Високотитановий феросплав, який одержують двостадійним відновленням в електропечі з ільменіту

Високотитановий феросплав, що містить титан і залізо, який одержують двостадійним плавленням в електропечі шихти з ільменіту, чавунного і/або сталевого брухту, електродного бою і/або коксу, вапна і/або вапняку, видаленням шлаку, що містить оксид титану, і частини розплаву заліза на першій стадії, плавленням основної шихти з подрібненого шлаку першої стадії і алюмінію з утворенням феросплаву, який відрізняється тим, що на другій стадії здійснюється плавлення під шаром флюсу витратного електрода, що містить у вигляді наповнювача основну шихту, замкнену в сталеву оболонку, при цьому утворюється феросплав, який містить 68,0 - 78,7 мас. % титану, 19,3 - 30,0 мас. % заліза і до 1,98 мас. % домішок. Цей винахід відноситься до галузі чорної металургії, а саме до складу високотитанового феросплаву, що одержується двостадійним відновленням в електропечі з ільменіту і може бути використаний як легуючий компонент для виробництва легованих сталей з високим рівнем фізикомеханічних властивостей. Необхідність в наявності конструкційних матеріалів з високим рівнем фізико-мехінічних і спеціальних властивостей, для використання їх в космічному машинобудуванні, нафтовій, хімічній, харчовій промисловості і медицині, постійно підвищується. Конструкторські задачі щодо підбору матеріалів з високим комплексом потрібних властивостей і, одночасно порівняно низькою вартістю, потребують удосконалення існуючих та розробки нових конструкційних матеріалів. Для більшості поставлених наукою задач постійно максимально прийнятним конструкційним матеріалом до цього часу є сталь, оскільки введення в склад сплаву заліза з вугле цем порівняно невеликої кількості різних хімічних елементів суттєво змінює структуру матеріалу, що одержується - сталі і, відповідно, збільшує рівень потрібних властивостей або надає цьому сплаву нові, невідомі раніше властивості. Серед легуючих сталь хімічних елементів, що підвищують рівень її міцності при розтягуванні, корозійної стійкості, ударної в'язкості, блокуючих розповсюдження тріщин в структурі матриці, найкращі результати забезпечує титан, що утворює моно - і полікарбіди з вуглецем сталі, а також інтерметалідні сполуки з іншими легуючими елементами сталі. Однак технологія його одержання з наступною переробкою губчастого титану у вигляд, придатний для легування, складна, енергомістка і має велику собівартість. Тому вирішення проблеми між використанням сплавів на основі титану, як легуючого компонента сталі і пошуком шляхів зниження собівартості товарного титанового сплаву, без втрати комплексу його фізико-механічних властивостей, також постає (19) UA (11) 77584 (13) (21) a200503960 (22) 25.04.2005 (24) 15.12.2006 (46) 15.12.2006, Бюл. № 12, 2006 р. (72) Звездін Олександр Опанасович, Чепель Сергій Миколайович, Полетаєв Євгеній Борисович (73) Звездін Олександр Опанасович (56) UA, 59720, A, 15.09.2003 UA, 51032, A, 15.11.2002 UA, 51917, A, 15.12.2002 UA, 60240, A, 15.09.2003 UA, 2001021061, A, 17.09.20001 SU, 1786170, A1, 07.01.1993 SU, 1418345, A1, 23.08.1988 SU, 609776, 05.06.1978 RU, 2002131955, A, 27.06.2004 RU, 2102516, C1, 20.01.1998 C2 1 3 77584 4 дуже гостро. десятки тисяч тон в рік, для яких ( в перерахунку З рівня техніки відомі ливарні сплави на основі на кількість легуючого компонента, що потрібний титану, що містять алюміній, молібден, цирконій, для легування сталей) порошку титанового спланіобій [патент України №51032, А, публ. ву, буде потрібно сотні тон з-за його низької 15.11.2002, Бюл. 11] або такі, що містять алюміній, щільності, що в свою чергу, викличе потребу в цирконій, молібден, ванадій, ітрій [патент України будівництві нових потужних і енергоємних № 58671, А, публ. 15.08.2003, Бюл. 8], або такі, що підприємств по виробництву титанового порошку. містять до 5 мас. % алюмінію до 4 мас. % заліза, З рівня техніки відомий високотитановий федо 2,5 мас. % марганцю, до 1,0 мас. % цирконію росплав, що містить 65 - 75 мас. % титану, 34,5 [патент України № 38805, А, публ. 15.05.2001, 24,5 мас. % заліза, до 0,5 мас. % азоту [патент РФ Бюл. 4]. Вказані сплави одержують за традиційною № 2 131 479, С1, публ. 