса расплавления первого расходуемого электрода достигают оптимального уровня, а затраты электрической мощности уменьшаются к оптимальному уровню.
Как показали результаты исследовательских плавок по заявленному способу, время проведения плавки одного расходуемого электрода в сравнении с соответствующим временем плавления за ближайшим аналогом из уровня техники сократилось на 37-46%. Таким образом, отпадает необходимость в дополнительном процессе расплавления ильменита с получением рутила, поскольку рутил в заявленном процессе является исходным материалом. Становится ненужным измельчение полученного рутила в связи с тем, что рутил как исходное сырье используют в заявленном способе нужной фракции. Качество полученного слитка ферротитана (по содержанию титана и вредных примесей) было повышено на 3,2-4,7% за счет повышения качества расходуемого электрода - за счет его большего обезвоживания (путем сушения) и автоматизированного введения извести в жидкоподвижный флюс с помощью дозатора. Также оптимальные показатели силы тока и напряжения дуги регулировались с помощью вывода данных на пульт управления в режиме „on-line" и в этом же режиме поступали управляющие импульсы управления длиной зазора между нижним срезом расходуемого электрода и верхним слоем жидкоподвижного защитного флюса, которые оптимизировали реальные параметры образованной электрической дуги.
Предоставленное описание не ограничивает заявленное изобретение во всех возможных его модификациях, усовершенствованиях и эквивалентах, которые не выходят за пределы заявленной формулы, а служит лишь иллюстрацией, дополнением и уточнением конкретных воплощений изобретения.