способ получения высокотитанового ферросплава из ильменита

Формула изобретения

Способ получения высокотитанового ферросплава из ильменита двухстадийным электропечным плавлением, включающий предварительное введение в электродуговую печь железного лома, расплавление его и удаление образовавшегося шлака, загрузку после слива на первой стадии шихты из ильменита, электродного боя, извести или известняка, восстановление и плавление железа, слив содержащего оксид титана шлака, приготовление для второй стадии плавления основной шихты, состоящей из содержащего оксид титана дробленого шлака, полученного на первой стадии, и алюминия, и плавление основной шихты с образованием ферросплава, отличающийся тем, что приготовленную основную шихту используют в качестве наполнителя и формуют из нее расходуемый электрод в металлической оболочке, который плавят под слоем флюса до образования ферротитана, содержащего 68-78,7 мас.% титана, 19,3-30,0 мас.% железа и до 1,98 мас.% примесей.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способу получения высокотитанового ферросплава из ильменита, и может быть использовано для получения легирующего компонента для производства легированных сталей с высоким уровнем физико-механических свойств.

В последние 30 лет бурное развитие ядерной физики, физики криогенных температур, химии высокомолекулярных соединений и их синтеза и многих других отраслей науки потребовало от машиностроения поиска новых конструкционных материалов, которые должны обладать комплексом повышенных физико-механических характеристик в сочетании со сравнительно низкой стоимостью, недефицитностью и хорошей обрабатываемостью при их производстве и изготовлении из них разнообразных изделий.

В ряду конструкционных материалов, обладающих указанным комплексом свойств, одно из первых мест занимают легированные стали. Среди легирующих элементов, которые обеспечивают высокий уровень прочности на растяжение, ударной вязкости, коррозионной и трещиностойкости в легированных сталях, наряду с другими элементами достаточно давно используется титан. Однако производство чистого титана связано с наличием поблизости от сталелитейных предприятий богатых месторождений титановых руд, мощных перерабатывающих комплексов, развитой инфраструктуры доставки титана потребителям, что крайне редко имеет место в условиях конкретного производства легированных сталей. Таким образом, производимый титан для целей получения легированных сталей достаточно дорог и дефицитен.

Выход из создавшегося положения был найден металлургами в ведении в состав шихты для изготовления легированных сталей вместо чистого титана его ферросплава. При этом, чем выше содержание титана в ферросплаве, тем меньшее количество его как легирующего требуется для замены титана при введении легирующего в состав шихты.

Из уровня техники известен патент РФ №2228967, С2, публ. 20.05.2004 г. на способ производства титансодержащей лигатуры (Ti-Si-Fe), который включает контролируемую порционную загрузку в многофункциональный плавильный агрегат ильменитового концентрата на остаток лигатуры с предыдущей плавки, плавление концентрата с поддерживанием температуры процесса не ниже 1550°С, восстановление железа из содержащихся в расплаве концентрата оксидов железа подаваемым жидким кремнием, слив 70-80% полученного расплава железа. В плавильной камере после слива расплава железа остается 20-30% неслитого расплава железа и первичный шлак, состоящий из оксидов титана и кремния. Затем осуществляют подачу алюминия в жидком виде как восстановителя оксидов титана, кремния, железа, которые не восстановились жидким кремнием. После прохождения восстановления указанных оксидов производят подачу в шлаковую фазу оксида кальция с образованием вторичного шлака и последующим сливом большей части титаносодержащей лигатуры и вторичного шлака.

К недостаткам данной технологии получения титансодержащей лигатуры следует отнести получение сплава Ti-Si-Fe сложного состава, в котором, кроме собственно титана, предполагаемого к использованию как легирующий элемент в составе легированной стали, входит 20-21 мас.% кремния и 23-25 мас.% железа, что усложняет расчет требуемой массы легирующих элементов для плавления состава конкретной легированной стали. Сложность используемого плавильного агрегата, который должен для осуществления процесса кроме тигельного узла содержать узел МГД-техники для обеспечения в плавильной камере вращения расплава остатка титансодержащей лигатуры, узел отвода и подвода металлических расплавов кремния и алюминия, а также необходимость использования в процессе двух восстановительных агентов - Si и Al в виде расплавов делает способ по данному патенту РФ дорогим и требующим наличия специальной техники, мощность которой составляет 6,6 МВт.

