Перейти на главную страницу
Написать письмо
Карта сайта
Продукция
О компании
Фотогалерея
Потребности
Новости
Статьи
Контакты
   Яндекс.Метрика

Powered by Kentico CMS. Designed by IT Group
Анекдоты из России

Алюмотермическое восстановление и производство ферросплавов

 

 

 

Алюмотермическое восстановление и
производство ферросплавов


2.4. Металлургия


 В металлургии потребляется более 1/3 мирового объема производства алюминиевых порошков.

Наиболее широкое применение в черной металлургии находят алюминиевые порошки ПА, пудры марок ПП, алюминиевые гранулы, порошки алюминиевых сплавов, в первую очередь с магнием, в качестве:
 - раскислителей, модификаторов и легирующих добавок,
 - восстановителя в алюмотермическом и других экзотермических процессах,
 - лигатур в литейном производстве,
 - основного компонента экзотермических флюсообразующих смесей при литье стали,
 - компонентов для изготовления огнеупоров и материала литейных форм. 
 
2.4.3. Алюмотермическое восстановление и производство ферросплавов 

Алюмотермические процессы (табл. 2.11) с использованием алюминиевого порошка связаны, прежде всего, с получением таких чистых металлов как хром, марганец, ванадий, цирконий, ниобий, бор, а также ферросплавов.
Считается, что количество тепла менее 2500 кДж/кг (600 ккал/кг) недостаточно для осуществления внепечных алюмотермических процессов, от 2500 до 4600 (1100 ккал/кг) – достаточным, а более 4600 кДж/кг – избыточным.

Возможность восстановления оксидов порошками алюминия была впервые обоснована в 1856 г. Девиллем С. Применимость этого способа для восстановления оксида хрома продемонстрирована в 1859 г. одновременно Велером Ф. и Бекетовым Н.Н. Однако промышленное освоение этого процесса задерживалось до появления сравнительно дешевого алюминия.
 
 Таблица 2.11.
 

Значения теплового эффекта некоторых алюмотермических реакций

 

Металл

Реакция

Тепло реакции, кДж/кг

Кальций

3CaO + 2Al ® 3Ca + Al2O3

-

Тантал

3Ta2O5 + 10Al ® 6Ta + 5Al2O3

1330

Титан

3TiO2 + 4Al ® 3Ti + 2Al2O3

1530

Хром

Cr2O3 + 2Al ® 2Cr + 2Al2O3

2110

Вольфрам

3WO2 + 4Al ® 3W + 2Al2O3

2180

Ниобий

3Nb2O5 + 10Al ® 6Nb + 5Al2O3

2260

Марганец

3Mn3O4 + 8Al ® 9Mn + 4Al2O3

2490

Железо

3FeO + 2Al ® 3Fe + Al2O3

2810

Вольфрам

WO3 + 2Al ® W + Al2O3

2890

Молибден

3MoO2 + 4Al ® 3Mo + 2Al2O3

3050

Ванадий

3V2O3 + 10Al ® 6V + 5Al2O3

3370

Железо

3Fe3O4 + 8Al ® 9Fe + 4Al2O3

3560

Молибден

MoO3 + 2Al ® Mo + Al2O3

4520

Марганец

3MnO2 + 4Al ® 3Mn + 2Al2O3

4750

Хром

CrO3 + 2Al ® Cr + Al2O3

6700

  
В производственных условиях важно, чтобы алюмотермическое восстановление, самопроизвольно распространяющееся на всю шихту, состоящую из смеси порошков алюминия и оксида металла, давало достаточное количество тепла для расплавления продуктов реакции, а также разделения металла и шлака. Всплывающий шлак предохраняет металл от взаимодействия с атмосферой.
Успешность протекания алюмотермической реакции зависит от размера частиц оксида металла и алюминия, а также от состава их смеси: чем тоньше порошок, тем интенсивнее идут реакции. Однако, применение грубых порошков алюминия позволяет избежать пылевого уноса и сильного окисления алюминия при подготовке шихты и нагревании на воздухе, но может привести к тому, что в ходе реакции алюминий частично растворится в восстановленном металле и осядет на дно тигля, не успев восстановить находящийся в тигле оксид. Накопившийся в расплаве алюминий может вступить в дальнейшем во взаимодействие с остывшим в шлаке невосстановленным оксидом, что приведет к неконтролируемому повышению температуры и «вскипанию» загрузки.

Важную роль в процессе играет кислородный баланс. Например, при производстве хрома взаимодействие CrO3 с Al протекает почти мгновенно, поэтому для более полного протекания реакции в шихту вводят значительное количество Cr2O3.
 
Существует два способа регулирования кислородного баланса:

- путем восстановительного или окислительного обжига оксида или руды;
- повышением содержания кислорода добавками богатых кислородом соединений (перекисей, бихроматов, нитратов, хроматов) или уменьшением его добавками (в дисперсном состоянии) соответствующего металла.
 
Получение металлов алюмотермией осуществляют в основном двумя способами.

По первому всю шихтовую смесь засыпают в тигель и зажигают. Реакция постепенно распространяется по всей шихте, температура при этом повышается до 1900-2400оС. Этим способом за 50-90 сек можно переработать до 1 т шихты. Существенный недостаток способа в том, что из-за объемной усадки шихты по мере ее проплавления тигель бывает заполнен к концу процесса только на одну треть.

