Шихта для получения ферротитана

(51) 22 5/04 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(57) Изобретение относится к черной металлургии,в частности к составам шихт для электропечного алюминотермического получения ферротитана. Шихта для выплавки ферротитана электропечным способом состоит из титанового концентрата(ильменитового),вторичного алюминия, ферросиликоалюминия и извести. В качестве восстановителя применяется смесь вторичного алюминия и ферросиликоалюминия (в пересчете на суммубез учета железа в ФСА). Решаемой задачей предлагаемого изобретения является 40-60 замена в комплексном восстановителе вторичного алюминия на ферросиликоалюминий. Достигаемым техническим результатом изобретения является получение стандартного ферротитана,химический состав которого соответствует маркам ФТи 25 и ФТи 35 С 8 (ГОСТ 4761-91) с применением более дешевого восстановителя ферросиликоалюминия.(72) Байсанов Сайлаубай Омарович Нургали Нуржан Зулхарнайулы Чекимбаев Аскар Фарзантович Абдулабеков Ержан Эдгарович Избембетов Джубатхан Джумаханович Коспанов Мурат Мукашевич Алмагамбетов Марал Сарсенбаевич(73) Дочернее государственное предприятие Химико-металлургический институт им. Ж. Абишева Республиканского государственного предприятия Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья РК Министерства индустрии и торговли РК(54) ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОТИТАНА 21004 Изобретение относится к черной металлургии, в частности к составам шихт для электропечного алюминотермического получения ферротитана. Из металлургической практики получения ферротитана алюминотермическим восстановлением титановых концентратов известно,что наиболее распространенным является внепечной способ плавки. Шихта для выплавки состоит из титанового концентрата, алюминиевого порошка,ферросилиция ФС 75, богатой железной руды и извести. Технология основана на выплавке ферротитана без подвода тепла в разборном металлургическом горне. Существует два варианта технологии с нижним и верхним запалом плавки. Для обеспечения нормального хода процесса термичность шихты должна быть в пределах 71-92 кДж/г-атом. При этом получают сплав с содержанием титана 20-35. Однако расходование алюминия на восстановление термодинамически непрочных оксидов железа для обеспечения нормального теплового режима плавка недостаточно оправдано ввиду его высокой стоимости. При этом выделяющегося тепла недостаточно для полного протекания окислительно-восстановительных процессов, а присадка железотермитных добавок приводит к перерасходу алюминия. Максимальное извлечение титан в металл соответствует температуре процесса 2130 С. Это обстоятельство послужило основой для изыскания путей сокращения неоправданно расходуемого дорогостоящего восстановителя и улучшения теплового режима плавки. Чтобы устранить недостатки внепечного способа получения ферротитана и одновременно увеличить степень извлечения титана, разработали технологию получения ферротитана в электропечах. В результате выяснилось, что эксплуатирование электропечей рафинировочного типа улучшает тепловой режим процесса и свойства конечного шлака. Известна шихта (аналог) для электропечного получения ферротитана, состоящая из титанового концентрата, алюминиевого порошка, ферросилиция ФС 75, железной руды и извести. (Снежко П.Ф.,Осипов Г.П. Получение ферротитана с выпуском шлака и металла // Техн. экон. бюл. Совнархоз Липецкого экон. адм. р-на 1958 г.7, с.7-10). Опытные плавки проводились в электропечи сталеплавильного типа с основной футеровкой(параметры ванны 1200 мм и Н 750 мм). Колоша шихты состоит из 100 кг титанового концентрата, 43,8 кг алюминиевого порошка, 0,8 кг богатой железной руды и 8 кг извести. В конце плавки для повышения жидкотекучести шлака и осаждения из него корольков металла в печь присаживали железную руду, алюминиевую крупку,75-ый ферросилиций и известь. Затем после 5-8 минутной выдержки из печи выпускали основную массу шлака, оставшуюся часть расплава разбавляли с подогретой известью (600-800 С) и сливали путем наклона печи 300-350 кг сплава и 70 кг шлака в чугунные изложницы. Недостатком существующей шихты является применение в качестве основного восстановителя дорогого и дефицитного алюминиевого порошка. Это является основной статьей затрат, повышающей себестоимость выплавляемого сплава, при этом содержание титана в сплаве остается сравнительно невысоким (27,7). Известна шихта (прототип) для электропечного получения ферротитана, содержащая титановый концентрат, порошок из вторичного алюминия,известь, железную руду и ферросилиций. (Гасик М.