Из уровня техники известен также патент Украины №60240, А, опубл. 15.09.2003 г. в Бюл.9 на способ получения ферротитана духстадийной плавкой в электродуговой печи, согласно которому на первой стадии плавят шихту из ильменитового концентрата, извести и углеродного восстановителя до восстановления железа углеродом, сливают расплавленный шлак с содержанием оксида титана 70-90 мас.% при температуре 1550-1800°С в плавильный горн или другую электродуговую печь. Затем в защитной атмосфере на зеркало расплава шлака загружают алюминий в виде гранул, расплава или в виде расходуемого электрода и осуществляют алюмотермическое восстановление оксидов титана с нагреванием расплава до температуры 1900-2200°С. Полученный ферротитан содержал 58 мас.% Ti, 6 мас.% Al, 24 мас.% Fe и 2 мас.% примеси.

К недостаткам данного изобретения следует отнести недостаточную степень восстановления титана из шлака, наличие в конечном ферротитане восстановителя - 6 мас.% алюминия и 2 мас.% примесей. Кроме того, в качестве исходного материала используется концентрат ильменита, что подразумевает наличие специальной предварительной операции обогащения ильменитовой руды в концентрат, а введение в процесс восстановителя - алюминия в виде гранул требует дополнительных операций по их получению путем расплавления слитков алюминия с последующим раскислением жидкого металла в инертной атмосфере. Необходимость проведения указанных операций ведет к удорожанию единицы веса получаемого ферротитана.

Наиболее близким аналогом из уровня техники является патент Украины №59720, А, опубл. 15.09.2003 г., на способ получения высокотитанового ферросплава из ильменита путем двух стадийного восстановительного электродугового плавления загружаемой порциями на железный расплав шихты из ильменитового концентрата, углеродного восстановителя, например электродного боя и извести на первой стадии процесса. Причем предварительно перед первой стадией образовывают ванну железного расплава путем загрузки в печь железного лома с дальнейшим расплавлением его и удалением образовавшегося шлака. Образовавшийся после первой стадии шлак, содержащий оксид титана, сливают, охлаждают и дробят. На второй стадии готовят основную шихту из смеси дробленого шлака, кускового алюминия и извести, которую загружают на зеркало железного расплава, расплавляют ее и восстанавливают оксиды титана и железа до ферротитана.

Недостатками данного изобретения являются необходимость предварительной подготовки исходного материала получения ферросплава - ильменита обогащением по содержанию основного компонента процесса в концентрат, что повышает стоимость получаемого продукта - ферротитана. Конечный ферротитан, получаемый по данному изобретению, содержит от 55 до 60 мас.% титана, что является недостаточным для целей производства компонента, вводимого в состав легированных сталей, поскольку постоянно возрастающие объемы производства легированных сталей при таком соотношении основного компонента в ферротитане будут требовать введения значительных объемов получаемого ферросплава на производимую тонну легированной стали. К недостаткам также следует отнести отсутствие защиты процесса на второй его стадии процесса от окисления кислородом воздуха, что значительно ухудшает качество получаемого конечного продукта и снижает выход годного. Главным недостатком данного изобретения является невозможность получения конечного продукта в виде товарного слитка ферротитана. Ферротитан после двухстадийного восстановления и плавления получается в виде корольков, заключенных в массе шлака, что требует дополнительных операций извлечения корольков, очистки их от шлака и сплавления и тем самым удорожает единицу получаемого продукта.

В основу заявленного изобретения поставлена задача разработки способа получения высокотитанового ферросплава с содержанием титана 68 - 78,7 мас.% в конечном продукте, снижения себестоимости единицы веса продукта, устранения возможности загрязнения кислородом воздуха ферросплава при восстановлении титана, обеспечения условий получения готового продукта в виде компактного товарного слитка ферротитана с заданным содержанием титана.

