Технология получения ферротитана алюминотермическим способом

Сортамент ферротитана. Требования ГОСТ 4761-91 к химическому составу приведены в табл. 11.4.

Таблица 11.4.Химический состав, %, ферротитана (ГОСТ 4760-91)

Технология получения титана алюминотермическим способом предусматривает восстановление титана из его оксидов алюминием*.

Основным энергетическим параметром плавки является удельная теплота процесса – количество выделяющегося тепла, отнесенное к 1 кг (dН) или 1 молю (dН^/) продуктов плавки (металл и шлак), которое обеспечивает необходимую температуру расплава после окончания процесса Т_р. Связь между Т_р и dН^/ может быть установлена на основе

____________________

* Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л., Игнатенко Г.Ф., Лаппо С.И. Алюминотермия. М.: Металлургия. – 1978. – 424с.

следующего уравнения:

dН = (Т_р + С)/[K(1 – q_п)],

где коэффициенты K и С, полученные расчетами для процесса плавки ферротитана, равны 32,6 и 170 соответственно, а q_п – тепловые потери при плавке можно принять 0,11. Температура Т_р должна быть 2260 K. Тогда для данного процесса:

dН^/ = (2260 + 170)/[32,6(1 – 0,11)] = 83,6 кДж/моль.

При восстановлении титана из диоксида титана алюминием необходимое тепло выделяется в результате восстановления железа и титана из их оксидов, имеющихся в ильменитовых концентратах. Считается, что для успешного протекания внепечного процесса необходимо иметь отношение Fe₂O₃:TiO₂ = 1. В уральских ильменитах это отношение даже несколько больше. Часть дополнительного тепла вводится в результате подогрева шихты до 560-720 К.

На рис. 11.11 представлена технологическая схема наиболее распространенного варианта плавки ферротитана. Выплавляют ферротитан в разборном чугунном горне, состоящим из разъемных половин или нескольких секций. Горн устанавливается на тележке, площадка которой выложена огнеупорным кирпичом. Стенки горна в нагретом состоянии футеруют методом торкретирования водным раствором смеси молотого магнезита (95%), жидкого стекла (0,7%) и огнеупорной глины (4,3%). Толщина футеровки 10–15 мм.

Подготовленный горн на тележке подается в плавильную камеру, оборудованную бункерами для шихты, шнеками для ее подачи в горн, установкой для пылеулавливания и вентиляции. Процесс ведут с нижним запалом, для чего перед началом плавки на подину горна насыпают ~200 кг шихты, сверху нее – запальную смесь (селитра и магниевая стружка). Запальную смесь поджигают специальным электрическим запальником или магниевой стружкой. Как только экзотермические процессы становятся интенсивными, в горн при помощи шнека подают небольшими порциями подготовленную шихту из бункеров.

Плавку обычно ведут с навеской шихты, рассчитанной на получение слитка 3–4,5 т. Длительность плавки при 4,2 т концентрата составляет 15–18 мин. Состав шихты для выплавки ферротитана приведен в табл. 11.5. На 1 т ферротитана установлен следующий расход шихтовых материалов следующий: 940 кг ильменитового концентрата; 400 кг алюминиевого порошка; 100 кг извести; 24 кг ферросилиция ФС75; 130 кг железной руды; 9 кг титановых отходов.

Рис. 11.11. Технологическая схема производства ферротитана с довосстановлением шлака и получением полупродукта или клинкера высокоглиноземистого цемента: 1 – весы; 2 – смеситель; 3 – плавильный горн для выплавки ферротитана; 4 – изложница для металла и шлака;

5 – дробилка; 6 – упаковочная машина; 7 – электропечь для восстановления; 8 – копильник; 9 – установка для сухой грануляции

Таблица 11.5. Примерный состав шихты для выплавки ферротитана (на 100 кг концентрата), кг

Фазовый состав ферротитана зависит от содержания титана и примесей. Микроструктура 70%-ного сплава представлена эвтектикой, а другие марки сплава – титанидами железа TiFe₂, TiFe (см.рис. 11.1). Избыточными фазами в ферротитане являются нитрид TiN, алюминид AlTi, сульфид TiS. Оксидные включения представлены в основном корундом (a–Al₂O₃), b–глиноземом с примесью TiO₂ и Cr₂O₃, муллитом 3Al₂O₃∙2SiO₂, геленитом 2CaO×Al₂O₃×SiO₂, сфеном [CaTi(SiO₄)(O,OH,F)] и ильменитом FeO∙TiO₂.

Особенности плавки с верхним запалом. В этом случае всю подготовленную, сдозированную и перемешанную шихту загружают в плавильный горн и при помощи запальной смеси поджигают сверху; процесс плавки идет сверху вниз. После окончания плавки объем жидких продуктов в горне занимает примерно горна. Используемый объем горна в 3 раза меньше, чем при варианте с нижним запалом, когда шихта постепенно плавится, и продукты плавки могут заполнить весь объем горна. Недостаточное использование объема горна снижает производительность труда, требуется цех большей площади, увеличиваются потери металла при очистке его от шлака и футеровки. Вместе с тем плавка с верхним запалом более проста, так как достаточно только заполнить горн шихтой при помощи бадьи и процесс уже может быть проведен.

При работе с верхним запалом достигается большая скорость плавки, что обусловливается нагревом нижних слоев шихты опускающимися жидкими продуктами плавки. Вынос шихты из горна в процессе плавки меньший, чем при нижнем запале. Недостатком работы с верхним запалом является невозможность регулирования скорости проплавления шихты, что иногда приводит к очень бурному ходу процесса, сопровождающемуся выбросами.

Таким образом, способ нижнего запала эффективнее, поэтому применяется в большинстве внепечных процессов. Более высокие технико-экономические показатели при выплавке ферротитана возможны в результате электроподогрева шлака. Значительный эффект достигается при внепечной плавке с выпуском металла и шлака. Это дает возможность ведения плавки в нагретом горне при многократном его использовании.

Ценным сырьем для получения ферротитана являетсяконцентрат, содержащий перовскит (СаО∙TiO₂). В этом случае ~25% ильменитового концентрата заменяют перовскитовым, в состав шихты вводят железную руду и исключают известь. Поскольку тепла экзотермических реакций восстановления оксидов алюминием недостаточно, то перовскитовый концентрат следует перед плавкой нагреть до 600–700^оС, чтобы температура шихты достигала ~300^оС. Извлечение титана при этом процессе составляет ~75–80%.

Выплавка ферротитана внепечным алюминотермическим способом возможна благодаря теплу, выделяющемуся при восстановлении оксидов титана, которое дополняется теплом химических реакций восстановления железа из Fe₂O₃ и FeO, что оказывается достаточным для протекания процесса. Однако, расход алюминия для восстановления термодинамически непрочных оксидов железа не оправдан ввиду высокой его стоимости, поэтому одним из эффективных способов получения сплавов с титаном является применяемый электропечной способ с предварительным расплавлением оксидной части шихты под действием тепла, выделяющегося при подведении электрической энергии.

На рис. 11.12 приведена технологическая схема выплавки ферротитана довосстановлением его из жидких шлаков. Из довосстановленного шлака получают высокоглиноземистый цемент следующего состава, %: 68–71 Al₂O₃; 14–17 CaO; 1–2 (SiO₂ + FeO), огнеупорность 1670-1710^оС. Цемент соответствует маркам 400-700.

Твердые шлаки ферротитана можно довосстанавливать в электропечи сталеплавильного типа небольшой мощности с ванной, футерованной углеродистым материалом.