RU2406767C1 - Procedure for metal-thermal metal and alloy melting - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention refers to metallurgy and can be used at production of metals and alloys by metal-thermal procedure, particularly, by "block" melting. The procedure consists in preparing charge, in loading charge into a container for melting and insulating it with a loose refractory layer and in initiating reaction process. Prepared massif of charge is prevented from scattering; charge with ignition mixture is loaded into the container for further melting. Also whole surface of fixed massif of charge is insulated with the loose refractory layer. On upper surface of charge massif the insulating layer has thickness of 80-150 % of charge massif height, on side surfaces - thickness of 50-100 % of width or diametre of charge massif and below the lower surface - thickness of 10-20 % of charge massif height, whereupon there is performed melting in the insulating layer.

EFFECT: simplification and reduction of cost of equipment at maintaining ecological and procedure efficiency; also, fumes and dust exhausts into atmosphere are prevented without implementation of special powder and gas collecting equipment.

1 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве металлов и сплавов металлотермическим способом, в частности плавкой «на блок».The invention relates to metallurgy and can be used in the production of metals and alloys by a metallothermic method, in particular by “per block” melting.

Известны способы металлотермической плавки путем восстановления металлов и неметаллов из их кислородных и иных соединений более активными элементами: Са, Mg, Al, Si и др. Известны способы получения технически чистых металлов и сплавов, в том числе ферросплавов, в электропечи или в реакторе (горне) путем алюминотермического или силикотермического восстановления оксидов металлов [Каблуковский А.Ф. Производство электростали и ферросплавов. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. - 511 с.]. Иногда для получения ферросплавов и лигатур используют добавки металлического лома. В металлургии широкое применение имеют алюминотермические внепечные способы получения плавкой «на блок» различных ферросплавов, лигатур, технически чистых металлов и других специальных сплавов, в частности феррованадия, феррониобия, феррохрома, ферровольфрама, ферромолибдена, металлического хрома, лигатур с A1, P3M, раскислителей и др. материалов [Лякишев Н.П. и др. Алюминотермия. - М.: Металлургия, 1978. - 327 с.].Known methods of metallothermal smelting by reducing metals and non-metals from their oxygen and other compounds with more active elements: Ca, Mg, Al, Si, etc. Known methods for producing technically pure metals and alloys, including ferroalloys, in an electric furnace or in a reactor (furnace ) by aluminothermic or silicothermic reduction of metal oxides [Kablukovsky AF Production of electric steel and ferroalloys. - M.: IKC "Akademkniga", 2003. - 511 p.]. Sometimes, scrap metal additives are used to obtain ferroalloys and alloys. In metallurgy, aluminothermic out-of-furnace methods are widely used for producing various ferroalloys, alloys, technically pure metals and other special alloys by melting on a block, in particular ferrovanadium, ferroniobium, ferrochrome, ferro-tungsten, ferromolybdenum, metallic chromium, ligatures with A1, P3M and deoxidized other materials [Lyakishev NP and others. Aluminothermy. - M.: Metallurgy, 1978. - 327 p.].

Внепечные способы осуществляют в плавильных футерованных горнах или тиглях преимущественно в открытой среде (на воздухе), в связи с чем имеют место потери дорогостоящего восстановителя на его взаимодействие с кислородом воздуха в зоне реакции, низкое извлечение восстанавливаемого металла в слиток, значительные пылегазовыделения, ухудшающие экологическую обстановку и условия труда в металлотермическом производстве. Кроме этого, при открытой плавке происходит насыщение готового продукта кислородом и азотом из воздуха, что ухудшает его качество.Out-of-furnace methods are carried out in melted lined furnaces or crucibles mainly in an open environment (in air), in connection with which there is a loss of an expensive reducing agent due to its interaction with atmospheric oxygen in the reaction zone, low recovery of the reduced metal in the ingot, significant dust and gas emissions that worsen the environmental situation and working conditions in metallothermal production. In addition, with open smelting, the finished product is saturated with oxygen and nitrogen from the air, which affects its quality.

Известны также закрытые способы металлотермической плавки «на блок» в герметичных камерах по различным технологическим схемам: под разрежением, в контролируемой атмосфере инертных газов или под давлением. Данные способы являются сравнительно новым направлением в технологии металлотермии и используются преимущественно для получения специальных сплавов и лигатур. При этом достигается существенное улучшение отдельных показателей процесса металлотермического восстановления в зависимости от применяемой технологической схемы [Дубровин А.С. Металлотермия специальных сплавов. - Челябинск, издательство ЮУрГУ, 2002., стр.125, 145].Also known are closed methods of metallothermal smelting "per block" in sealed chambers according to various technological schemes: under vacuum, in a controlled atmosphere of inert gases or under pressure. These methods are a relatively new direction in the technology of metallothermy and are used mainly for the production of special alloys and alloys. At the same time, a significant improvement of individual indicators of the metallothermal reduction process is achieved, depending on the technological scheme used [Dubrovin A.S. Metallothermy of special alloys. - Chelyabinsk, publishing house of SUSU, 2002., p.125, 145].