Поставленная задача реализуется тем, что способ получения высокотитанового ферросплава из ильменита двухстадийным электропечным плавлением с последующим сливом шлака на первой стадии процесса и образованием ферросплава на второй стадии процесса, заключающийся в предварительном введении в электродуговую печь железного лома, расплавлении его и удалении образовавшегося шлака, после чего на первой стадии осуществляют загрузку в электродуговую печь шихты из ильменита, электродного боя, извести или известняка, восстанавливают и плавят железо, сливают содержащий оксид титана шлак, а на второй стадии осуществляют приготовление основной шихты, состоящей из содержащего оксид титана дробленого шлака, полученного на первой стадии, и алюминия. Приготовленную основную шихту, как наполнитель, формуют в металлической оболочке расходуемого электрода, который плавят под слоем флюса до образования ферротитана, содержащего 68-78,7 мас.% титана, 19,3-30,0 мас.% железа и до 1,98 мас.% примесей.

Суть заявленного изобретения заключается в том, что способ получения высокотитанового ферросплава из ильменита включает две стадии. На первой стадии получают титановый шлак с высоким содержанием оксида титана и минимальным содержанием оксидов железа. Плавление шлака, содержащего оксид титана, осуществляется в дуговых электропечах переменного или постоянного тока на второй стадии процесса.

В электропечи расплавляют чугунный или стальной лом. После расплавления лома из печи удаляют образовавшийся в результате плавки шлак и на поверхность жидкой металлической ванны отдельными порциями загружают смесь, состоящую из ильменитовой руды и восстановителя (электродного боя или кокса). Для ошлакования содержащейся в ильменитовой руде пустой породы в состав смеси добавляют известняк или известь. В процессе расплавления смеси происходит восстановление содержащихся в руде оксидов железа. Восстановленное железо переходит в металлический расплав, что приводит к повышению концентрации оксида титана в образовавшемся шлаке. Обогащенный оксидом титана шлак, после завершения восстановительного периода плавления смеси, сливают в изложницы.

На второй стадии процесса готовят шихту, состоящую из дозированного количества измельченного шлака, полученного на первой стадии, и алюминиевого порошка крупностью основной фракции не более 800 мкм. Готовую смесь загружают в металлическую оболочку с последующим использованием ее в качестве расходуемого электрода на установке электрошлакового плавления. Расходуемый электрод, представляющий собой металлическую оболочку, заполненную наполнителем из вышеуказанной шихты, подключают к положительному полюсу источника тока и опускают в навеску флюса, расположенную на поду плавильного тигля, до соприкосновения с подом, на который подан отрицательный полюс источника тока. После осуществления контакта электрода с подом тигля подают напряжение и поднимают расходуемый электрод до образования электрической дуги с оптимальными электрическими параметрами (устойчивым горением). В результате выделения тепла от электросопротивления флюса и экзотермических реакций восстановления происходит расплавление расходуемого электрода. Восстановленный титан, проходя через слой образующегося жидкого шлака, скапливается на поду тигля. После полного расплавления расходуемого электрода электропитание печи отключают и дают остыть продуктам плавки. Образовавшийся слиток ферротитана освобождают от шлака и совместно с другими слитками после предыдущих плавок переплавляют в индукционной печи в слиток с усредненным химическим составом, мас.%: 68,00-78,70 титана, 19,30-30,00 железа, до 1,98 примесей, содержащих алюминий, кремний, марганец, ванадий, серу.

ПРИМЕР.

I стадия процесса - получение шлака, содержащего оксид титана.

Плавление шихты с образованием шлака, содержащего оксид титана, производилось на лабораторной дуговой печи постоянного тока с основной футеровкой. В качестве шихтовых материалов использовался лом литейного чугуна и ильменитовая руда состава, в мас.%:

TiO2	60,00,
Fe2O 3	31,70,
Al2O3	1,10,
SiO2	2,84,
S	2,34,
P	0,28,
V2O 5	0,43,
MnO	0,56.

Как восстановитель использовался мелкоизмельченный электродный бой с содержанием углерода 86 мас.%.

Для офлюсовывания кремнезема, содержащегося в ильменитовой руде, использовалась свежеобожженная известь с размерами кусков 10-30 мм.

