Ферротитан

Свойства титана

В производстве стали титан приме­няют как раскислитель и легирующий элемент, а также используют для связывания растворенного азота в проч­ные нитриды. Титан имеет следующие физико-химиче­ские свойства: атомная масса 47,9; плотность 4,5 г/см³; валентности 2,3 и 4; температура плавления 1668° С.

С железом титан образует два соединения (TiFe₂ и TiFe) с углеродом — прочный карбид TiC с температу­рой плавления 3177° С, а с кремнием — ряд силицидов, из которых наиболее прочным является Ti₅Si₃ с темпера­турой плавления 2120° С. Известны соединения титана с алюминием (TiAl и TiAl₃). С кислородом титан образу­ет ряд оксидов: TiO₂, Ti₂O₃, TiO и др. Температура плав­ления этих оксидов соответственно составляет 1950, 2130 и 2020° С.

Титан при производстве стали применяют в виде фер­ротитана, состав которого представлен в табл. 19.

Сырье для производства ферротитана

Титан широко распространен в природе и входит в состав разнообраз­ных минералов. Ти­тановый концентрат I сорта, используемый для произ­водства ферротитана, должен содержать >42% TiO₂, 2O₃, 2 и

В железотермитном осадителе используют богатую малофосфористую руду (97% Fe₂O₃) крупностью не бо­лее 3 мм. Руду просушивают для удаления влаги.

Технология получения ферротитана

Наиболее рас­пространенным методом получения ферротитана являет­ся алюминотермический процесс. Восстановление окси­дов шихты алюминием сопровождается выделением сле­дующего количества тепла, кДж/к (ккал/кг): TiO₂ 2500 (596); SiO₂ 4080 (973); FeO 4015 (956); Fe₂O₃ 5360 (1280).

Для нормального протекания алюминотермического процесса производства ферротитана необходимая удель­ная теплота процесса должна составлять 2560—2600 кДж/кг (610—620 ккал/кг), что достигается подбором соответствующего состава шихты и её нагревом; нагрев повышает удельную теплоту процесса приблизительно на 125 кДж/кг (30 ккал/кг) на каждые 100° С подогрева. В процессе производства ферротитана происходит растворение титана в железе и образование соединений ти­тана с алюминием и кремнием, что способствует развитию реакции восстановления и увеличивает переход ти­тана в сплав.

В связи с образованием прочного силицида титана Ti₅Si₃ значительное повышение извлечения титана и уменьшение остаточного содержания алюминия в сплаве достигаются введением в шихту 45—75%-ного ферросилиция при повышении содержания кремния в сплаве до 5—5,5%.

Оксид титана TiO₂, являясь довольно сильным осно­ванием, может образовывать соединение с глиноземом, что снижает использование титана. Чтобы воспрепятствовать этому процессу, вводят в шихту CaO, замещаю­щий TiO₂ в его соединениях с глиноземом. Это повыша­ет восстановление титана, но одновременно понижает температуру процесса и, как следствие, увеличивает по­тери корольков сплава в шлаке. Оптимальное количество извести составляет ~20% от массы алюминия.

Шихту для выплавки ферротитана рассчитывают из условий, что в сплав переходит 77% Ti; 90% Si; 99% Fe; 90% Mn; 70% S; в шлак переходит 23% Ti (из них 11,5% в виде TiO и 11,5% в виде Ti₂O₃); 10% Si; 1,0% Fe; 10% Mn; 100% Zn и 30% S испаряется.

При выплавке ферротитана тепло экзотермических реакций распределяется следующим образом — на сплав приходится 29,2%, на шлак 52,5%, тепловые потери 18,3%. Температура процесса равна 1950° С.

Подготовленные к плавке шихтовые материалы дози­руют, смешивают, и затем шихту засыпают в плавильный бункер, откуда подают в плавильную шихту шнековым питателем. Плавильная шахта состоит из разборной цилиндрической чугунной шахты, установленной на футе­рованной огнеупорным кирпичом тележке, на которой за­тем наплавляется постоянная подина, представляющая собой блок 10—15%-ного ферротитана. Состав колоши шихты: 100 кг концентрата, 42,5—45,4 кг алюминиевого порошка, 10,5 кг извести и 0,95—1,85 кг 75%-ного ферросилиция. На плавку даются 38 колош. Плавку ферро­титана проводят с нижним запалом. На подину загружа­ют 50 кг шихты, которую поджигают электрозапалом. После начала реакции в шахту равномерно задают шихту.

Нормальная продолжительность плавки на 4 т кон­центрата составляет 15—18 мин. Замедленный ход плав­ки может быть вызван низкой удельной теплотой про­цесса, недостатком восстановителя или недостаточным нагревом шихтовых материалов. Бурный ход плавки в основном вызывается присутствием повышенного количества влаги в шихте или футеровке.

По окончании плавки на поверхность расплава за­дают железо-термитную смесь, состоящую из 300 кг же­лезной руды, 56—57 кг алюминиевого порошка, 18—20 кг ферросилиция и 100 кг извести. Шлак при этом разжи­жается, что обеспечивает более полное осаждение ко­рольков ферротитана. Эффективным методом осаждения корольков является и электроподогрев шлака.

При использовании в шихте отходов металлического титана их нагревают до 300—400° С и загружают под запальную смесь с таким расчетом, чтобы образующий­ся при ее проплавлении шлак закрывал их и предохра­нял от окисления воздухом.

Переплав титановых отходов позволяет повысить со­держание титана в сплаве до 35—40%, снизить расход алюминия на 50—80 кг и концентрата на 100—200 кг на 1 т сплава. Метод переплава титановых отходов позволяет получать также лигатуры (хромтитан, ванадийалюминийтитан и др.) для легирования титановых сплавов и высоколегированных сталей.

После застывания блока сплав очищают от шлака, охлаждают водой, затем производят разделку сплава. В среднем шлаки алюминотермической плавки ферроти­тана содержат: 11,7—13,3% TiO₂; до 0,5% SiO₂: 10— 14% CaO; 3—4% MgO; 0,8—2% FeO и 70—74% Al₂O₃. Кратность шлака составляет 1,3. Отвальный шлак восстановительной плавкой может быть переработан на по­лупродукт для производства синтетических шлаков или на клинкер для изготовления высокоглиноземистого це­мента.

Для выплавки 1 т ферротитана (20% Ti) необходимо 880 кг ильменитового концентрата (42% TiO₂), 370 кг алюминия, 25 кг 75%-кого ферросилиция, 170 кг желез­ной руды, 750 кг титановых отходов и 110 кг извести. С учетом потерь при обжиге сквозное использование ти­тана составляет около 65%.

Высокопроцентный ферротитан марок Тив и Тив1 производится путем сплавления титанового и стального лома в индукционных печах.