И. Теория и технология электрометаллургии ферросплавов-М. СП Интернет Инжиниринг, 1999,с.456). Соотношение шихтовых компонентов для электропечной выплавки ферротитана приведено в таблице 1. Таблица 1 Составляющая шихты Оксидная Основная Осадитель Состав шихты для электропечной плавки ферротитана, кг Ильменитовый Железная АлюмиФерроконцентрат руда ниевый силиций порошок 20-40 80-60 0-15 45-60 0-6 100 35-40 После окончания предыдущей плавки электрическую нагрузку набирают на оставшейся части расплава и загружают в печь оксидную часть шихты (концентрат и известь), электроды в это время погружены в шихту. После полного расплавления шихты печь отключают и начинают загрузку основной части шихты, состоящей из титанового концентрата, вторичного алюминиевого порошка, извести, железной руды и ферросилиция. Затем задают железотермитный осадитель для довосстановления. После чего включают печь,набирают нагрузку и греют шлак для лучшего 2 осаждения капель сплава, содержащего 32-37 титана. Недостатком существующей шихты является то,что также в качестве восстановителя используется алюминиевый порошок, который в процессе плавки неоправданно расходуется на восстановление оксидов железа и окисляется кислородом воздуха. Подсчет распределения алюминия в этом процессе показывает, что на восстановление оксидов титана до металла затрачивается от 22 до 33 алюминия,а на восстановление кремния из кремнезема - около 5. В сплав переходит от 5 до 8 алюминия,вносимого шихтой, при этом угар алюминия в 21004 различных плавках колеблется от 13 до 20. Столь большой угар алюминия задаваемого в виде порошка приводит к нецелевым затратам и поэтому экономически приемлемо использовать комплексные сплавы содержащие алюминий. Решаемой задачей предлагаемого изобретения является замена в шихте части (50) вторичного алюминия (или отходов) на комплексный сплав ферросиликоалюминий (ФСА), Ниже приведен предлагаемый состав шихты, кг Титановый концентрат(ильменитовый) 57,0-54,5 Вторичный алюминий 12,5 Ферросиликоалюминий 17,5-18,0 Известь 13,0-15,0 Сущность изобретения заключается в получении ферротитана по предлагаемой шихтовой композиции,позволяющей исключить неоправданные потери дорогостоящего восстановителя путем 30-70-ной замены вторичного алюминия(или отходов) на ферросиликоалюминий в пересчете на суммубез учета железа. Используется ФСА следующего состава (впо массе) 55-6518-25 А 1 и остальное железо. При этом в ФСА содержание примесных элементов (, Р, С) не превышает 1. Достигаемым техническим результатом изобретения является получение стандартного по составу ферротитана(ГОСТ 4761-91) с применением более дешевого восстановителя,ферросиликоалюминия. Пример. На основе проведенных теоретических расчетов шихты с применением комплексного восстановителя, в составе которого количество ферросиликоалюминия (ФСА) варьировалось от 30 до 70, остальное алюминий, осуществлялись лабораторные эксперименты по получению низкопроцентного ферротитана. Для осуществления опытов использовали высокотемпературную печь Таммана с графитовым нагревателем. Количество ферросиликоалюминия (в пересчете на суммуи А 1 в сплаве без учета железа) в составе комплексного восстановителя варьировалось в следующих пределах, таблица 2. Шихту для выплавки составляли из ильменитового концентрата,ферросиликоалюминия, алюминиевого порошка и СаО (марка х.ч.). Исходные компоненты тщательно смешивали, загружали в графитовый тигель и устанавливали в печь сопротивления разогретую до температуры 1650-1700 С. Таблица 2 Состав комплексного восстановителя Замена вторичного алюминия на ферросиликоалюминий,40 50 60 25 32 38 27 22 18 Навеску СаО в составе шихты варьировали прямо пропорционально количеству ФСА в комплексном восстановителе, с учетом, что кремний используется на 80. Процесс восстановления для всех вариантов плавок характеризовался высокой интенсивностью,после расплавления пробу выдерживали в печи в течение 10-30 минут, затем тигель извлекали и остужали на воздухе. При 30-ой замене алюминиевого порошка на ферросиликоалюминий процесс