Недостатками электропечных способов, включающих алюминотермическое или силикотермическое восстановление оксидов металлов, являются использование дорогостоящего электропечного и дымопылеулавливающего или вакуумного оборудования, затраты на дорогостоящие футеровки и большой расход электроэнергии для выплавки. Недостатками внепечных способов плавки «на блок», включающих такое восстановление в футерованных реакторах (горнах), тоже являются использование дымопылеулавливающего или вакуумного оборудования, большие затраты на дорогостоящие футеровки или жароупорные тигли. При этом вакуум не оказывает заметного влияния на металлотермические реакции при получении FeCr, FeW, FeMo, FeTi, FeB и некоторых других сплавов [патент РФ №2269585, стр.3].The disadvantages of electric furnace methods, including aluminothermic or silicothermic reduction of metal oxides, are the use of expensive electric furnace and smoke and dust or vacuum equipment, the cost of expensive linings and high energy consumption for smelting. The disadvantages of out-of-furnace smelting methods "on a block", including such recovery in lined reactors (forges), are also the use of smoke and vacuum equipment, the high cost of expensive linings or heat-resistant crucibles. In this case, the vacuum does not have a noticeable effect on the metallothermal reactions upon receipt of FeCr, FeW, FeMo, FeTi, FeB and some other alloys [RF patent No. 2269585, p. 3].

Известен способ металлотермической плавки [патент РФ №2269585], который включает подготовку шихтовой смеси, засыпку ее в плавильный тигель реакционной камеры, создание разрежения в камере и инициирование процесса реакции. Плавку ведут одновременно под разрежением в камере и под пульсирующим давлением в плавильном пространстве тигля. Тигель футеруют или используют неметаллический тигель из жароупорного материала.A known method of metallothermal smelting [RF patent No. 2269585], which includes preparing the charge mixture, filling it into the melting crucible of the reaction chamber, creating a vacuum in the chamber and initiating the reaction process. Melting is carried out simultaneously under vacuum in the chamber and under pulsating pressure in the melting space of the crucible. The crucible is lined or a non-metallic crucible of refractory material is used.

Недостатком этого способа является повышенная стоимость и сложность оборудования для металлотермической плавки из-за использования вакуумной установки, специальной крышки для проведения технологического процесса и дорогостоящего жароупорного изнашиваемого тигля.The disadvantage of this method is the increased cost and complexity of the equipment for metallothermal smelting due to the use of a vacuum unit, a special cover for carrying out the process, and an expensive heat-resistant wear crucible.

За прототип выбран способ футерования реторт для получения металлов металлотермической восстановительной плавкой [патент РФ №2034058].For the prototype, a method of lining retorts for producing metals by metallothermal reduction smelting was selected [RF patent No. 2034058].

Способ включает приготовление порошка футеровки, установку цилиндрической съемной вставки на металлоприемник, засыпку в зазор между корпусом реторты и съемной вставкой порошка футеровки, загрузку внутрь вставки реакционной шихты и извлечение вставки из реторты. Вставку перед установкой в реторту обертывают бумагой и оставляют ее в реторте после извлечения вставки, а в качестве порошка футеровки используют предварительно измельченный спек, полученный от предыдущей восстановительной плавки. Стальную реторту с футеровкой и реакционной шихтой помещают в герметичную емкость из нержавеющей стали с внутренним диаметром 200 мм. Из реторты извлекают съемную вставку, при этом бумага остается в реторте. Емкость закрывают, вакуумируют, заполняют аргоном. Инициирование плавки проводят с помощью электрозапала.The method includes preparing the lining powder, installing a cylindrical removable insert on the metal receiver, filling the gap between the retort body and the removable lining powder insert, loading the reaction charge into the insert and removing the insert from the retort. Before installing the insert into the retort, the insert is wrapped with paper and left in the retort after removing the insert, and the pre-ground cake obtained from the previous reduction melting is used as the lining powder. A steel retort with a lining and a reaction charge is placed in a sealed stainless steel container with an inner diameter of 200 mm. A removable insert is removed from the retort, while the paper remains in the retort. The container is closed, vacuum, filled with argon. The initiation of melting is carried out using an electric valve.

Недостатком способа является повышенная стоимость и сложность оборудования для металлотермической плавки из-за использования герметичной емкости из нержавеющей стали, вакуумирования и заполнения емкости аргоном.The disadvantage of this method is the increased cost and complexity of the equipment for metallothermal smelting due to the use of a sealed stainless steel tank, evacuation and filling the tank with argon.

Задачей изобретения является удешевление и упрощение способа металлотермической плавки при сохранении экологической чистоты (отсутствия дымопылевыделений при плавке) и эффективности способа.The objective of the invention is to reduce the cost and simplification of the method of metallothermal smelting while maintaining environmental cleanliness (the absence of smoke emissions during melting) and the effectiveness of the method.

