Шихта для алюминотермического получения лигатур с низким содержанием примесей

Изобретение относится к области металлургии редких металлов и сплавов, в частности к составам шихты для получения лигатур тугоплавких металлов, преимущественно металлов IV-VI групп, используемых для легирования титановых сплавов. Техническим результатом изобретения является обеспечение условия разделения капель восстановленного металла от шлака и их коалесценция и возможность рафинирования металла от высокотемпературных алюминатных соединений. Для этого шихта для алюминотермического получения лигатур с низким содержанием примесей содержит оксиды тугоплавких металлов, восстановитель, флюсующие и балластные добавки. При этом она дополнительно содержит хлораты щелочных металлов в количестве 7-9% мас. в пересчете на суммарную массу металлотермической шихты. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии редких металлов и сплавов, в частности к получению лигатур тугоплавких металлов, преимущественно металлов IV-VI групп, используемых для легирования титановых сплавов.

Наиболее широкое распространение среди металлотермических процессов получения чистых металлов, ферросплавов и лигатур на основе V, Мо, W, Cr, Zr, Ti, Та, Nb получила алюминотермия.

Основное условие самопроизвольного протекания этой реакции - более высокая термодинамическая прочность окисла Al по сравнению с окислами восстанавливаемых металлов, а тепловой эффект восстановления превышает то количество тепла, которое необходимо для расплавления продуктов реакции, нагрева жидкого расплава до требуемой температуры и компенсации тепловых потерь от начала до окончания процесса формирования слитка.

Известна шихта для получения лигатур на основе тугоплавких металлов алюминотермическим методом, содержащая высшие окислы тугоплавких металлов, например трехокись молибдена, алюминиевый порошок и флюсующие добавки - СаО и CaF₂. (Алюминотермия. Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л. и др. М., «Металлургия», 1978, с.331, 395-398).

Недостатком известной шихты является наличие в ней мелкодисперсных фракций высших окислов тугоплавких металлов с высокой теплотой восстановления и алюминиевого порошка, что приводит к интенсивному горению шихты, в результате которого возрастают выбросы и пылеунос. Это делает процесс восстановления взрывоопасным и уменьшает извлечение полезных компонентов.

Для поглощения избыточного тепла можно использовать большее количество флюсующей добавки СаО. Однако избыточное количество СаО ухудшает разделение шлаковой и металлической фаз, увеличивает потери ценных компонентов, которые переходят в шлак. Следует также учитывать, что основными источниками загрязнения являются флюсующие добавки и образующийся шлак.

Известна шихта для получения лигатур на основе тугоплавких металлов, содержащая высшие оксиды тугоплавких металлов, алюминиевый порошок и флюсующие добавки оксида и фторида кальция, дополнительно содержит низшие оксиды тугоплавких металлов и балластные добавки в виде оборотных отходов лигатур и/или титанового порошка (губки) (Патент РФ №2246551, публ. 2005.02.20, МПК С22С 35/00) - прототип. В качестве низших оксидов тугоплавких металлов используют трехокись ванадия и/или двуокись молибдена.

Введение в состав шихты отходов оборотной лигатуры и низших оксидов тугоплавких металлов, имеющих более низкие значения теплоты восстановления, позволяет вести процесс при достаточной температуре, исключающей перегревы и выбросы, обеспечивающей качественное разделение металла и шлака и снижающей потери ценных металлов в шлак.

В результате использования такой шихты улучшается качество поверхности выплавляемых слитков лигатуры, уменьшаются потери металла при механической обработке этих слитков.

Введение в состав шихты низших оксидов и отходов соответствующих лигатур определяется оптимальной теплотой протекания процесса восстановления.

Получение лигатур для легирования сплавов на основе титана требует содержания в них минимального количества таких примесей, как О₂, С, N₂, S, Р, As, В. Данный состав шихты не предусматривает механизма снижения содержания большинства указанных примесей в лигатуре.

Кроме того:

- в ходе алюминотермического процесса образуются шлаки, содержащие высокотемпературные алюминатные соединения, которые переходят в твердое состояние раньше, чем восстановленный металл или его сплав (в лигатурах возможно появление чистого Al₂O₃ и соединений типа МеО·Al₂O₃, в которых Me представляет восстанавливаемый металл или, особенно, элементы щелочных земель, какими являются Mg и Са. Далее в более низких концентрациях встречаются фазы, содержащие Si, Fe и т.д.);

- получение лигатур с низким содержанием О₂≤0,10% возможно только при наличии в лигатуре более 20% Al, однако во многих случаях требуются лигатуры с содержанием Al<15-20%.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение качества лигатур, изготавливаемых на основе тугоплавких металлов, за счет снижения вредных примесей получаемых лигатур и увеличения процента извлекаемых из шихты ценных компонентов.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении данного изобретения, является модификация химического состава шихты таким образом, чтобы были обеспечены условия разделения капель восстановленного металла от шлака и их коалесценция и появилась возможность рафинирования металла от высокотемпературных алюминатных соединений.

Указанный технический результат достигается тем, что шихта для алюминотермического получения лигатур с низким содержанием примесей, содержащая оксиды тугоплавких металлов, восстановитель, флюсующие и балластные добавки, дополнительно содержит хлораты щелочных металлов в количестве 7-9% мас. в пересчете на суммарную массу металлотермической шихты.