восстановления при температуре 700 С начинался самопроизвольно и протекал до полного проплавления шихты. Извлечение титана в сплав составило 55, что позволило повысить навеску ФСА в восстановителе до 40. В этом случае извлечение титана повысилось до 63 и составило около 30 титана в сплаве. Полученные удовлетворительные результаты в ходе проведения опытов позволили поднять долю ФСА в смеси до 50 от общей массы комплексного восстановителя. При таком составе восстановителя процесс протекал аналогично, как и предыдущие варианты опытов. Извлечение титана составило 67,при содержании титана в сплаве 25-35. Повышение содержания титана в сплаве объясняется образованием прочных силицидов титана типа 53 и 2. Замена в смеси 60 алюминиевого порошка на ФСА повлекло незначительное ухудшение процесса плавки. Визуально скорость процесса восстановления значительно снизилась,а температура начала плавления повысилась до 900 С. Вследствие этого извлечение титана снизилось до 60, и составило 23 титана в сплаве, что является также удовлетворительным результатом. Дальнейшее повышение доли ФСА в восстановителе до 70,привело к снижению извлечения титана до 50 и значительному повышению кремния в металле. При этом одновременно повышается навеска СаО в шихте, что способствует увеличению кратности шлака и его тугоплавкости. Опытным путем было установлено, что выдержка пробы в печи при температурах 1600-1700 С более 15 минут неэффективна, так как продукты плавки, т.е. металл и шлак начинают взаимодействовать с материалом тигля. В результате проведенных серий экспериментов был получен сплав средний химический состав,которого представлен следующими данными, вот массы- 27,5- 9,0- 3,5- остальное. Качество полученного сплава удовлетворяет предъявляемым требованиям ГОСТ 4761-91 и соответствует маркам ФТи 25 и ФТи 35 С 8. Результаты экспериментальных данных и теоретических расчетов шихты хорошо согласовываются. Достоверность положительных результатов лабораторных экспериментов были проверены в укрупненных условиях. С этой целью были проведены крупнолабораторные испытания по выплавке ферротитана из ильменитового концентрата с применением в качестве 3 21004 восстановителя смеси, вторичного алюминия (или отходов) и ферросиликоалюминия. Для проведения испытаний эксплуатировали руднотермическую печь рафинировочного типа с мощностью трансформатора 0,1 А, имеющей магнезитовую футеровку. В качестве Ильменитовый концентрат 2 2 А 12 О 3 40,0 3,22 4,36 Вторичный алюминий восстановителя использовали смесь алюминия и ФСА (количество ФСА варьировали от 40 до 60). Фракционный состав А 1 и ферросиликоалюминия марок ФС 55 А 20 и ФС 65 А 20 соответствовал классу 0-8 мм. Химический состав использованных шихтовых материалов приведен ниже, в Технологический процесс плавки состоит в форсированной загрузке смешанной шихты в предварительно разогретую ванну печи до температуры 1600-1700 С. Первая кампания по выплавке низкопроцентного ферротитана из ильменитовых концентратов в электропечи проводилась при содержании ФСА в комплексном восстановителе 40 от его массы и с присадкой в шихту 18,5 кг извести. Плавка характеризовалась стабильным электрическим режимом, извлечение титана в сплав составило 65. Повышение доли ФСА в восстановительной смеси до 50, не ухудшило технологические характеристики процесса, напротив,при этом извлечение титана увеличилось до 70 и составило около 32 титана в сплаве. Полученные удовлетворительные результаты в ходе проведения испытаний дали возможность работать с повышением содержания ФСА в комплексном восстановителе до 60. При заданном составе восстановителя работа печи также характеризовалась стабильным электрическим режимом, извлечение титана незначительно снизилось и составило 63 при содержании титана в сплаве 25-27. Возможно это объясняется разогревом печи, а также стабилизацией шлакового режима. Процесс восстановления во всех вариантах плавки характеризуется высокой интенсивностью. После расплавления и появления зеркала шлака,расплав выдерживали под токовой нагрузкой в течение 15-30 минут для улучшения условий осаждения корольков металла в шлаке. Шлак и металл выпускали раздельно при отключенной печи,печь наклоняют для слива шлака через верхний носок, а металл выпускают в чугунные изложницы из нижнего леточного отверстия. После завершения плавки, проведения выпуска и обработки летки набирают электрическую нагрузку 800-1000 А на оставшейся части расплава и загружают в печь очередную порцию шихты. 