Гл а в а 8. ПРОИЗВОДСТВО ФЕРРОТИТАНА

Ферротитан различных марок в соответствии с отечественны­ми стандартами содержит 20-40% Ti, <0,2% С, 1-12% Si, < 3 % Си, от 6 до 18—25 % Al. Медь, алюминий и кремний — нежелательные, но неизбежные примеси. (Кроме того стан­дартом предусмотрены сплавы, содержащие 65—78% Ti, кото­рые в отличие от остальных получают сплавлением титановых отходов или титановой губки со стальным ломом в индук­ционных печах.)

Ферротитан с 20—40% Ti выплавляют в основном алюмино-термическим процессом, восстанавливая алюминием основные составляющие сплава — титан и железо из оксидов концент­рата титаномагнетитовых руд (ильменитового концентрата).

Восстановление протекает по следующим экзотермическим реакциям:

ТЮ₂ + 4/ЗА1 = Ti + 2/3Al₂0₂ + 197400 Дж;

2FeO + 4/ЗА1 = 2Fe + 2/ЗА1₂О_э + 575400 Дж;

2/3Fe₂0₃ + 4/3A1 = 4/3Fe + 2/ЗА1₂О_э + 567000 Дж.

Выделяющееся тепло позволяет вести процесс вне печи — в футерованной шахте (горне). При взаимодействии Fe₂0₃ и FeO с алюминием на единицу массы шихты выделяется значи­тельно больше тепла, чем для Ti0₂, а именно 4108кДж/кг для Fe₂0₃ и 3289кДж/кг для FeO против 1701 кДж/кг для Ti0₂. Поэтому добавка оксидов железа к шихте ведет к уве­личению прихода тепла в процессе ее восстановления.

Расчет показывает, что удельная теплота реакций вос­становления оксидов ильменитового концентрата не обеспе­чивает температуры 1900-1950 °С, необходимой для расплав­ления образующихся металла и шлака, осаждения корольков металла и покрытия тепловых потерь. Включение в состав шихты около 8 % железной руды и подогрев всех шихтовых материалов до 200 °С обеспечивают выделение необходимого количества тепла.

Шихта

Шихту составляют из ильменитового концентрата, железной руды, алюминия, извести и ферросилиция. Ильменитовый кон­центрат, содержащий 40-42% TiO_z и 50-55% (FeO + Fe₂0₃), выделяют из титаномагнетитовой руды методом магнитной се­парации. Для удаления серы концентрат подвергают окисли­тельному обжигу при 1000—1150 °С.

В качестве восстановителя используют алюминий в виде крупки с зернами менее 2 мм. Чаще всего применяют вторич­ный алюминий, более дешевый, но содержащий примеси цвет­ных металлов, которые в основном переходят з сплав.

Железную руду, как отмечалось, добавляют для увеличе­ния прихода тепла. Применяют малофосфористую богатую (97% Fe₂0₃) руду с размером частиц <3 мм. Известь применяют свежеобожженную с содержанием СаО > 90 % и крупностью ме­нее 3 мм. Известь добавляют для обеспечения более полного восстановления титана; СаО извести высвобождает Ti0₂, вы­тесняя его из химических соединений с оксидом А1₂О_э, и тем самым облегчает восстановление Ti0₂. Молотый 75%-ный ферросилиций вводят в шихту в связи с тем, что, образуя с титаном силициды, кремний способствует более полному вос­становлению титана и снижает содержание алюминия в спла­ве. Компоненты шихты дозируют и смешивают перед загрузкой в плавильную шахту. Ильменитовый концентрат на смешение подают непосредственно после обжига с температурой 400— 450°С, что обеспечивает нагрев шихты на 150—250°С. Иногда в шихту вводят отходы титана и его сплавов (стружку, обрезь, куски), которые загружают на дно шахты.

Выплавка сплава

Плавильная шахта (горн) представляет собой разборный ци­линдрический чугунный кожух, футерованный магнезитохро-

Митовым кирпичом. Дозированную и перемешанную шихту пода­ют в расположенный над шахтой загрузочный (плавильный) бункер, а из него в шахту. На одну плавку расходуют 4—6 т ильменитового концентрата.

На дно шахты из бункера насыпают около ISO кг шихты и зажигают ее запальной смесью, состоящей из магниевой стружки и селитры. Смесь помещают в лунку в центре засы­панного слоя шихты и воспламеняют ее электрической искрой. От тепла сгорающей запальной смеси начинается экзотермический процесс восстановления сначала части ших­ты, находящейся рядом с лункой, а от нее затем зажигается шихта по всей шахте. Из бункера в шахту равномерно посту­пает остальная часть шихты. Проплавление навески, содер­жащей 5 т концентрата, длится 15—18 мин.

В течение этого времени из загружаемой шихты идет вос­становление железа и титана, последний растворяется в же­лезе. Тепло экзотермических реакций восстановления обес­печивает нагрев и плавление сплава и образующегося шлака, температура процесса составляет ~1950°С. Формирующиеся в объеме шахты капли сплава опускаются через слой шлака и накапливаются на дне шахты. Примерный состав шлака, %: ТЮ2 11-14, А12Оэ 70-74, СаО 10-14, MgO 3-4, FeO 0,8-2, Si02 <1.

Шлак, содержащий около 70% А12Оэ, является тугоплав­ким и густым. Поэтому по окончании плавки на поверхность шлака дают термитную осадительную смесь из железной руды, алюминиевого порошка, ферросилиция и извести. Под дейст­вием дополнительного тепла, выделяющегося при взаимодей­ствии оксидов руды и восстановителей, шлак разжижается и запутавшиеся в шлаке корольки ферротитана получают допол­нительную возможность осесть на дно, присоединиться к блоку металла.