Предложен способ металлотермической плавки металлов и сплавов, включающий подготовку шихты, загрузку ее в емкость для проведения плавки с изолированием шихты сыпучим огнеупорным слоем, инициирование процесса реакции. Подготовленный массив шихты фиксируют от рассыпания и с запальной смесью загружают в емкость для проведения плавки. Сыпучим огнеупорным слоем изолируют всю поверхность фиксированного массива шихты: изолирующий слой на верхней поверхности массива шихты формируют толщиной 80-150% высоты массива шихты, на боковых поверхностях - толщиной 50-100% ширины или диаметра массива шихты, под нижней поверхностью - толщиной 10-20% высоты массива шихты. Выплавку проводят в изолирующем слое.A method for metallothermal smelting of metals and alloys is proposed, including preparing the charge, loading it into a tank for melting with insulating the mixture with a loose refractory layer, and initiating a reaction process. The prepared mixture of the charge is fixed from spilling and loaded with the ignition mixture into the tank for melting. A loose refractory layer isolates the entire surface of a fixed charge mass: the insulating layer on the upper surface of the charge mass is formed with a thickness of 80-150% of the height of the charge mass, on the side surfaces with a thickness of 50-100% of the width or diameter of the mass of the charge, under the lower surface with a thickness of 10-20 % of the height of the charge array. Smelting is carried out in an insulating layer.

Фиксированный от рассыпания массив шихтовой смеси изолируют от воздушной атмосферы массивным сыпучим огнеупорным слоем, состоящим из тугоплавких частиц. Изолирующий слой создают, например, засыпкой смеси кремнеземного и обычного огнеупорного песка (магнезитового, хромитового или др.) или измельченными тугоплавкими минералами, измельченными тугоплавкими отходами производств (например, измельченные тугоплавкие шлаки и т.д.).The mixture of the charge mixture, fixed from scattering, is isolated from the air atmosphere by a massive loose refractory layer consisting of refractory particles. The insulating layer is created, for example, by backfilling a mixture of silica and ordinary refractory sand (magnesite, chromite or others) or crushed refractory minerals, crushed refractory waste products (for example, crushed refractory slag, etc.).

Удешевление и упрощение способа происходит за счет устранения использования вакуумирования, инертного газа, дорогостоящей вакуумной установки, герметичной емкости из нержавеющей стали.The cost and simplification of the method is due to the elimination of the use of vacuum, inert gas, expensive vacuum systems, sealed stainless steel tanks.

Сохранение экологической чистоты способа происходит за счет использования изолирующего слоя, предотвращающего выбросы дыма и пыли в воздушную атмосферу. Это достигается подавлением образования летучих и пылевидных соединений за счет минимизации контакта расплавленной шихты с компонентами воздуха при изоляции, реагирующей шихтовой смеси от воздушной атмосферы.The environmental cleanliness of the method is maintained through the use of an insulating layer that prevents the emission of smoke and dust into the air. This is achieved by suppressing the formation of volatile and dusty compounds by minimizing the contact of the molten charge with the air components during isolation, reacting the charge mixture from the air atmosphere.

Сохранение эффективности способа выражается следующими факторами. В предлагаемом способе для создания давления в плавильном пространстве полезно используются газовыделения, образующиеся при металлотермической плавке, это давление также создает сыпучий массивный изолирующий слой. При плавке под давлением стимулируются скорость и полнота металлотермических реакций, образующих конденсированные фазы, и тормозятся реакции с образованием газообразных продуктов [патент РФ №2269585]. Давление в закрытом плавильном пространстве способствует увеличению скорости и полноте протекания реакции восстановления, и возникающая при этих условиях вибрация находящейся в этом пространстве реакционной смеси снимает кинетические барьеры по границам взаимодействующих фаз и существенно улучшает условия протекания реакции. Вибрация реакционной смеси и расплава способствует осаждению «корольков» металла из шлака и более четкому разделению металлической и шлаковой фаз, что увеличивает выход годного и улучшает товарный вид продукта. Наличие изолирующего слоя обусловливает снижение потерь алюминиевого восстановителя на бесполезное взаимодействие с воздухом.The preservation of the effectiveness of the method is expressed by the following factors. In the proposed method for generating pressure in the melting space it is useful to use the gas generated during metallothermic melting, this pressure also creates a bulk massive insulating layer. When melting under pressure, the speed and completeness of the metallothermal reactions forming the condensed phases are stimulated, and the reactions with the formation of gaseous products are inhibited [RF patent No. 2269585]. The pressure in the closed melting space increases the speed and completeness of the course of the reduction reaction, and the vibration that occurs under these conditions, the vibration of the reaction mixture in this space removes kinetic barriers along the boundaries of the interacting phases and significantly improves the reaction conditions. Vibration of the reaction mixture and the melt contributes to the deposition of the "kings" of the metal from the slag and a clearer separation of the metal and slag phases, which increases the yield and improves the presentation of the product. The presence of an insulating layer leads to a decrease in the loss of aluminum reducing agent for useless interaction with air.