10.06.1999). Високотитаноливарною технологією -складанням шихти з вий феросплав за вказаним патентом одержують з подрібненого губчастого титану та вказаних левідходів виробництва титанових сплавів, наприкгуючих, розплавленням в печах і кристалізацією лад ТЛ-3, у вигляді шматкових відходів і стружки розплаву, який виливають у форми з наступним та відходів сталі, наприклад сталі 20, в одержанням зливків вказаних сплавів. співвідношенні від 3 : 1 до 4 : 1 плавленням в До недоліків вказаних сплавів слід віднести: індукційній печі без флюсу. На наведену рідку складне легування одержуваного кінцевого ванну феротитану присаджують по мірі розплавпродукту, який припускають використовувати як лення шихту з залізо - і титановмісних елементів, а легуючий склад в такому ж складному складі сталі, титановмісну стружку вводять на рідку поверхню що відповідно, ускладнює розрахунок кількості сплаву у вигляді шару, товщиною, що виключає легуючих, які потрібно вводити в склад сталі; почервоніння його поверхні. Феросплав, що утво- висока собівартість вказаного легуючого рився, частково зливають і повторюють процес. складу з-за відсутності промислового одержання До недоліків вказаного винаходу слідує його складових (А1, Мo, Zr, Nb, V, Y) на Україні, а віднести наявність в складі кінцевого продукту до також дорожчання одержання вихідного основного 0,5 мас. % азоту. Азот є докорінно небажаним компонента сплаву - губчастого титану; компонентом складу сталі, оскільки викликає - відсутність постійної необхідності введення в червоноламкість і, таким чином, знижує рівень склад сталі у якості легуючих вказаних складових міцністних характеристик сталі при підвищених сплаву, які є в даному випадку обов'язковими комтемпературах її експлуатації. Крім того, оскільки понентами. плавлення в індукційній печі компонентів титан- і Відомий порошок титанового сплаву з магнієм залізовмісної шихти ведеться без флюсу, таким [патент України № 51917, А, публ. 16.02.2002, чином феросплав, що виплавляється, містить виБюл. 12], який одержують розплавленням в значену кількість кисню, що споживається їм з електропечі витратного електрода, що повітря і легко пов'язується титаном з-за його складається з підданого частковій вакуумній великої спорідненості до кисню. Навіть значний сепарації на 80 90% відновленого шар стружки на поверхні рідкого феросплаву не магнійтермічним методом і подрібненого до може перешкоджати проникненню газоподібного зернистості 5-70 мм губчастого титану, змішаного кисню до нього. Граничний вміст кисню у з магнієвими гранулами зернистістю 1 - 5 мм в високоякісних легованих сталях за стандартом кількості 0,3 - 5 мас. % і залишкового хлориду якості не повинен перевищувати 0,004 - 0,007 мас. магнію (до 5 мас. %). При плавленні витратного %. електрода пари магнію і хлориду магнію, з-за виНайбільш близьким аналогом з рівня техніки є сокого тиску пари, що в багато разів перевищуюпатент України № 59 720, А, публ. 15.09.2003р. на чого тиск пара титану, проявляють себе як розпоспосіб одержання високотитанового феросплаву з рошуючи агенти і забезпечують розпилення ільменіту шляхом двостадійного відновного елекматеріалу електрода у вигляді часток порошку, які тродугового плавлення завантажуваної порціями тверднуть в сферичні частки сплаву титану з на залізний розплав шихти з ільмнітового конценмагнієм. Зернистість кінцевого продукту за вказатрату, подрібненого вуглецевого відновника, наним патентом - порошку титанового сплаву в краприклад електродного бою і вапна, на першій щому варіанті складає 43,5% фракції -1,0+0,5 мм, стадії процесу. Причому попередньо, перед пер20,2% фракції -0,5+0,315 мм, 12,2% фракції шою стадією, утворюють ванну залізного розплаву 0,315+0,2 мм, 17,9% фракції-0,2+0,09 мм, 5.4% шляхом завантаження в піч залізного лому з поменше 0,09 мм. дальшим розплавленням його і видаленням шлаДо недоліків одержуваного за даним винахоку, що утворився. Шлак, що утворився після дом кінцевого продукту слідує віднести його першої стадії і містить оксид титану, зливають, найбільшу (за вмістом) максимальну зернистість (охолоджують і подрібнюють. На другій стадії готу1,0+0,5 мм), оскільки введення такого ють основну шихту з суміші