способ металлотермической плавки

Формула изобретения

1. Способ металлотермической плавки, включающий подготовку шихтовой смеси, засыпку ее в плавильный тигель реакционной камеры, создание разряжения в камере и инициирование процесса реакции, отличающийся тем, что для повышения извлечения восстанавливаемого металла в слиток, улучшения качества готового продукта и снижения расхода восстановителя плавку ведут одновременно под разрежением в камере и под пульсирующим давлением в закрытом плавильном пространстве тигля, которое создают в нем накоплением и периодическим выпуском в объем камеры образующихся газообразных продуктов плавки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что накопление в тигле образующихся газообразных продуктов плавки с периодическим их выпуском в объем камеры осуществляют путем оснащения тигля крышкой, массу которой выбирают из условий обеспечения необходимого рабочего давления в плавильном пространстве тигля.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что плавку проводят под разрежением в камере 10^-5 - 600 мм рт.ст. и давлением газов в тигле 0,1-10 атм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии и касается производства металлов и сплавов металлотермическим внепечным способом, в частности плавкой «на блок».

Известны способы металлотермической плавки путем восстановления металлов и неметаллов из их кислородных и иных соединений более активными элементами: Са, Mg, Al, Si и др.

В металлургии широкое применение имеют алюминотермические внепечные способы получения плавкой «на блок» различных ферросплавов, лигатур, технически чистых металлов и других специальных сплавов, в частности FeV, FeNb, FeCr, FeW, FeMo, металлического хрома, лигатур с Al, РЗМ, раскислителей, модификаторов и др. материалов [1].

Внепечные способы осуществляются в плавильных горнах или тиглях преимущественно в открытой среде, в связи с чем имеют место потери дорогостоящего восстановителя на его взаимодействие с кислородом воздуха в зоне реакции, низкое извлечение восстанавливаемого металла в слиток, значительные пылегазовыделения, ухудшающие экологическую обстановку и условия труда в металлотермическом производстве. Кроме этого при открытой плавке происходит насыщение готового продукта кислородом и азотом из воздуха, что ухудшает его качество.

Известны также закрытые способы внепечной металлотермической плавки «на блок» в герметичных камерах по различным технологическим схемам: под разрежением, в контролируемой атмосфере инертных газов или под давлением. Данные способы являются сравнительно новым направлением в технологии металлотермии и используются преимущественно для получения специальных сплавов и лигатур. При этом достигается существенное улучшение отдельных показателей процесса металлотермического восстановления в зависимости от применяемой технологической схемы [2, стр.125, 145].

Металлотермическая плавка под разрежением позволяет уменьшить расход восстановителя на его взаимодействие с воздухом и способствует протеканию реакций, образующих газообразные, в т.ч. летучие продукты, что увеличивает для ряда реакций коэффициент извлечения восстанавливаемого металла в слиток. В отдельных случаях вакуум благоприятно влияет на улучшение показателей металлотермического восстановления высокоактивных элементов, таких как V, Nb, Zr [3, стр.45]. Также улучшается качество получаемого продукта по газовым [О], [N] и цветным Pb, Zn, Bi вредным примесям в связи с их испарением при плавке. Однако вакуум не оказывает заметного влияния на металлотермические реакции при получении FeCr, FeW, FeMo, FeTi, FeB и других сплавов.

При плавке под давлением стимулируются скорость и полнота металлотермических реакций, образующих конденсированные фазы, и тормозятся реакции с образованием газообразных продуктов. Наиболее характерно влияние давления на металлотермические безгазовые реакции восстановления окислов вольфрама, хрома молибдена и некоторых других элементов алюминием, показатели плавки которых улучшаются при увеличении давления. Но ввиду сложности аппаратурного оформления этой разновидности металлотермии и повышенных требований к технике безопасности (процесс проводят в специальных реакторах типа «бомба») данный способ имеет ограниченное применение. Он используется в комбинации с контролируемой атмосферой преимущественно при производстве высокоактивных элементов, например губчатого титана, а также в научных и исследовательских целях для получения небольших количеств продукта.

