Способ получения обогащенного ильменита

 

Изобретение относится к области производства основных компонентов защитно-легирующих электродных покрытий на сварочных электродах. Сущность способа заключается в том, что в исходный ильменит добавляется требуемое количество оксида легирующего элемента и полученная смесь после предварительного окислительного отжига в кислородсодержащей атмосфере подвергается комплексному газотермическому восстановлению-карбидизации в контролируемой газовой атмосфере, содержащей одновременно водород и углеродсодержащий компонент. Полученный материал содержит необходимое количество рутила и легирующей добавки. Способ позволяет получать компоненты для изготовления высококачественных электродов с защитно-легирующими покрытиями ильменитового типа с повышенным коэффициентом наплавки.

Изобретение относится к производству основных компонентов защитно-легирующих электродных покрытий с использованием методов, применяемых для получения металлов восстановлением.

При осуществлении процессов сварки пути легирования наплавляемого металла могут быть самыми различными. Одним из самых надежных является способ легирования за счет использования специальной легированной сварочной проволоки. Однако на практике далеко не всегда удается подобрать проволоку необходимого состава.

Поэтому наиболее широко распространен способ легирования наплавляемого металла через электродное покрытие. В этом случае требуемые легирующие элементы включаются в состав электродного покрытия в необходимых количествах с учетом технологических потерь за счет окисления, перехода в шлак и т.п.

В качестве легирующих добавок используют различные металлические полуфабрикаты, предварительно подготовленные в виде металлических порошков. Эти порошки в виде смеси вводятся в состав электродных покрытий вместе с другими компонентами. В качестве таких легирующих компонентов используются чистые металлы или их соединения, например ферросплавы.

Легирование наплавленного металла через покрытие электрода несколько уступает легированию через электродный стержень в отношении постоянства химического состава металла, но в то же время позволяет достаточно простыми методами получить почти любой требуемый состав наплавленного металла.

Однако дополнительное введение в состав шихты специальных легирующих добавок усложняет технологический процесс изготовления электродов. При этом для обеспечения высокого качества электродного покрытия необходимо тщательное перемешивание исходных компонентов и соответствующее усреднение размеров исходных порошковых материалов.

В металлургическом производстве ферросплавы получают путем восстановления окислов соответствующих металлов. Восстановительные процессы облегчаются, если они проходят в присутствии железа или его окислов. Растворяя восстановленный элемент или образуя с ним химическое соединение, железо уменьшает его активность и препятствует обратной реакции - окисления. Кроме того, температура плавления сплава с железом ниже температуры плавления самого легирующего элемента (М.А. Рысс. Производство ферросплавов. М.: Металлургия, 1985, 344 с.).

Как известно, в машиностроительном производстве, благодаря высокой технологичности и способности обеспечивать качественные сварные швы, широкое применение нашли сварочные электроды с защитными покрытиями рутилового типа. Основным компонентом защитных покрытий в этих электродах является рутиловый концентрат, содержащий 94-95% двуокиси титана TiO₂. В ряде случаев для снижения стоимости электродов этот компонент заменяется ильменитом, содержание двуокиси титана в котором не превышает 60-62%. При этом осуществляется и соответствующая корректировка состава защитного покрытия ("Автоматическая сварка", 1997, N 11, стр. 46-50).

Известно также, что в состав защитных покрытий некоторых марок электродов вводят дополнительно 40-60% железного порошка (ГОСТ 9466-75). Такие электроды имеют большую толщину защитного покрытия (коэффициент массы покрытия составляет 120-180%) и обеспечивают повышенную производительность сварочных работ. (Н.Н. Потапов, Д.Н. Баранов, О.С. Каковкин и др. Сварочные материалы для дуговой сварки. Справочное пособие в 2-х т., т. 2: Сварочные проволоки и электроды, 1993, 764 с.). Однако дополнительное введение в состав шихты железного порошка усложняет технологический процесс изготовления таких электродов и приводит к снижению экономических показателей производства, не ликвидируя в то же время отрицательного воздействия имеющихся окислов железа.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому эффекту является способ получения обогащенного ильменита путем восстановительного обжига концентрата или сочетания окислительного обжига с последующим восстановлением водородом или природным газом. В результате образуется смесь двуокиси титана и железного порошка с тесной связью частиц. Последующей электромагнитной сепарацией и выщелачиванием соляной кислотой осуществляется удаление железных частиц и получение чистой двуокиси титана, используемой в качестве компонентов электродных покрытий (Металлургия редких металлов. Зеликман А.Н. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1986, 440 с).

Задачей настоящего изобретения является получение в едином технологическом цикле высококачественного обогащенного ильменита, используемого в качестве составного компонента электродного покрытия, имеющего повышенное содержание двуокиси титана (рутила) в сочетании с железным порошком и требуемым легирующим компонентом в виде соответствующего ферросплава, карбида или комплексного карбида типа (Fe,Me)_xC_y.