подрібненого шлаку, титановмісного сплаву як легуючого в, наприклад, шматкового алюмінію і вапна, яку завантажують на конвертор в шихту при температурі її плавлення дзеркало залізного розплаву, розплавляють її і 1500 - 1700° С або в процесі поза пічної обробки відновлюють оксиди титану і заліза до феротитарозплаву в ковші при температурі 1450 - 1600° С, ну. Феросплав, що одержують за вказаним спосовикличе підвищений вигар титану і приведе до бом, містить до 55 - 60 мас. % титану, інше суттєвого зменшення його кількості, потрібної до відновлене залізо та до 1,5 мас. % домішків. засвоєння розплавом сталі. Крім того, обсяги виНедоліками вказаного винаходу є необхідність робництва легованої сталі в Україні складають попередньої підготовки вихідного матеріалу одер 5 77584 6 жання феросплаву - ільменіту збагаченням за руди і відновника (електродного бою або коксу). вмістом основного компонента процесу у конценДля ошлаковування пустої породи, що містить трат, що підвищує вартість одержуваного продукту ільменітова руда, в склад суміші додають вапняк -феротитану. Кінцевий феротитан, який або вапно. В процесі розплавлення суміші одержується за даним винаходом, містить від 55 відбувається відновлення оксидів заліза, що до 60 мас. % титану, що є недостатнім для цілей вміщуються в руді. Відновлене залізо переходить виробництва компонента, що вводиться в склад в металічний розплав, що веде до підвищення легованих сталей, оскільки обсяги виробництва концентрації оксиду титану в шлаку, який легованих сталей, що постійно зростають, при утворюється при цьому. такому співвідношенні основного компонента в Кількість утвореного шлаку залежить від феротитані, будуть потребувати введення значних технічних характеристик обладнання, яке об'ємів феросплаву, що одержується, на тону використовується: ємності електропечі, її легованої сталі. До недоліків також слід віднести потужності, тривалості процесу відновлення заліза відсутність захисту процесу на другій його стадії з оксидів, які містить ільменітова руда. Тому, в від окислення киснем повітря, що значно погіршує залежності від вибраного плавильного обладнанякість кінцевого продукту, який одержується, і ня, у відповідності з теоретичними реакціями знижує вихід придатного продукту після процесу. відновлення заліза з оксидів, які вміщує вихідний Головним недоліком даного винаходу є матеріал, розрахунковим шляхом вибирають вагу неможливість одержання кінцевого продукту у компонентів шихти і її загальну кількість. вигляді товарного зливка феротитану. Феротитан Ільменітова руда містить, в мас. %: 60,00 ТіО2; після двостадійного відновлення і плавлення 31,70 Fе2O3; 1,10 Аl2О3; 2,84 SіO3; 2,34 S; 0,28 одержується у вигляді корольків, що оточені маР; 0,43 V2O5; 0,56 МnО. Ступінь відновлення заліза сою шлаку і які потребують додаткових операцій з його оксиду складає 80 - 85 %. При ступені вивільнення корольків, очищення їх від шлаку і відновлення менше 80% суттєво знижується переплавлення, що, тим самим, здорожчує одиникількість оксиду титану в шлаку, що, в кінцевому цю одержуваного продукту. рахунку веде до зниження вмісту титану в В основу заявленого винаходу поставлена заферотитані. Збагачений оксидом титану шлак, з дача одержання високотитанового феросплаву з вмістом не менше 78 мас. % ТiO2 після відновного вмістом титану не менше 68 мас. % в кінцевому періоду плавлення суміші, зливають у виливниці. продукті, зниження собівартості одиниці ваги проНа другій стадії процесу одержання високотидукту, усунення можливості забруднення киснем танового феросплаву готують шихту, що повітря феросплаву при відновленні титану, заскладається з дозованої кількості подрібненого безпечення умов одержання готового продукту у шлаку, одержаного на першій стадії і алюмінієвого вигляді компактного товарного зливка феротитану порошку зернистістю їх фракцій не більше 800 з заданим вмістом основного компонента шляхом мкм. Шихтову суміш завантажують в металеву зміни технологічних операцій відновлення титану з оболонку з наступним використанням її в якості оксиду титану, що міститься у шлаці на другій витратного електрода на установці електрошлакостадії відомого процесу. вого плавлення. Витратний