Следует отметить, что прямое влияние как давления, так и вакуума на ход металлотермических реакций в реальных условиях корректируется совокупным действием различных термодинамических и кинетических факторов. В частности заметное влияние на показатели плавки при алюминотермии имеет температура процесса, образование газообразных субокислов алюминия Al ₂O, AlO, плотность шихтовых материалов, дисперсность окислов и восстановителей, состав и свойства шлаковой фазы и др. факторы.

Металлотермическая плавка ферросплавов и лигатур в контролируемой атмосфере также имеет ограниченное применение в виду дороговизны инертных газов.

Таким образом, для снижения потерь восстановителя на безполезное взаимодействие с воздухом, повышения качества получаемого продукта по содержанию вредных примесей и улучшения условий труда на производстве металлотермические внепечные процессы целесообразно вести в вакууме. В то же время для полноты протекания реакций и повышения извлечения восстанавливаемого металла в слиток процесс плавки следует проводить под давлением. То есть условия, при которых возможна максимальная эффективность закрытых металлотермических процессов, взаимоисключают друг друга. Кроме этого необходимо учитывать и быстротечность внепечных закрытых процессов плавкой «на блок», продолжительность которых составляет всего несколько минут, практически 2-4 минуты.

Сутью предлагаемого изобретения является разрешение указанного технического противоречия и получение в итоге суммы полезных технологических эффектов от использования обоих способов, как плавки под разрежением, так и плавки под давлением.

Известен способ металлотермического получения металлического хрома в вакуумной установке [1, стр.266].

Способ включает в себя подготовку металлотермической шихты, создание разрежения в камере, загрузку шихты в плавильный горн, инициирование реакции электрозапалом и проведение процесса, слив металла и шлака в изложницу и их охлаждение, разгерметизация камеры и удаление из нее изложницы.

Недостатком известного способа является сложность процесса плавки и громозкое устройство реакционной камеры, в связи с чем он не нашел практического применения кроме единичной опытно-промышленной установки. Следует заметить, что известный способ реализует только плавку под разрежением, что сужает его технологические возможности и поэтому разработан и используется для конкретного металлотермического процесса получения металлического хрома.

Целью изобретения является снижение расхода восстановителя, повышение извлечения металла в слиток и улучшение его качества, а также расширение технологических возможностей металлотермического процесса при плавке «на блок» в герметичной камере.

Цель достигается тем, что процесс металлотермической плавки в герметичной камере «на блок», включающий подготовку шихтовой смеси, засыпку ее в плавильный тигель, установленный в камере, создание разрежения в камере и инициирование реакции электрозапалом, ведут одновременно под разрежением в камере и под пульсирующим давлением в плавильном пространстве тигля, которое создают в нем накоплением и периодическим выпуском в объем камеры части образующихся газообразных и летучих продуктов плавки. Запирание, накопление и периодический выпуск плавильных газов из тигля в объем камеры осуществляют путем оснащения тигля крышкой определенной массы, свободно лежащей и плотно прилегающей к верхнему торцу плавильной шахты тигля.

Массу крышки выбирают из условий самопроизвольного ее приоткрывания под действием максимального рабочего давления, создаваемого накоплением образующихся газообразных и летучих продуктов металлотермической реакции. После выхода части плавильных газов из тигля в объем камеры, находящейся под разрежением, и снижения, соответственно, давления газов в тигле до минимального, крышка под действием собственного веса самопроизвольно опускается и запирает рабочее пространство тигля до очередного цикла накопления газов, подъема давления и их выпуска. Таким образом, давление газообразных продуктов реакции в плавильном пространстве тигля приобретает периодический или пульсирующий характер. По практическим данным опытных алюминотермических плавок количество пульсаций при различных видах металлотермической шихты доходит до 10 и выше раз в секунду.