Отличие данного изобретения заключается в том, что в шихту дополнительно вводят хлораты щелочных металлов, диссоциирующие в процессе нагрева на кислород и хлориды, которые испаряются при температуре алюминотермической плавки и способствуют всплытию высокотемпературных алюминатных соединений и переходу в шлак значительной части таких примесей, как С, N₂, S, P, As, В. Оптимальным является, когда хлораты добавляются в объеме 7-9% мас. в пересчете на суммарную массу металлотермической шихты. В случае увеличения содержания хлоратов больше, чем 9% мас. в пересчете на суммарную массу металлотермической шихты за счет выделения атомарного кислорода резко интенсифицируется скорость протекания процесса с пиковым выделением теплоты, при этом возможны выбросы. При величине менее 7% мас. снижается качество рафинирования лигатуры.

При необходимости в шихту вводятся балластные добавки, которые могут составлять 0-18% мас. в пересчете на суммарную массу металлотермической шихты. Добавки позволяют обеспечить устойчивый процесс горения, аккумулируя излишки тепловой энергии, появляющиеся при взаимодействии продуктов разложения хлоратов щелочных металлов с другими компонентами шихты.

Пример 1.

Для приготовления шихты использовали следующие компоненты: пятиокись ванадия (V₂О₅), трехокись ванадия (V₂О₃), алюминиевый порошок АПЖ, балластные добавки в виде возвратных отходов ВнАл-1 (Al-V), оксид кальция (СаО), фторид кальция (CaF₂) и хлорат калия (KClO₃). После взвешивания взятых в нижеприведенных количествах компонентов (табл.1) их смешивали в биконическом смесителе. Приготовленную смесь засыпали в медный реакционный тигель, уплотняли, засыпали сверху инициирующую смесь (KMnO₄+Al), устанавливали электрозапал и поджигали. Продукт плавки после сплавления извлекали из тигля.

Полученную шихту использовали для получения лигатуры Al-V. Вес полученного слитка лигатуры - 150,0 кг.

Компоненты шихты, их количество и полученная лигатура приведены в таблице 1.

Таблица 1
Состав шихты	Количество, % мас.	Лигатура Al-V	Количество, % мас
V2О5	22	Ванадий	71,0
V2О3	21	Хром	0,1
Al (АПЖ)	30	Железо	≤0,4
СаО	3,8	Кремний	≤0,3
CaF2	0,3	Кислород	≤0,05
Крошка		Азот	≤0,06
лигатуры A1-V	15,6	Углерод	≤0,03
KClO3	7,3	Алюминий	остальное

Пример 2.

По аналогии с примером 1 была изготовлена шихта, для приготовления которой использовали: двуокись молибдена (MoO₂), алюминиевый порошок АПЖ, балластные добавки в виде лигатуры Al-Mo, оксид кальция (СаО), фторид кальция (CaF₂) и хлорат калия (KClO₃). Полученная шихта используется для получения лигатуры Al-Mo (ТУ 1710-031-250879-82).

Количество компонентов шихты и полученная лигатура приведены в таблице 2.

Таблица 2
Состав шихты	Количество, вес.%	Лигатура Al-Mo	Количество, вес.%
MoO2	46	Молибден	55,0
Al(АПЖ)	43	Железо	≤0,3
СаО	0,05	Кремний	≤0,3
CaF2	0,07	Кислород	≤0,05
Крошка		Азот	≤0,06
лигатуры Al-Mo	2,0	Углерод	≤0,03
KClO3	7,0	Алюминий	остальное

Пример 3.

По аналогии с примером 1 была изготовлена шихта, для приготовления которой использовали двуокись молибдена (MoO₂), трехокись молибдена (МоО₃), окись циркония (ZrO₂) алюминиевый порошок АПЖ, балластные добавки в виде лигатуры АЦМ, оксид кальция (СаО), фторид кальция (CaF₂) и хлорат калия (KClO₃). Полученная шихта используется для получения лигатуры АЦМ (алюминий-цирконий-молибден).

Количество компонентов шихты и полученная лигатура приведены в таблице 3.

Таблица 3
Состав шихты	Количество, % мас.	Лигатура Al-V	Количество, % мас.
МоО2	13,5	Молибден	43,5
МоО3	15,0	Цирконий	24,5
ZrO2	27,0	Железо	≤0,4
Al (АПЖ)	32,0	Кремний	≤0,5
СаО	0,4	Кислород	≤0,02
CaF2	1,2	Азот	≤0,03
Крошка лигатуры	2,4	Медь	≤0,2
АЦМ	Алюминий	остальное
KClO3	8,5

Использование в составе шихты хлоратов щелочных металлов для производства лигатур на основе тугоплавких металлов позволяет эффективно очищать их от вредных примесей. Концентрация примесей в лигатуре сокращается на 18-70% (статистические данные).

1. Шихта для алюминотермического получения лигатур с низким содержанием примесей, содержащая оксиды тугоплавких металлов, восстановитель, флюсующие и балластные добавки, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит хлораты щелочных металлов в количестве 7-9 мас.% в пересчете на суммарную массу металлотермической шихты.

2. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что балластные добавки составляют 0-18 мас.% в пересчете на суммарную массу металлотермической шихты.