Сыпучий изолирующий слой, ввиду имеющихся небольших воздушных прослоек между частицами, имеет меньшую теплопроводность, чем монолитный огнеупор, поэтому способствует сокращению тепловых потерь.A loose insulating layer, due to the small air spaces between the particles, has lower thermal conductivity than a monolithic refractory, therefore, it helps to reduce heat loss.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет проводить процесс восстановления в замкнутом объеме, изолированном от воздушной атмосферы, с предотвращением доступа воздуха в зону реакционной смеси и созданием полезного давления в плавильном пространстве.Thus, the proposed method allows the process of recovery in a closed volume isolated from the air atmosphere, with the prevention of air access to the zone of the reaction mixture and the creation of useful pressure in the melting space.

Если на верхней поверхности массива шихты использовать изолирующий слой толщиной менее 80% высоты массива шихты, то при выплавке происходят выбросы расплавленной шихты, сопровождающиеся дымопылевыми выбросами. Если на боковых поверхностях массива шихты использовать изолирующий слой толщиной менее 50% ширины или диаметра шихтового массива, то при выплавке также могут происходить указанные выбросы. Если под нижней поверхностью массива шихты использовать толщину изолирующего слоя менее 10% высоты массива шихты, то образующийся расплав может вытечь за пределы этого слоя (вытекания можно избежать, если под нижней поверхностью шихтового массива будет установлена плита из жароупорного материала).If an insulating layer with a thickness of less than 80% of the height of the charge mass is used on the upper surface of the charge array, then during smelting there are emissions of the molten charge, accompanied by smoke and dust emissions. If an insulating layer with a thickness of less than 50% of the width or diameter of the charge mass is used on the lateral surfaces of the charge array, then the indicated emissions can also occur during smelting. If under the lower surface of the charge array the thickness of the insulating layer is less than 10% of the height of the charge mass, the resulting melt can leak out of this layer (leakage can be avoided if a plate of heat-resistant material is installed under the lower surface of the charge mass).

Если на верхней поверхности шихтового массива использовать изолирующий слой толщиной более 150% высоты массива шихты, под нижней поверхностью - более 20% высоты массива шихты и на боковых поверхностях массива шихты - более 100% ширины или диаметра массива шихты, то это будет нецелесообразным с точки зрения энергетических и трудовых затрат на освобождение продуктов выплавки от этого слоя.If you use an insulating layer on the upper surface of the charge array with a thickness of more than 150% of the height of the charge mass, under the lower surface - more than 20% of the height of the charge mass and on the side surfaces of the charge mass — more than 100% of the width or diameter of the charge mass, this will be impractical from the point of view energy and labor costs for the release of smelting products from this layer.

Сущность изобретения состоит в следующем. В предлагаемом способе металлотермической плавки подготовку шихты осуществляют стандартными методами [Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов. - М.: Металлургия, 1988. - 784 с.], включающими дозирование шихтовых компонентов (при необходимости предварительная просушка или прокаливание) и перемешивание. Предпочтительнее, как и в других способах металлотермической плавки «на блок», использовать шихтовые компоненты в измельченном виде с фракцией от 0 до 5 мм. Затем фиксируют массив шихты, предотвращая его рассыпание. Например, после перемешивания шихту засыпают в тонкостенную емкость (например, цилиндрической, прямоугольной или другой формы), способную удержать массив шихты от рассыпания, и шихта должна максимально заполнить объем емкости. Эта емкость при плавке сгорает или расплавляется и должна быть изготовлена из материала, который при попадании в расплав не приводит к увеличению содержаний примесей в выплавляемом сплаве или металле сверх содержаний, установленных стандартами. Емкость может быть изготовлена, например, из бумаги. Возможно использование шихты без этой емкости, если шихта находится в брикетированном виде. Для более полного извлечения полезного металла при плавке наиболее выгодной формой шихтового массива оказывается цилиндр в вертикальном положении.The invention consists in the following. In the proposed method of metallothermic smelting, the preparation of the charge is carried out by standard methods [Gasik M.I., Lyakishev N.P., Emlin B.I. Theory and technology for the production of ferroalloys. - M .: Metallurgy, 1988. - 784 pp.], Including dosing of charge components (if necessary, preliminary drying or calcination) and mixing. It is preferable, as in other methods of metallothermal smelting "per block", to use charge components in a crushed form with a fraction of 0 to 5 mm. Then fix the mass of the mixture, preventing its scattering. For example, after mixing, the charge is poured into a thin-walled container (for example, cylindrical, rectangular or other shape) that can keep the mixture from spilling, and the mixture should fill the volume of the container as much as possible. This tank burns or melts during melting and must be made of a material which, when it enters the melt, does not lead to an increase in the content of impurities in the melted alloy or metal in excess of the contents established by standards. The container may be made, for example, of paper. It is possible to use the mixture without this capacity, if the mixture is in briquetted form. For a more complete extraction of useful metal during melting, the cylinder in an upright position is the most advantageous form of the charge mass.