Существенным моментом является одновременность проведения процесса плавки как под разрежением, так и под давлением путем разделения общего технологического пространства реакционной камеры на два: герметичной камеры с вакуумной системой и закрытого плавильного пространства тигля, размещенного в ней.

Аналогию процессу создания пульсирующего давления в закрытом пространстве плавильного тигля можно привести из бытовой практики при нагреве воды в чайнике и вибраций крышки после закипания в случае, если крышка достаточно плотно прилегает к отверстию в корпусе и ее вес достаточен для создания подпора давления в незаполненном объеме чайника.

В целях удобства работы, упрощения технологического процесса и создания безопасных условий при плавке крышку тигля выполняют свободнолежащей, самоцентрирующей конструкции с помощью, например, взаимного ее конусообразного соединения с верхом тигля. Для обеспечения плотного прилегания крышки с тиглем сопрягаемые горизонтальные поверхности прострагивают, что вполне достаточно и подтверждается производственным опытом работы. В целях повышения устойчивости крышки на тигле во время плавки от влияния вибраций она соединяется с тиглем с помощью серьг, надеваемых на цапфы крышки и тигля и имеющих запас свободного хода при приоткрывании крышки во время плавки. Конструктивно крышка может быть выполнена подпружиненной или оборудована предохранительно-запорным клапаном, настроенным на определенное рабочее давление. Однако, с точки зрения удобства эксплуатации, вариант свободнолежащей крышки определенной массы более предпочтителен.

По практическим данным предлагаемое изобретение целесообразно проводить при разрежении в камере от 10^-5 до 600 мм рт.ст. и при давлении в плавильном тигле 0,1-10 атм. Возможна реализация данного способа под разрежением в контролируемой атмосфере инертных газов в камере, однако это не обязательно, т.к. роль защитной атмосферы играют газообразные продукты плавки.

Источником создания давления при металлотермической плавке в закрытом плавильном тигле являются образующиеся газообразные и летучие продукты реакции. В первую очередь это пары воды, т.к. шихтовые материалы имеют остаточную влажность или содержат гидратную воду, испаряющуюся при развитии реакции; углеродосодержащие соединения СО, СО₂, образующиеся в результате разложения карбонатов извести, газы Н, N, NO. Кроме этого газовую фазу пополняют летучие компоненты шихты и продукты плавки, газифицирующие при высоких температурах низшие летучие окислы восстановителя, в частности Al₂O, при алюминотермических процессах; испарение восстановителя; газообразные возгоны; газифицирующиеся в процессе плавки специальные добавки в шихтовую смесь, например CaF₂, NaCl, KCl, практически полностью переходящие в газовую фазу и др.

Таким образом, в изобретении полезно используются газовыделения при проведении металлотермической плавки для получения нужных технологических эффектов, в частности для создания пульсирующего давления в рабочем пространстве тигля. Как уже указывалось, давление в закрытом плавильном тигле способствует увеличению скорости и полноте протекания реакции восстановления, а пульсация давления и возникающая при этом вибрация тигля и находящейся в нем реакционной смеси снимают кинетические барьеры по границам взаимодействующих фаз и существенно улучшают условия протекания реакции. Известно, что кинетические торможения при металлотермической реакции являются основными факторами снижения технико-экономических показателей плавки, поэтому разработка, использование технологических приемов, снижающих их и приближающих реакции к равновесному состоянию, способствует увеличению полезного выхода металла в слиток [4, стр.60].

Проведение плавки в вакууме позволяет уменьшить расход восстановителя, улучшить качество продукта, улучшить экологичность процесса и, в то же время, разрежение в камере способствует получению пульсирующего давления в закрытом крышкой плавильном тигле. В свою очередь пульсации давления вызывают вибрацию тигля, реагирующей шихты и расплава, что способствует осаждению «корольков» металла из шлака в ванну и более четкому разделению металлической и шлаковой фаз, что увеличивает выход годного и улучшает товарный вид продукта.

