CC BY
78
УДК 669.187.56.002
ВЛИЯНИЕ КОЛИЧЕСТВА И ДИСПЕРСНОСТИ АЛЮМИНИЯ НА СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ СИСТЕМЫ FeTiO3-Al
Д. А. КАЗАРИН, Н. П. ВОЛКОТРУБ, М. И. ПРИЛУЦКИЙ
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»
Введение
Алюминотермические ферросплавы и лигатуры применяются для легирования как качественных сталей, так и сплавов на титановой, никелевой, кобальтовой и других основах [1].
Одним из наиболее распространенных и технологически эффективных алюмино-термических ферросплавов является ферротитан, который применяется для легирования высокопрочных и коррозионностойких сталей [2].
Основным сырьем для получения ферротитана является ильменитовый концентрат ^еТЮ3). В качестве восстановителя, как правило, используют алюминий [3]-[6], реже - углерод [7].
Для повышения термичности в шихту наряду с ильменитом и алюминием добавляют железную руду и так называемые «подогревающие добавки». Чтобы снизить температуру самовоспламенения шихты, используют различные катализаторы [2]. А для повышения извлечения титана и разжижения шлака - ферросилиций и известь, соответственно.
Скорость горения шихты является одним из определяющих параметров, влияющих на показатели (выход сплава, извлечение металла) алюминотермического процесса. Исследование скорости реакций восстановления, определяющих ее факторов, изыскание способов надежного ее регулирования является важнейшей проблемой металлотермии, в частности, алюминотермии.
Необходимым средством управления скоростью металлотермических реакций является, как известно, регулирование крупности компонентов реакционной смеси, состава и плотности смеси, температуры процесса и содержания в смеси разного рода добавок, ускоряющих или стабилизирующих процесс [1], [8].
В представленной работе исследовалась двухкомпонентная смесь ильменит-алюминий. Недостающую часть тепла (в виду отсутствия в шихте железной руды и «подогревающих добавок») компенсировали за счет нагрева смеси в селитовой печи типа ТТТП-1, мощностью 4 кВт. Нагрев всех образцов проводили до одинаковой температуры.
Целью данной работы было определение скорости горения системы FeTiO3-Al и влияние на скорость таких факторов, как количество алюминия и его крупность.
Основная часть
Для оценки скорости восстановления оксидов алюминием могут быть использованы различные выражения, характеризующие скорость протекания реакций в конденсированных фазах [9].
В данной работе использовалась линейная скорость (щ, мм/с) горения экзотермических составов, определяемая как отношение высоты столба шихты к времени
горения состава. Метод измерения линейной скорости заключается в следующем: фиксируется время от запала шихты до начала резкого отклонения в показании термопары, установленной на дне тигля, и не требует сложных расчетов:
ий = к / т, мм/с, (1)
где к - высота столба шихты, мм; т - время горения, с.
Схематически установка для определения линейной скорости горения изображена на рис. 1.
Рис. 1. Схема установки для определения линейной скорости горения экзотермических смесей: 1 - стальной кожух; 2 - футеровка; 3 - запальная смесь; 4 - тигель; 5 - термопара; 6 - шихта; 7 - милливольтметр; 8 - сварочный трансформатор; 9 - электроды
Искра, зажигаемая между электродами 9, инициирует воспламенение запальной смеси 3 (магниевая стружка или смесь алюминиевого порошка и железной руды), что приводит к началу алюминотермической реакции. Можно использовать и другие способы поджога: нитью накала, паяльной лампой и т. д.
В качестве титансодержащего сырья использовали ильменитовый концентрат Вольногорского ГОК с содержанием ТЮ2 не менее 63,3 % (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав ильменитового концентрата
ТЮ2 Л^э SiO2 Влага
не меньше не более не более не более
63,3 3 1,7 0,26
Дисперсность концентрата 100-300 мкм.
В роли восстановителя применяли алюминиевую крупку (фракция - 400-500 мкм) и алюминиевый порошок ПА-4 (ГОСТ 6058-73). При составлении навесок шихты учитывали коэффициент активности алюминия.
Эксперименты проводили в обожженных алундовых тиглях.
Для определения скорости горения и ее пределов для системы FeTiO3-Al готовились образцы с разным содержанием алюминия от 0 до 170 % от стехиометриче-ского соотношения. Данные проведенных экспериментов представлены в табл. 2. Здесь же даны результаты по определению содержания титана и алюминия в полученном сплаве.
Химический состав полученного металла определяли методом неразрушающего энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа (ЭДРФА) на мультиэле-ментном экспресс-анализаторе Expert 3L.