4 Использование в качестве восстановителя кремнийалюмосодержащего комплексного сплава позволяет снизить до минимума угар алюминия и повысить его полезное действие, вследствие того,что алюминий присутствует в составе ферросиликоалюминия в виде химических соединений с кремнием и железом. Кроме того, в ферросиликоалюминие содержится 55, это способствует повышению извлечения титана металл, за счет образования прочных силицидов типа 53 и 2. Применение комплексного восстановителя меняет химический состав конечных шлаков. В результате окисления кремния и алюминия в процессе восстановления оксидов, образуется муллит (32322), последний повышает активность 2 в шлаке и одновременно способствует увеличению извлечения титана в сплав, а также снижает вероятность образования соединения типа тиалит (А 12 О 3-Т 2). Из литературы известно, что при температурах до 1300 С муллит не взаимодействует с Т 2 и он находится в свободном состоянии. В интервале температур 1300-1600 С образуются твердые растворы муллита и диоксида титана, предельная концентрация ТО 2 в решетке муллита не превышает 4. Избыток 2 выше 4 присутствует как самостоятельная кристаллическая фаза в виде рутила. Наряду с положительным воздействием 2 на активность 2 в шлаке, диоксид кремния также снижает температуру процесса выплавки ферротитана,это способствует созданию благоприятных условий для осаждения корольков металла из шлака. Технико-экономические показатели выплавки ферротитана с различной долей ФСА в комплексном восстановителе приведены в таблице 3 Показатели 1 Материал Ильменитовый концентрат Ферросиликоалюминий (доля в восстановителе) Вторичный алюминий Известь 2 Получено, кг Металла Шлака 3 Кратность шлака 4 Химический состав сплава,ТЭП выплавки сплава ФТи 25 1 2 С точки зрения технологичности процесса, все три варианта плавки являются оптимальными. Однако,судя по показателям техникоэкономического анализа выплавки ферротитана,наиболее эффективным является 50-ная замена алюминия на ФСА в комплексном восстановителе. Анализ результатов испытаний позволяет рекомендовать новую технологию выплавки ферротитана с использованием ФСА к промышленному внедрению. Ниже, в таблице 4 представлены сравнительные техникоэкономические показатели производства ферротитана различными способами. Таблица 4 ТЭП производства ферротитана различными способами Показатели Способ Электропечной Электропечной традиционный предлагаемый 1. Расход материалов, кг 100 100 ильменитового концентрата алюминиевого порошка 45-60 вторичного алюминия 22-23 ферросиликоалюминий 31-33 железной руды 0-15 извести (СаО 90) 10-25 23-27 ферросилиций ФС 75 0-6 титановых отходов поваренной соли 2. Составы металла,10-19 15-25 3. Степень восстановления титана,60-65 70-75 4, Кратность шлака 1,3 1,7 5. Расход электроэнергии на 1 т. 1500 1590 сплава, кВт-ч.- содержание кремния и алюминия в ферротитане марки ФТи 25 по ГОСТ 4761-91 Результаты испытаний показали принципиальную возможность выплавки ферротитана с применением ФСА. Эксплуатирование промышленных печей рафинировочного типа, имеющих высокие ступени напряжения до 200 В, позволят значительно интенсифицировать процесс восстановления,повысить температуру в ванне печи и снизить до 610 содержание кремния в сплаве, одновременно увеличивая извлечение титана в сплав. 5 21004 В настоящее время стоимость алюминиевого порошка и отходов составляет порядка 650 и 400 тыс. тенге, соответственно. На выплавку 1 базовой тонны ферротитана в электропечи из традиционной шихты в среднем затрачивается 405 кг алюминиевого порошка, в пересчете это составляет 263,250 тыс. тенге. Таким образом, только 50-ая замена в составе шихты вторичного алюминия на ферросиликоалюминий(стоимость которого составляет 150 тыс. тенге) снижает себестоимость получаемого ферротитана на 120 тыс. тенге/т. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Шихта для получения феррогитана, включающая в себя титановый концентрат, вторичный алюминий(или отходы), ферросиликоалюминий и известь,отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ферросиликоалюминий без учета в нем железа, при следующем соотношении компонентов в мас. Титановый концентрат