Подготовка шихты включала весовое дозирование ее компонентов и тщательное их перемешивание с целью усреднения состава смеси. Технология плавления состояла в загрузке входящего в состав шихты чугунного лома в электропечь, его расплавлении и нагрева до температуры 1350-1400°С. После этого образовавшийся в процессе плавления металлической части шихты шлак удаляли из печи, а на поверхность металлической ванны расплава периодически, отдельными порциями, загружали подготовленную шихту и расплавляли ее. Догрузка шихтовых материалов производилась в процессе плавления по их мере расплавления ранее загруженных порций шихты. После расплавления последней порции шихты, загруженной в печь, электропечь отключали и производили слив шлака и части металла в изложницы. Остывший шлак дробили, измельчали и отбирали пробу для определения его химического состава. Оптимальный химический состав шлака - 79,5 мас.% TiO₂, 7,8 мас.% Fe ₂O₃, остальное - примеси оксидов алюминия, кремния, ванадия, марганца, а также сера и фосфор.

II стадия процесса - получение ферротитана из шлака, содержащего оксид титана.

Плавление ферротитана проводилось методом восстановления содержащихся в основной шихте оксидов титана, железа и кремния алюминием при расплавлении расходуемого электрода под слоем защитного флюса. В качестве связующего при подготовке основной шихты применялось жидкое стекло, а офлюсовывание оксида алюминия производилось вводимым в шихту известняком. После дозирования шлака, алюминиевого порошка и жидкого стекла смесь основной шихты перемешивалась с целью усреднения состава. Подготовленная смесь загружалась в стальную оболочку расходуемого электрода и уплотнялась. Характеристики расходуемого электрода представлены в таблице.

Таблица
Характеристики расходуемого электрода для получения ферротитана.
№ п.п.	Наименование характеристики	Численное значение
1.	Вес наполнителя - шихты, кг	136
2.	Высота расходуемого электрода, мм	950
3.	Толщина стенки стальной оболочки, мм	1,5
4.	Плотность наполнителя расходуемого электрода, т/м3	2,75

Подготовленный расходуемый электрод подключался к положительному полюсу источника питания постоянного тока, а под плавильного тигля - к отрицательному полюсу. С помощью механизма перемещения электрод опускался до обеспечения контакта с подом тигля плавления, проходя при этом слой защитного флюса на поду тигля. После включения источника питания, возбуждения электрической дуги между расходуемым электродом и подом плавильного тигля производилось расплавление расходуемого электрода. Скорость перемещения расходуемого электрода обеспечивала расплавление его торца в шлаковой среде. По мере плавления электрода на поверхность образующегося расплава отдельными порциями подавали известняк для офлюсовывания глинозема, который образовывался в результате восстановительных процессов и получения легкоплавкого и жидкоподвижного шлака.

После расплавления расходуемого электрода электропечь отключали, а образующийся компактный слиток ферротитана и шлак оставляли в электропечи до полного охлаждения. Слиток ферротитана отделяли от шлака, отбирали пробы ферротитана и шлака для определения их химического состава. Получаемый слиток ферротитана содержал, в мас.%:

Ti	72,00
Fe	27,37
Al	0,80
Si	0,19
Mn	0,85
V	0,50
S	0,03.

Результаты химического анализа шлака, содержащего оксид титана, который был получен на первой стадии процесса получения высокотитанового ферросплава, и образовавшегося шлака, полученного на второй стадии процесса, свидетельствуют о высокой степени восстановления титана (75-80%), а следовательно, предлагаемая схема технологического процесса получения высокотитанового ферросплава из ильменита двухстадийным электропечным плавлением обеспечивает получение ферротитана с содержанием титана 68-78,7 мас.%, 19,3-30,0 мас.% железа и до 1,98 мас.% примесей. Стоимость килограмма ферротитана, получаемого по представленной технологии, на 20% ниже стоимости килограмма ферротитана по технологии ближайшего аналога из уровня техники и на 8% меньше ферротитана, получаемого магнийтермическим методом. Конечный продукт заявленного способа представляет собой компактный слиток ферротитана с регулируемым условиями получения химического состава в заявленном диапазоне значений содержания основного компонента ферросплава - титана. Технология плавления расходуемого электрода под слоем флюса обеспечивает защиту расплава от кислорода окружающей среды, что подтверждается приведенным выше химическим составом опытного слитка ферротитана.

Представленное описание не ограничивает заявляемое изобретение во всех возможных его модификациях, усовершенствованиях и эквивалентах, которые не выходят за рамки заявленной формулы, а служит лишь иллюстрацией, дополнением и уточнением конкретных воплощений изобретения.