електрод, що Поставлена задача вирішується тим, що висопредставляє собою металеву оболонку, заповнену котитановий феросплав, що містить титан і залізо, наповнювачем з вищевказаної шихти, який одержується двостадійним плавленням в підключають до позитивного полюсу джерела електропечі шихти з ільменіту, чавунного і/або струму і опускають в наважку флюсу, розташовану сталевого лому, електродного бою і/або коксу, на поду плавильного тигля до контакту з подом, на вапна і/або вапняку, видаленням шлаку, що який подано негативний полюс джерела струму. В містить оксид титану і частки розплаву заліза на якості флюсу використовують суміш оксидів першій стадії, плавлення основної шихти з алюмінію і кальцію. Після здійснення контакту подрібненого шлаку першої стадії і алюмінію та електрода з подом тигля подають напругу й утворення феросплаву. При цьому на другій стадії підіймають витратний електрод до утворення здійснюється плавлення під шаром флюсу витрателектричної дуги з оптимальними електричними ного електрода, що містить у вигляді наповнювача параметрами, що забезпечують режим стійкого основну шихту, замкнену в сталеву оболонку з горіння електродуги. утворенням феросплаву, який містить 68,0 - 78,7 В результаті виділення тепла від електроопомас. % титану, 19,3 -30,0 мас. % заліза і до 1,98 ру флюсу і екзотермічних реакцій відновлення мас. % домішків. компонентів наповнювача відбувається розплавСутність заявленого винаходу полягає в тому, лення витратного електрода. Відновлені титан і що високотитановий феросплав з ільменіту одерзалізо, проходять крізь шар утворюваного рідкого жують в дві стадії. На першій стадії одержують шлаку і накопичуються на поду тигля. Після повнотитановий шлак з високим вмістом оксиду титану й го розплавлення витратного електрода електромінімальним вмістом оксидів заліза. Плавлення живлення печі вимикають і дають охолонути прошлаку, що містить оксид титану, здійснюється в дуктам плавки. Утворений зливок феротитану дугових електропечах змінного або постійного вивільняють від шлаку і спільно з іншими зливками струму на другій стадії процесу. після попередніх плавок переплавляють в В електропечі розплавляють шлак, який утвоіндукційній печі в зливок товарного виду з рився в результаті останньої плавки і на поверхню середнім хімічним складом, мас. %: 68,00 - 78,7 рідкої металічної ванни окремими порціями завантитану, 19,30 - 30,00 заліза, до 1,98 домішків, що тажують суміш, яка складається з ільменітової містять алюміній, кремній, марганець, ванадій і 7 77584 8 сірку. відновленням алюмінієм оксидів титану, заліза і ПРИКЛАДИ ОДЕРЖАННЯ ВИСОКОТИТАНОкремнію, що містила основна шихта, при ВОГО ФЕРОСПЛАВА. розплавленні витратного електрода під шаром В якості плавильної печі для одержання висозахисного флюсу. Основна шихта, яка використокотитанового шлаку використовувалася електровувалася як наповнювач витратного електрода, дугова піч постійного струму ДСП - 3,0 з основною включала в себе подрібнений шлак, вищевказанофутерівкою з наступними технічними характериго складу, що містить оксид титану, порошок стиками: алюмінію і рідке скло як зв'язувальну речовину. 1. Номінальна місткість, т - 3,0; Офлюсовування оксиду алюмінію виконувалося 2. Потужність трансформатора, кВА - 2000; вапняком, що вводили в шихту. Після дозування 3. Максимальна величина струму, А - 4800; шлаку, алюмінієвого порошку і рідкого скла суміш 4. Вторинна напруга, В - 243-124. основної шихти перемішувалася с метою надати їй Як відновник використовувався електродний середнього складу. Підготовлена суміш завантабій з вмістом вуглецю 86 мас. %. Для офлюсовужувалася в сталеву оболонку витратного електровання кремнезему, що містила ільменітова руда, да і ущільнювалася за допомогою пресового обвикористовувалося свіжо опалене вапно з ладнання. розмірами шматків не більше 100 мм. Ільменітова Підготовлений витратний електрод руда містила наступні компоненти, в мас. %: 60,00 підключали до позитивного полюсу джерела живТiO2; 31,70 Fе2О3; 1,10 Аl2О3; 2,84 SiO2; 2,34 S; лення постійного струму, а під плавильного тигля 0,28 P; 0,43 V2O5; 0,56 MnO. до негативного полюсу. За допомогою механізму Підготовка шихти включала вагове дозування переміщення