Фиксированный от рассыпания массив шихты загружают в емкость для проведения процесса выплавки, например, обычный стальной цилиндр, при этом фиксированный массив шихты изолируют толстым массивным слоем огнеупорных тугоплавких неметаллических частиц. Изолируют всю поверхность массива шихты, и тем самым, доступ воздуха к шихте предотвращают. Изолирующий слой создают, например, засыпкой смеси кремнеземного и обычного огнеупорного песка (магнезитового, хромитового или др.) или измельченными тугоплавкими минералами, измельченными тугоплавкими отходами производств (например, тугоплавкие шлаки и т.д.).The charge mixture fixed from spilling is loaded into a tank for carrying out the smelting process, for example, an ordinary steel cylinder, while the fixed charge mixture is isolated with a thick massive layer of refractory refractory non-metallic particles. Isolate the entire surface of the charge array, and thereby prevent air from accessing the charge. An insulating layer is created, for example, by backfilling a mixture of silica and ordinary refractory sand (magnesite, chromite or others) or crushed refractory minerals, crushed refractory waste products (for example, refractory slag, etc.).

Таким образом, массив шихты оказывается окруженным сыпучей огнеупорной средой. Если изолирующий слой не будет огнеупорным, то происходит расплавление этого слоя и выбросы расплавленной шихты, сопровождающиеся дымопылевыми выбросами. Использование монолитного огнеупорного изолирующего слоя не приводит к указанным полезным техническим эффектам, не сохраняет эффективность способа и является экономически нецелесообразным (увеличиваются тепловые потери и затраты на монолитные огнеупоры). Сыпучий огнеупорный изолирующий слой должен иметь толщину, достаточную для предотвращения дымопылевых выбросов и выбросов расплавленной шихты, и, кроме того, должен закрывать всю поверхность сформированного массива шихты. Если этот слой будет отсутствовать даже на небольшом участке этой поверхности, произойдут выбросы расплавленной шихты, дыма и пыли.Thus, the charge array is surrounded by a loose refractory medium. If the insulating layer is not refractory, then this layer melts and emissions of the molten charge, accompanied by smoke and dust emissions. The use of a monolithic refractory insulating layer does not lead to the indicated useful technical effects, does not preserve the effectiveness of the method, and is not economically feasible (heat losses and costs of monolithic refractories increase). The bulk refractory insulating layer should be thick enough to prevent smoke and dust emissions and molten charge emissions, and, in addition, should cover the entire surface of the formed charge array. If this layer is absent even on a small portion of this surface, there will be emissions of molten charge, smoke and dust.

Толщину изолирующего слоя выбирают исходя из размеров шихтового массива. Технологический процесс предусматривает, что комплекс «массив шихты - сыпучий изолирующий слой» помещен, в свою очередь, в емкость для удержания изолирующего слоя от рассыпания. В качестве емкости для удержания слоя от рассыпания может быть использован, например, обычный стальной цилиндр. Изолирующий слой можно формировать, например, следующим образом. На дно емкости помещают сыпучий огнеупорный изолирующий слой толщиной 10-20% высоты массива шихты, после чего на этот слой помещают массив шихты и пространство, оставшееся от боковой поверхности массива до внутренних стенок емкости, заполняют слоем, равным 50-100% ширины или диаметра шихтового массива, а слой над верхней поверхностью массива насыпают толщиной, равной 80-150% высоты шихтового массива, инициируют процесс реакции и выплавку ведут в таком изолирующем слое.The thickness of the insulating layer is selected based on the size of the charge array. The technological process provides that the complex "charge array - bulk insulating layer" is placed, in turn, in a container to keep the insulating layer from spilling. As a container for holding the layer from spilling, for example, a conventional steel cylinder can be used. The insulating layer can be formed, for example, as follows. A bulk refractory insulating layer with a thickness of 10-20% of the height of the charge array is placed at the bottom of the tank, after which a charge array is placed on this layer and the space remaining from the side surface of the array to the inner walls of the tank is filled with a layer equal to 50-100% of the width or diameter of the charge massif, and the layer above the upper surface of the massif is poured with a thickness equal to 80-150% of the height of the charge mass, initiate the reaction process and melt in such an insulating layer.

Инициирование процесса металлотермической реакции проводят электрической дугой, электроискровым методом, зажигательным составом или термитной смесью. Инициирование процесса металлотермической плавки возможно как в верхних слоях шихты, так и в нижних. Процесс выплавки проходит автономно без электронагрева, и с использованием тепла 7 металлотермической реакции с последующей кристаллизацией получаемого металла или сплава в этом же изолирующем слое.The initiation of the metallothermal reaction process is carried out by an electric arc, by the spark method, incendiary composition or thermite mixture. The initiation of the metallothermal smelting process is possible both in the upper layers of the charge and in the lower ones. The smelting process takes place autonomously without electric heating, and using heat 7 metallothermal reaction with subsequent crystallization of the resulting metal or alloy in the same insulating layer.

Под действием тепла металлотермической реакции сыпучий огнеупорный изолятор спекается в корку небольшой толщины (0,5-2 см) на поверхности расплавляемого шихтового массива, попадание небольшого количества частиц изолятора в расплавленную смесь не приводит к увеличению содержания примесей в выплавляемом сплаве сверх норм, установленных ГОСТ.Under the influence of the heat of the metallothermal reaction, the bulk refractory insulator is sintered into a crust of small thickness (0.5-2 cm) on the surface of the molten charge mass, the ingress of a small amount of insulator particles into the molten mixture does not increase the content of impurities in the melted alloy in excess of the norms established by GOST.

