Технология производства ферротитана

При экспериментальном изучении технологических особенностей внепечного алюминотермического восстановления чистой двуокиси титана установлено, что оптимальная величина удельной теплоты процесса составляет 103 кДж/г-атом окислов и нейтральных добавок. Для повышения удельной теплоты процесса в шихту добавляли бертолетову соль и перекись кальция в количестве до 80% от массы двуокиси титана. Лучшие показатели по выходу металла получены при совместном введении в шихту этих термитных добавок в соотношении 1:1. С целью уменьшения потерь металла в шлаке добавляли плавиковый шпат.

При теоретически необходимом количестве восстановителя в шихте извлечение титана не превышало 57%, а содержание алюминия в сплаве составляло 17—27%. Увеличение количества восстановителя на 25% по сравнению с теоретически необходимым повышало извлечение титана до 66%, однако содержание алюминия в сплаве возрастало до 38,6%. Дальнейшее повышение количества восстановителя в шихте снижало извлечение титана. Максимальное отношение содержания титана к содержанию алюминия в металле не превышало 3,0—3,5. Низкие технико-экономические показатели внепечного алюминотермического восстановления двуокиси титана не позволяли рекомендовать его для практического использования.

Совместное алюминотермическое восстановление двуокиси титана с легковосстановимыми окислами (например, с окислами железа) позволяет получить более высокие показатели, чем при восстановлении одной двуокиси титана; однако и в этом случае повышение извлечения титана связано с переходом в сплав больших количеств алюминия.

Каждому содержанию титана в ферротитане соответствует определенная концентрация алюминия в металле или определенное «критическое» отношение алюминия к титану, увеличивающееся с повышением содержания титана в сплаве. Поэтому по мере увеличения избытка восстановителя в шихте все большая часть его переходит в сплав, не участвуя в процессе восстановления. Зависимость выхода металла и содержания титана от количества восстановителя в шихте показана на рис. 151, откуда следует, что для получения в металле концентрации алюминия, не превышающей 7%, количество восстановителя в шихте не должно превышать 94% теоретически необходимого.

Существенное значение для уменьшения отношения Al : Ti в металлическом слитке и для повышения извлечения титана из концентрата может оказать увеличение содержания кремния в сплаве.

На основании статистической обработки данных по химическому составу большой группы плавок ферротитана установлено, что значение коэффициента пропорциональности k в соотношении

остается постоянной величиной для самых разнообразных содержаний титана, кремния и алюминия в ферротитане при промышленной выплавке этого сплава.

Поскольку силициды титана являются более прочными соединениями, чем его алюминиды, введение кремния (например, в виде ферросилиция) в шихту приводит к связыванию восстановленного титана в соединение и к сдвигу равновесия в сторону повышенного перехода титана в сплав. С этой целью в состав шихты ферротитана вводят ферросилиций марки ФС75.

Изучение влияния соотношения крупности алюминиевого порошка и ильменитового концентрата на показатели внепечной алюминотермической плавки ферротитана в стационарном плавильном агрегате показало, что крупность частиц алюминиевого порошка должна быть близкой к размерам зерен ильменитового концентрата. Использование восстановителя с размером зерен в 2—3 раза большим, чем зерно ильменитового концентрата, уменьшает выход металла на 16% (по сравнению с результатами выплавки на шихтовых материалах одинаковой крупности), а при использовании алюминиевого порошка, крупность которого была в 2—3 раза меньше, чем размер зерен окислов шихты, выход металла сокращается на 11 %.

Шихту для промышленной выплавки ферротитана внепечным алюминотермическим способом рассчитывают на проплавление за одну плавку 4000—6000 кг ильменитового концентрата; она состоит из запальной части и основной части, а также железотермитного осадителя. Примерный состав шихты впепечной плавки показан в табл. 95.

Технологическая схема производства ферротитана с довосстановлением шлаков и получением полупродукта для синтетических шлаков или клинкера высокоглиноземистых цементов показана на рис. 152.

После наборки и смешивания всех частей шихты в плавильный агрегат задают запальную часть шихты или 150—200 кг основной шихты, которую зажигают смесью натриевой селитры и магниевой стружки. Плавку ведут с закрытым колошником, скорость проплавления шихты 300 кг/(м2*мин).

После проплавления основной шихты на поверхность расплава задают железотермитный осадитель и после кратковременной выдержки (до 5 мин) сливают металл в ковш с находящимися в нем нагретыми титановыми отходами. Шлак, оставшийся в плавильном агрегате, сливают в шлаковую изложницу или довосстанавливают.

Показатели внепечной выплавки ферротитана существенно зависят от температуры процесса. Как следует из рис. 153, максимальное извлечение титана соответствует температуре продуктов в момент окончания реакций примерно 2100° С.

Расход шихтовых материалов на 1 т ферротитана следующий, кг:

Шлаки выплавки ферротитана содержат 12—16% TiO2; 66—69% Al2O3; 12—14% CaO; 0,1—0,3% SiO2; 0,5—2,0% MgO; 0,1—0,4% FeO.

Ферротитан является одним из немногих сплавов, выплавляемых алюминотермическим способом, в структуре себестоимости которого наибольший удельный вес имеет стоимость восстановителя. Ниже приведена структура себестоимости ферротитана, %:

Расчеты показывают, что задаваемый в шихту алюминий расходуется следующим образом: на восстановление окислов ильменитового концентрата 82,5% в том числе на восстановление двуокиси титана всего 40,7%; на восстановление окислов железной руды и извести 5,3%; переходит в сплав 12,2%.

При внепечной выплавке ферротитана недостаток тепла, выделяющегося при восстановлении окислов титана, в значительной степени компенсируется алюминотермическим восстановлением окислов железа. Изыскание более дешевых видов тепловой энергии, чем теплота алюминотермического восстановления окислов железа, — один из главных путей снижения себестоимости выплавки ферротитана.

На одном из ферросплавных заводов этот сплав получают электропечным способом (с предварительным расплавлением части ильменитового концентрата и извести в электропечи). Основными целями применения электропечи являются обеспечение возможности регулировать тепловой режим процесса, уменьшение количества или исключение железной руды из состава основной части шихты и, следовательно, снижение расхода алюминия, а также повышение содержания титана в сплаве до 30—34%. Шихту рассчитывают на 4000—6000 кг ильменитового концентрата. Примерный состав шихты электропечной выплавки ферротитана показан в табл. 96.

Зажигание дуг электропечи в начале расплавления рудной части шихты осуществляют одним из следующих способов:

- проплавляют железотермитный запал (состав запала тот же, что и железотермитного осадителя, см. табл. 96), после чего электроды опускают на расплав;

- зажигают дуги на железной обсечке (100—200 кг);

- зажигают дуги на расплаве, оставшемся от предыдущей плавки.

Сразу же после зажигания дуг начинают загрузку в печь рудной части шихты, проплавление которой ведут с закрытым колошником. Расход электроэнергии на расплавление составляет 1500 кВт-ч на 1 т ильменитового концентрата.

После проплавления рудной части электропечь отключают, электроды поднимают, задают основную часть шихты и проводят восстановительный период плавки, а также проплавление железотермитного осадителя.

После окончания плавки допускается прогрев расплава дугами в течение 5—20 мин для улучшения осаждения и формирования металла. Лучшие показатели процесса обеспечиваются при проплавлении 40% от общей навески ильменитового концентрата в шихте (рис. 154).