електрод опускався до забезпечення її компонентів і ретельне перемішування їх до наконтакту з подом плавильного тигля, при цьому він буття середнього складу. Технологія плавлення проходив крізь шар захисного флюсу на поду тигвключала завантаження в піч чавунного лому, що ля. Після вмикання джерела живлення, збудження входив в склад шихти, його розплавлення і електричної дуги між витратним електродом і понагрівання до температури 1350 - 1400° С. Після дом тигля проводилося розплавлення витратного цього шлак, що утворювався в процесі плавлення електрода. Швидкість переміщення витратного металічної частини шихти, видаляли з печі, а на електрода забезпечувала розплавлення торця поверхню металевої ванни розплаву періодично, його в шлаковій фазі так, щоб кінець витратного окремими порціями, завантажували підготовлену електрода постійно знаходився під поверхнею шихту і розплавляли її. Присадок шихтових флюсу і шлаку, що утворювався. Захисним флюматеріалів проводився в процесі плавлення по мірі сом для плавлення витратного електрода слугурозплавлення раніш завантажених порцій шихти. вала суміш 50 мас. % Аl2О3 і 50 мас. % СаО. По Після розплавлення останньої порції шихти, що мірі плавлення електрода на поверхню розплаву, була завантажена у піч, електропіч вимикали і що утворювався, окремими порціями подавали проводили зливання шлаку та частини металу у вапняк для офлюсовування глинозему, який утвовиливниці. Шлак, який охолонув, подрібнювали і рювався в результаті відновлювальних процессів, і відбирали пробу для визначення його хімічного одержання легкоплавкого і рідкоплинного шлаку. складу. Оптимальний хімічний склад шлаку, що Після розплавлення витратного електрода одержували після першої стадії процесу - 79,5 електропіч вимикали, а утворений компактний мас. % ТіО2, 7,8 мас. % Fе2О3, інше - домішки зливок феротитану і шлак залишали в електропечі оксидів алюмінію, кремнію, ванадію, марганцю, а до повного охолодження. також сірки і фосфору. Для підтвердження промислової придатності Одержання високотитанового феросплаву заявленого винаходу був проведений ряд проводили на лабораторній електропечі дослідних плавок, по 3 на кожний режим з метою постійного струму з основною футерівкою з наодержання середніх результатів. Дані технічних ступними технічними характеристиками: характеристик одержання високотитанового фе1. Місткість лабораторної дугової печі росплаву і порівняльного хімічного складу продукпостійного струму, кГ - 20; ту і по за заявленим винаходом, і за найближчим 2. Номінальна величина струму, А 800 - 850; аналогом з рівня техніки представлені в таблицях 3. Номінальна напруга, В 30-45. 1 та 2. Плавлення феротитану проводилося з Таблиця 1 Порівняльні технічні характеристики одержання високотитанового феросплаву за заявленим винаходом № зразка за порядком 1. 2. 3. Технічні характеристики витратного електрода та електричного режима плавлення Щільність наТовщина Вага наповповнювача Величина Висота, мм сталевої обоНапруга, В нювачакг після струму, А лонки, мм 3 ущільнення,т/м 1400 2,0 70 1,80 1500-1650 30-45 950 1,5 136 2,75 1500-1650 30-45 800 1,0 126 3,05 1500-1650 30-45 9 77584 10 11 77584 12 Таблиця 2 Порівняльний хімічний склад і якість одержуваного високотитанового феросплаву за заявленим винаходом та найближчим аналогом Хімічний склад високотитанового феросплаву, мас. % № зразка за порядком Ті Fe A1 Si Mn V S 1 45,00 52,72 1,00 0,10 0,75 0,40 0,03 2 53,27 43,00 1,50 1,00 0,80 0,40 0,03 3 72,00 25,63 0,80 0,19 0,85 0,50 0,03 Найближчий аналог Дані таблиць 1 і 2 за зразком 3 вказують на високий (72,00 мас. %) вміст в зливку феросплаву титану. Якість одержуваного зливка висока а вміст домішків, до яких відносяться алюміній, кремній, марганець, ванадій і сірка, не перевищує 2,4 мас. %. Комп’ютерна верстка М. Клюкін Якість одержуваного продукта товарний зливок товарний зливок товарний зливок феротитан в вигляді корольків Наданий опис не обмежує заявлений винахід у всіх можливих йог модифікаціях, удосконаленнях та еквівалентах, які не виходять за межі заявленої формули, а слугують лише ілюстрацією, доповненням й уточненням конкретних втілень винаходу. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601