После протекания металлотермической реакции продукты выплавки кристаллизуются. Затем продукты выплавки освобождают от изолирующего слоя (например, изолирующий слой высыпается под действием собственного веса с помощью специального приспособления) и охлаждают.After a metallothermic reaction proceeds, the smelting products crystallize. Then, the smelting products are freed from the insulating layer (for example, the insulating layer is poured out under its own weight using a special device) and cooled.

Регулирование рабочего давления в плавильном пространстве, также как в прототипе, осуществляют задаваемой рабочей температурой процесса, т.е. термичностью процесса, использованием в шихтовой смеси специальных газифицирующихся в процессе плавки добавок, например СаF₂, NaCl, а также балластными или термитными добавками. Кроме того, рабочее давление может регулироваться с помощью изменения массы слоя сыпучего изолятора (которая может зависеть от толщины этого слоя). Возможен дополнительный нагрев смеси реагирующих шихтовых компонентов, например, электродуговым способом. Возможно использование схемы выплавки с выпуском (сливом) жидкого металла или сплава из плавильного пространства.The regulation of the working pressure in the melting space, as well as in the prototype, is carried out by the set process temperature, i.e. thermal process, the use of a mixture of special gasified during melting additives, for example CaF ₂ , NaCl, as well as ballast or termite additives. In addition, the working pressure can be controlled by changing the mass of the bulk insulator layer (which may depend on the thickness of this layer). It is possible to additionally heat the mixture of reacting charge components, for example, by the electric arc method. It is possible to use a smelting scheme with the release (discharge) of liquid metal or alloy from the melting space.

Сущность изобретения подтверждается примерами.The invention is confirmed by examples.

Пример 1. Алюминотермическую внепечную плавку ферротитана марки ФТи35С7 (ГОСТ 4761-91) проводили «на блок» в изолирующем слое. Шихтовую смесь: ильменит (58-60% ТiO₂, 40-42% (FеО+Fе₂O₃), 0,3% Р₂О₅), рутил (96,5-97,5% TiO₂), окись железа технической чистоты, порошок вторичного алюминия, молотую известь, молотый кремний технической чистоты, добавку перекиси бария технической чистоты тщательно перемешивали в смесителе. Перед смешиванием ильменит прокалили, а остальные компоненты шихты просушили. Из смешанной шихты сформировали массив шихты - смешанную шихту засыпали в емкость (бумажный пакет цилиндрической формы) и немного уплотнили. Высота массива составила 65 см, диаметр - 50 см. Предварительно, перед засыпкой шихты, в пакет поместили запальную смесь, состоящую из растертой калиевой селитры (3 вес.ч.) и алюминиевой пудры (1,3 вес.ч.), в запальную смесь поместили нихромовую спираль. Пакет с шихтой поместили в стальной цилиндр. Предварительно внутрь стального цилиндра на дно поместили сыпучий огнеупорный изолирующий слой - смесь магнезитового и кварцевого песка фракцией 0,6-3 мм. На этот слой вертикально установили пакет цилиндрической формы, заполненный шихтой. Затем оставшееся пространство полости стального цилиндра заполнили смесью магнезитового и кварцевого песка, при этом толщина полученного изолирующего слоя на верхней поверхности массива шихты составила 120% высоты массива шихты, под нижней поверхностью - 15% высоты массива шихты, на боковой поверхности - 60% диаметра массива шихты. Таким образом, шихта была изолирована от воздушной атмосферы, и процесс проводился в этих условиях, с давлением на шихту, оказываемым изолирующим слоем. Алюминотермическая реакция инициировалась через нагреваемую электрическим током спираль с заранее присоединенными к ней электропроводами, выведенными за пределы реактора. Процесс выплавки проходил совершенно без дымовых и пылевых выбросов. Процесс металлотермической реакции сопровождался звуковым эффектом, по характеру напоминающим звук бурления при кипении, при этом происходила самопроизвольная вибрация расплавленных продуктов. После кристаллизации продуктов выплавки стальной цилиндр освободили от изолятора, продукты выплавки извлекли из стального цилиндра и охладили. После остывания продуктов выплавки оценивали характер фазоразделения, взвешивали слиток, проводили химический анализ полученного металлического сплава и расчет извлечения титана. Шлаковая фаза и сплавившийся слой смеси кварцевого и магнезитового песка легко отделились от слитка. Полученный ферротитан содержал, мас.%: 37 Ti; 7 Si; 6 Al; 0,07 С; 0,01 S; 0,015 P; 0,3 Cu. Извлечение титана составило 78%.Example 1. Aluminothermic out-of-furnace smelting of ferrotitanium grade ФТи35С7 (GOST 4761-91) was carried out “per block” in an insulating layer. Charge mixture: ilmenite (58-60% TiO ₂ , 40-42% (FeO + Fe ₂ O ₃ ), 0.3% P ₂ O ₅ ), rutile (96.5-97.5% TiO ₂ ), oxide iron of technical purity, powder of secondary aluminum, ground lime, ground silicon of technical purity, the addition of barium peroxide of technical purity was thoroughly mixed in a mixer. Before mixing, ilmenite was calcined, and the remaining components of the mixture were dried. An array of the mixture was formed from the mixed charge — the mixed charge was poured into a container (cylindrical paper bag) and slightly compacted. The height of the array was 65 cm, the diameter was 50 cm. Previously, before filling the charge, the ignition mixture consisting of ground potassium nitrate (3 parts by weight) and aluminum powder (1.3 parts by weight) was placed in the ignition the mixture placed a nichrome spiral. The bag with the charge was placed in a steel cylinder. Previously, a bulk refractory insulating layer — a mixture of magnesite and quartz sand with a fraction of 0.6–3 mm — was placed at the bottom of a steel cylinder. A cylindrical package filled with a charge was vertically mounted on this layer. Then, the remaining space of the cavity of the steel cylinder was filled with a mixture of magnesite and quartz sand, while the thickness of the obtained insulating layer on the upper surface of the charge mass was 120% of the height of the charge mass, 15% of the height of the charge mass under the surface, and 60% of the charge mass diameter on the side surface . Thus, the charge was isolated from the air atmosphere, and the process was carried out under these conditions, with pressure on the charge exerted by the insulating layer. The aluminothermic reaction was initiated through a spiral heated by electric current with electric wires preliminarily connected to it and removed outside the reactor. The smelting process took place completely without smoke and dust emissions. The process of metallothermal reaction was accompanied by a sound effect similar in nature to the sound of boiling during boiling, while spontaneous vibration of molten products occurred. After crystallization of the smelting products, the steel cylinder was freed from the insulator, the smelting products were removed from the steel cylinder and cooled. After cooling the smelting products, the nature of phase separation was evaluated, the ingot was weighed, a chemical analysis of the obtained metal alloy was carried out, and the titanium extraction was calculated. The slag phase and the fused layer of a mixture of quartz and magnesite sand were easily separated from the ingot. The obtained ferrotitanium contained, wt.%: 37 Ti; 7 Si; 6 Al; 0.07 C; 0.01 s; 0.015 P; 0.3 Cu. The titanium recovery was 78%.