При плавке по второму способу, более распространенному на практике, процесс начинают с запала небольшого количества шихты на дне тигля. По мере протекания реакции шихту догружают с регулируемым темпом.

В обоих случаях металл обычно затвердевает и остывает под слоем шлака. Слиток массой до 1 т остывает в течение ~24 ч. Далее его выбивают из тигля, дробят и вручную отделяют металл от шлака.
 
В качестве запала в алюмотермии чаще всего используют магниевую стружку и смеси порошков алюминия с перекисью бария или натрия.

Чистота полученного металла зависит от чистоты оксида и алюминиевого порошка. Содержащиеся в алюминии железо и кремний переходят в получаемый металл, поэтому, в ряде случаев требуются чистые алюминиевые порошки (например, из ПАВЧ, см. табл. 1.1). Содержание алюминия в алюмотермическом хроме находится обычно в пределах 0,1-0,6%.

Алюмотермический процесс используется и при производстве кальция. Термическое восстановление кальция осуществляют в вакуумных ретортах. По одной из технологий, тонкоизмельченную известь (содержащую не более 3% примесей и не более 1% оксида магния), брикетируют с избытком 5-20% алюминиевого порошка. Брикеты помещают в герметизированную реторту и нагревают до 1150-1200оС при остаточном давлении не более 10 мм рт. ст., при этом пары восстановленного кальция конденсируются на стенках реторты в зоне с температурой 680-740оС.

Ферросплавы – это группа сплавов на основе железа и, по крайней мере, одного металла (Mo, W, Nb, Cr, Ti) – ферромолибден, ферровольфрам, феррониобий, феррохром, ферротитан и др. Они широко используются в сталеплавильном производстве, для легирования стали, а также в качестве компонента для раскисления (восстановления) расплавленной стали, улучшения физических, механических и антикоррозионных свойств стали, ее обрабатываемости и др. Ферросплавы легко растворяются в расплавленной стали и поэтому предпочтительно используются вместо чистых легирующих металлов.

С использованием порошка путем алюмотермического восстановления оксидов металлов производятся сотни тысяч тонн высококачественных ферросплавов в год. Для этих целей используется алюминиевый порошок в основном с размером частиц 100-1450 мкм. Продукты алюмотермического восстановления, как правило, выгодно отличаются своей химической чистотой от аналогичных, восстановленных в электрической печи.

При производстве ферросплавов шихта, кроме оксидов железа и алюминиевого порошка или мелких гранул, может включать в себя стальной лом, металлонесущие компоненты (стружка, оксиды, отходы), Ti, Cr, V, W и т.п. Продуктами реакции являются готовый ферросплав и шлак – сплав a-Al2O3 с оксидами металлов.

В промышленности ферросплавы производят в футерованных тиглях без дополнительного нагрева (если приход тепла достаточен для этого (внепечной процесс)) или дуговых электропечах, если процессы имеют недостаточное выделение тепла. Малые объемы высококачественного продукта получают в водоохлаждаемых медных тиглях.
 
Методом алюмотермии можно получать сплавы без железа, такие как Al-Mo, Al-V, Al-Nb, сплавы Ni-Mo и другие (например, Cr-B, Mg-B).

Алюмотермические реакции используют для переплавки дорогостоящего и тугоплавкого лома. Одним из институтов РАН разработана технология переплавки бракованных изделий, изготавливаемых из жаростойких, прочных и дорогих сплавов. Бракованную деталь помещают в графитовую изложницу, засыпают смесью алюминиевого порошка и взятых в расчетной пропорции оксидов металлов. Затем изложницу нагревают в специальном реакторе в атмосфере аргона до возгорания смеси, температура процесса достигает 2400оС, в результате образуется слиток переплавляемого металла.

Небольшим, но важным применением алюминиевых порошков в металлургии является порошковая резка (пробойка леток плавильных печей) «кислородным копьем» (иногда называемым «огненным ножом»). Смесь, состоящая из 15% тонкодисперсного (-75 мкм) алюминиевого порошка и 85% оксида железа, поджигается в струе кислорода на выходе из стальной трубы. Температура горения достигает 4000°С, что на 300°С выше температуры пламени кислородно-ацетиленовой горелки. Такой горелкой за две минуты можно сделать трехдюймовый (75 мм) разрез на бетоне. Известно, что таким способом удавалось разрезать бетонные блоки толщиной более трех метров.

Прочие примеры использования алюминиевых порошков в экзотермических реакциях приведены в п. 2.14.

Алюминиевые порошки широко используются в экзотермической сварке кабелей, прутов, рельсов и других деталей из стали и ее сплавов, меди и ее сплавов, алюминия и других металлов.
 
Из смеси порошков алюминия и оксида железа с добавлением вспомогательных веществ производятся термитные сварочные стержни для широкого использования

Экзотермическое топливо для портативного нагревателя представляет собой смесь порошков алюминия, магния и угля со связующим. Изделие формуют в проволоку. К одному концу крепят пирогенное вещество. Небольшое количество такого топлива позволяет быстро разогреть пищу.
 

Металлические порошки алюминия, магния, титана и кремния. Потребительские свойства и область применения.
 
В.Г. Гопенко, С.Ю. Петрович, В.П. Черепанов. СПбГПУ, 2011 УДК 669.762.2:669.761

Copyright © Algran Company Ltd.2010