Технический результат достигается тем, что в известный ильменит перед использованием в качестве составного компонента электродного покрытия добавляется в расчетном количестве требуемый легирующий компонент в виде оксида. Полученная смесь после окислительного отжига при температуре 900-1000^oC подвергается комплексному восстановлению-карбидизации в едином цикле в контролируемой газовой атмосфере, содержащей одновременно газ-восстановитель (например, водород H₂) и углеродсодержащий компонент (например, природный газ CH₄) при температуре 750-1100^oC, при этом удельный расход активного углерода на 1 кг обогащаемого ильменита составляет 0,15 - 0,30 кг, а водорода 0,10 - 0,35 м³. Полученный материал наряду с двуокисью титана (TiO₂) содержит и требуемое количество легирующей добавки.

Способ осуществляется следующим образом. В исходный ильменит в требуемом для данного конкретного случая количестве добавляется окись необходимого легирующего элемента (вольфрама, молибдена, никеля, ванадия, марганца, титана, хрома) и полученная смесь дополнительно перемешивается в течение 0,5-1,0 часа в смесителе (аттриторе, шаровой мельнице). После выгрузки усредненная смесь загружается в керамические поддоны или поддоны из нержавеющей стали, помещается в термическую печь, нагретую до температуры 900-1000^oC, и выдерживается в течение 2-6 часов в окислительной воздушной атмосфере. После извлечения из печи и охлаждения окисленный комплексный концентрат загружается в металлический муфель, который после герметизации и продувки защитным газом помещается в шахтную термическую печь, нагретую до температуры 750-1100^oC. В муфель подается комбинированная контролируемая атмосфера, содержащая газ-восстановитель (например, водород H₂) и углеродсодержащий компонент (например, природный газ CH₄), при этом удельный расход активного углерода на 1 кг обогащаемого ильменита составляет 0,15 - 0,30 кг, а водорода 0,10 - 0,35 м³.

На стадии окислительного отжига происходит доокисление ильменита с образованием окисла железа типа Fe₂O₃. Так как в смеси с ильменитом находится легирующий элемент (или несколько легирующих элементов) в виде оксида, то одновременно происходит и образование комплексного оксида типа "железо - легирующий элемент" ("железо - легирующие элементы"). Последующая стадия восстановления-карбидизации приводит к восстановлению комплексного окисла железа до соответствующего чистого ферросплава (железо-вольфрам, железо-ванадий, железо-марганец и т.д.) или соответствующего моно- или комплексного карбида.

Снижение температуры ниже 750^oC замедляет скорость восстановления полученных оксидов до чистого ферросплава или карбида и может привести к сохранению в порошковой смеси некоторой доли оксида, что ухудшает технологические свойства сварного шва. При использовании температуры выше 1100^oC значительно ухудшается управляемость процессом восстановления-карбидизации, повышаются энергозатраты, усложняется применяемое печное оборудование, не способствуя в то же время улучшению качества продукции.

При удельном расходе углерода менее 0,15 кг/кг и водорода менее 0,10 м³/кг не достигается полное восстановление соответствующих оксидов в исходном продукте. При удельном расходе углерода выше 0,30 кг/кг помимо образования комплексных карбидов образуется избыточный свободный (сажистый) углерод, который ухудшает технологические свойства свариваемых материалов. Повышение удельного расхода водорода свыше 0,35 м³/кг не несет технологической нагрузки и приводит лишь к его перерасходу, ухудшая экономические показатели производства.

Осуществление предлагаемой технологии позволяет повысить на 10-15% относительное содержание двуокиси титана в ильмените при одновременном присутствии в смеси специальных легирующих добавок, а также повышенное относительное количество чистого железа (или карбида железа) в отличие от исходного ильменита, содержащего окислы железа, что существенно повышает качество защитных электродных покрытий и получаемого сварного шва. Образующаяся механическая смесь двуокиси титана (рутила) и специальных лигатур при повышенном содержании железа способствует повышению коэффициента наплавки. Кроме того, присутствие легирующих элементов и железа в форме карбида из-за более высокой температуры плавления приводит к снижению их расхода, способствуя меньшему выгоранию при сварке и придавая, при необходимости, в контакте с контролируемой атмосферой специальные свойства металлу сварного шва.

Формула изобретения

Способ получения обогащенного ильменита, содержащего двуокись титана и железный порошок, путем окислительного отжига в кислородсодержащей газовой среде при температуре 900 - 1000^oC и последующего восстановления в атмосфере водорода или природного газа, отличающийся тем, что перед окислительным отжигом в исходный ильменит добавляют в расчетном количестве требуемый легирующий компонент в виде оксида, а восстановление осуществляют в едином цикле с карбидизацией в контролируемой газовой атмосфере, содержащей одновременно водород и природный газ при температуре 750 - 1100^oC, при этом удельный расход активного углерода на 1 кг обогащаемого ильменита составляет 0,15 - 0,30 кг, водорода 0,10 - 0,35 м³.