Пример 2. Алюминотермическая внепечная плавка феррохрома марки ФХ006 (ГОСТ 4757-91) проводилась «на блок» в изолирующем слое. Шихтовую смесь: хромитовый концентрат (46-47% Cr₂О₃, 26-28% Fе₂O₃, 13-16% Al₂O₃, 9-11% MgO, 0,8-1,0% SiO₂, 0,1-0,2% СаО), хромовый ангидрид, окись хрома технической чистоты, порошок алюминия первичного, молотую известь тщательно перемешивали, формировали в массив с фиксированием от рассыпания и изолировали этот массив также как в примере 1, за исключением того, что в качестве сыпучего огнеупорного изолирующего слоя использовали магнезитовый песок. Выплавку проводили по примеру 1, с указанными в этом примере толщинами изолирующего слоя. После остывания продуктов выплавки оценивали характер фазоразделения, взвешивали слиток, проводили химический анализ полученного металлического сплава и расчет извлечения хрома. Шлаковая фаза и сплавившийся слой магнезитового песка небольшой толщины легко отделились от слитка. Полученный феррохром содержал, мас.%: 71,1 Cr; 0,5 Si; 0,5 Al; 0,06 С; 0,002 S. Извлечение хрома составило 98%.Example 2. Aluminothermic out-of-furnace smelting of ferrochrome grade ФХ006 (GOST 4757-91) was carried out “per block” in an insulating layer. Charge mixture: chromite concentrate (46-47% Cr ₂ O ₃ , 26-28% Fe ₂ O ₃ , 13-16% Al ₂ O ₃ , 9-11% MgO, 0.8-1.0% SiO ₂ , 0.1-0.2% CaO), chromic anhydride, chromium oxide of technical purity, primary aluminum powder, ground lime was thoroughly mixed, formed into an array with fixation from scattering and isolated this array as in example 1, except that Magnesite sand was used as a bulk refractory insulating layer. Smelting was carried out according to example 1, with the thicknesses of the insulating layer indicated in this example. After cooling the smelting products, the nature of the phase separation was evaluated, the ingot was weighed, a chemical analysis of the obtained metal alloy was carried out, and the chromium extraction was calculated. The slag phase and the fused layer of magnesite sand of small thickness were easily separated from the ingot. The resulting ferrochrome contained, wt.%: 71.1 Cr; 0.5 Si; 0.5 Al; 0.06 C; 0.002 S. Chromium recovery was 98%.

Результаты примеров 1, 2 и других примеров приведены в таблице.The results of examples 1, 2 and other examples are shown in the table.