Наличие крышки также предотвращает вынос шихтовых материалов и уменьшает количество возгонов при плавке, что увеличивает извлечение металла в слиток. Массу крышки определяют расчетным путем, исходя из задаваемого максимального рабочего давления газов в плавильном пространстве тигля с поправкой на изменение разрежения в камере в ходе первых опытных плавок.

Регулирование рабочего давления в тигле осуществляют задаваемой рабочей температурой процесса, т.е. его термичностью, и использованием шихтовой смеси специальных газифицирующихся в процессе плавки добавок, например CaF ₂, NaCl, a также балластными или термитными добавками.

Контролирование параметров процесса плавки в камере производится обычными техническими средствами.

Пример. Алюминотермическая внепечная плавка FeV70 по ГОСТ 27130-94 в герметичной камере «на блок» с верхним запалом. Шихтовая смесь: технический пентаоксид ванадия V₂O₅, порошок алюминия, стальная стружка, известь, CaF₂ и магнезитовый порошок тщательно перемешивается в смесителе и пересыпается в тигель, установленный в камере. Монтируется электрозапал и на тигель устанавливается крышка массой 120 кг, обеспечивающая расчетное рабочее давление в тигле при плавке 0,5-2 ат. Камера закрывается и проводится вакуумирование для создания разрежения 0,5 мм рт.ст. После выдержки камеры под вакуумом 5 минут дается импульс на электрозапал и процесс плавки начинается. Контроль хода плавки осуществляется по вакуумметру. Через 10-20 секунд с начала плавки появляются первые признаки вибрации и характерные стуки крышки по тиглю при ее приоткрывании - закрывании во время пульсации давления. Разрежение в камере уменьшается до 400-600 мм рт.ст. за счет выхода в нее газообразных продуктов плавки. Количество пульсаций и вибрации возрастают, затем они плавно снижаются до полного исчезновения через 2-4 минуты. Разрежение в камере постепенно увеличивается в связи с охлаждением газов и устанавливается на уровне 100-400 мм рт.ст., что говорит об окончании плавки. После этого проводятся регламентные работы по техпроцессу и тигель извлекается из камеры для удаления слитка и шлака и на подготовку к очередной плавке.

Результаты плавки FeV70.

1. Степень извлечения ванадия из пентаоксида 97-98%.

2. Расход порошка алюминия - 102% от теоретически необходимого.

3. Качество FeV70 - соответствует ГОСТ, структура плотная без пористости и шлаковых включений.

4. Шлак без видимых включений металла (корольков).

При плавке FeV70 по обычной технологии с открытой плавильной шахтой тигля показатели плавок следующие:

4.1 Степень извлечения ванадия из пентаоксида 90-92%.

4.2 Расход порошка алюминия 105-107% от теоретически необходимого.

4.3 Качество FeV70 - соответствует ГОСТ, структура плотная, отдельные шлаковые включения на поверхности слитка.

4.4 Шлак с наличием «корольков» металла.

Таким образом, данное изобретение позволяет улучшить практически все показатели внепечной металлотермической плавки «на блок» в герметичных камерах, особенно тугоплавких редких и дорогостоящих металлов и сплавов.

Источники информации

1. Алюминотермия / Н.П.Лякишев, Ю.Л.Плинер, Г.Ф.Игнатенко и др. М.: Металлургия, 1978.

2. Металлотермия специальных сплавов / Дубровин А.С. Челябинск, издательство ЮУрГУ, 2002.

3. Низшие окислы в алюминотермических процессах /Воронин Б.В., Дубровин А.С. и др./ Тематический отраслевой сборник №5. Производство ферросплавов. М.: Металлургия, 1977.

4. Восстановление оксидов металлов алюминием / Плинер Ю.Л., Игнатенко Г.Ф. М.: Металлургия, 1967.