Для более точной оценки влияния добавки алюминия на скорость горения высоту столба шихты поддерживали на одном уровне. По мере повышения количества алюминия увеличивается и общий объем шихты. Взвешенную и тщательно перемешанную шихту засыпали в мерный стакан ^стакана = dTOim). Исходной высотой столба шихты была принята высота, соответствующая стехиометрическому соотношению компонентов. Излишек последующих навесок смеси отсыпали.
Таблица 2
Зависимость скорости горения и содержания титана в системе FeTiO3-Al от количества алюминия
Номер плавки Ильменит, г Al, г Избыток Al, % от стехио-метрически необходимого h " шихты 9 мм т, с ^Ме, г Ti, % мас. Al, % мас. Uh, мм/с ^тигля, мм h, "тиглям мм
10 100 41 0 55-56 7,97 20 30,85 1,21 6,9 48 87
11 100 49,2 20 55-56 7,40 24 38,32 3,44 7,43 48 87
12 100 61,5 50 55-56 10,46 23 42,59 5,64 5,26 48 87
13 100 82 100 55-56 11,05 31 43,02 7,58 4,98 48 87
13,1 100 94,3 130 55-56 14,4 32 43,24 8,13 3,82 48 87
13,2 100 110,7 170 55-56 18,84 - 43,57 9,43 2,92 48 87
Алюминиевая крупка - размер зерен 400-500 мкм.
Исходя из данных табл. 2, можно сделать вывод о том, что скорость горения данной системы с увеличением навески алюминия падает с 6,9 мм/с при стехиометриче-ском соотношении компонентов до 2,92 мм/с - при избытке алюминия 170 %. Обращает на себя внимание рост скорости горения при 20%-м избытке восстановителя. При этом наблюдается повышение содержания титана в металле почти на 10 % (с 30,85 до 38,32 % мас.).
Низкий выход металла во всех экспериментальных плавках связан с отсутствием в шихте извести либо других флюсующих элементов, снижающих вязкость тугоплавкого глинозема. Вследствие чего металл не успевает коалесцировать в каплю достаточного для осаждения на дно размера, а запутывается в шлаке. На рис. 2 показан поперечный разрез остывших продуктов плавки № 11.
Видно, что большая часть металла находится на дне тигля в виде крупных включений, с четкой границей раздела фаз. Несмотря на то что эти включения не образуют плотного металла, а все же находятся в шлаковой фазе, и учитывая отсутствие флюсующих, можно с большой долей вероятности утверждать, что вариант шихты с 10-20%-м избытком восстановителя является наиболее благоприятными для формирования плотного слитка ферротитана.
По мере увеличения количества алюминия наблюдается закономерное повышение его содержания в металле; при этом масса полученного металла увеличивается. Но
следует отметить, что при количестве алюминия от 100 до 170 % выше стехиометри-ческого скорость горения приобретает спокойный характер, а продукты плавки представляют собой спек без четкого фазораспределения. Поэтому масса металла этих плавок представляет собой сумму масс отдельных корольков, запутавшихся в шлаке.
Рис. 2. Поперечный разрез продуктов плавки системы ильменит-алюминий
Наряду с повышением содержания алюминия в металле, увеличивается также и содержание титана. Но практический интерес представляют лишь варианты плавок № 10 и 11, так как дальнейшее увеличение количества восстановителя хоть и ведет к повышению содержания титана в металле, но сопровождается повышением содержания алюминия и в ряде случаев препятствует образованию нормального слитка металла, а также влечет дополнительные финансовые затраты.
Графически изменение скорости горения системы ильменит-алюминий, а также изменение массы полученного металла в зависимости от количества восстановителя (размер зерен восстановителя 400-500 мкм) представлено на рис. 3.
Избыток алюминия, %, от теоретически необходимого
Рис. 3. Влияние количества алюминия на скорость горения системы FeTiOз-Al: 1 - скорость горения; 2 - масса металла
При использовании алюминиевого порошка, размер частиц которого приблизительно равен размеру частиц концентрата (табл. 3), скорость горения увеличивается (8,55 мм/с при 20%-м избытке алюминия против 7,43 мм/с в случае применения алюминиевой крупки дисперсностью 400-500 мкм, при том же избытке восстановителя). Наряду с увеличением скорости горения, также увеличивается и температура процесса, что в некоторых плавках приводило к растрескиванию тигля.
Следует отметить увеличение извлечения титана: плавки № 14-16 сравнительно с плавками № 10-12. Однако содержание алюминия в металле также заметно возрастает в сравнении с плавками на более крупном алюминии.