По предложенному способу металлотермической плавки можно также получать феррованадий, феррониобий, ферромолибден, ферровольфрам, ферромарганец и многие другие легирующие и рафинирующие сплавы, а также технически чистые металлы, например молибден, вольфрам, хром, марганец.According to the proposed metallothermal smelting method, it is also possible to obtain ferrovanadium, ferroniobium, ferromolybdenum, ferro-tungsten, ferromanganese and many other alloying and refining alloys, as well as technically pure metals, for example, molybdenum, tungsten, chromium, manganese.

Таким образом, достигается упрощение и удешевление способа металлотермической плавки за счет упрощения и удешевления оборудования при сохранении экологической чистоты и эффективности способа (в способе одновременно задействовано несколько полезных эффектов: а) полезное давление в зоне плавильного пространства, б) вибрация расплава, способствующая улучшенному осаждению необходимых металлов, в) изоляция реакционной смеси от компонентов воздуха, предотвращающая дымопылевые выбросы, г) снижение тепловых потерь за счет более низкой теплопроводности сыпучего изолятора, д) возможное снижение расхода алюминия за счет отсутствия бесполезного взаимодействия алюминия с кислородом воздуха). Для реализации способа не требуется вакуумная установка, подача инертного газа, герметичные емкости, жароупорные тигли со специальной крышкой и дорогостоящие монолитные футеровки. Выбросы дыма и пыли в атмосферу предотвращаются без применения специального газопылеулавливающего оборудования.Thus, simplification and cheapening of the method of metallothermal smelting is achieved due to the simplification and cheapening of equipment while maintaining environmental cleanliness and efficiency of the method (several useful effects are simultaneously involved in the method: a) useful pressure in the melting space zone, b) melt vibration, which contributes to improved deposition of the necessary metals, c) isolation of the reaction mixture from air components, preventing smoke and dust emissions, d) reduction of heat loss due to lower heat bulk conductivity of the insulator, e) a possible reduction in aluminum consumption due to the lack of useless interaction of aluminum with oxygen). To implement the method, a vacuum installation, inert gas supply, sealed containers, heat-resistant crucibles with a special cover and expensive monolithic linings are not required. Emissions of smoke and dust into the atmosphere are prevented without the use of special gas and dust removal equipment.

ТаблицаTable Приме-
рыNote
fish Выплавляемый сплавLost wax alloy Толщина сыпучего огнеупорного изолирующего слояThe thickness of the bulk refractory insulating layer Наличие выбросов дыма, пыли и выбросов продуктов выплавкиThe presence of emissions of smoke, dust and emissions of smelting products под нижней поверхностью шихтового массива, в процентах от высоты массива шихтыunder the lower surface of the charge array, as a percentage of the height of the charge array над верхней поверхностью шихтового массива, в процентах от высоты массива шихтыabove the upper surface of the charge array, as a percentage of the height of the charge array на боковых поверхностях шихтового массива, в процентах от диаметра массива шихтыon the lateral surfaces of the charge array, as a percentage of the diameter of the charge array 1one ФерротитанFerrotitanium 15fifteen 120120 6060 НетNo 22 ФеррохромFerrochrome 15fifteen 120120 6060 НетNo 33 ФерротитанFerrotitanium 1010 8080 50fifty НетNo 4four ФеррохромFerrochrome 1010 8080 50fifty НетNo 55 ФерротитанFerrotitanium 20twenty 150150 100one hundred НетNo 66 ФеррохромFerrochrome 20twenty 150150 100one hundred НетNo 77 ФерротитанFerrotitanium 1010 6060 4545 Естьthere is 88 ФеррохромFerrochrome 20twenty 6060 4545 Естьthere is 99 ФерротитанFerrotitanium 1010 6565 6060 Естьthere is 1010 ФеррохромFerrochrome 20twenty 6565 6060 Естьthere is

Claims (1)

Способ металлотермической плавки металлов и сплавов, включающий подготовку шихты, загрузку шихты в емкость для проведения плавки с ее изолированием сыпучим огнеупорным слоем, инициирование процесса реакции, отличающийся тем, что подготовленный массив шихты фиксируют от рассыпания и с запальной смесью загружают в емкость для проведения плавки, при этом сыпучим огнеупорным слоем изолируют всю поверхность фиксированного массива шихты, причем изолирующий слой на верхней поверхности массива шихты формируют толщиной 80-150% высоты массива шихты, на боковых поверхностях - толщиной 50-100% ширины или диаметра массива шихты, под нижней поверхностью - толщиной 10-20% высоты массива шихты, после чего проводят выплавку в изолирующем слое. A method of metallothermal smelting of metals and alloys, including preparing the charge, loading the charge into a tank for melting, isolating it with a loose refractory layer, initiating a reaction process, characterized in that the prepared charge mixture is fixed from spilling and loaded into the tank for melting with the ignition mixture, while the bulk refractory layer isolates the entire surface of the fixed mixture of the charge, and the insulating layer on the upper surface of the charge mixture is formed with a thickness of 80-150% of the height of the shea batch, on the side surfaces - a thickness of 50-100% of the width or diameter of the charge array, under the lower surface - a thickness of 10-20% of the height of the charge mixture, after which they are smelted in an insulating layer.