LV15720B - Paņēmiens un iekārta augsta titāna satura dzelzs sakausējuma iegūšanai elektrosārņu pārkausēšanas procesā - Google Patents

Abstract

Izgudrojums ir izmantojams metalurģijā īpaši augsta titāna satura dzelzs sakausējuma iegūšanai ar kūstoša elektroda pārkausēšanu elektriskā loka krāsnī, kas papildināta ar elektromagnētisku sistēmu impulsveida magnētiskā lauka radīšanai. Sakausējums ir izmantojams par ligatūru tērauda ar augstām fizikālajām un mehāniskajām īpašībām ražošanai. Sakausējuma iegūšanai izmanto maisījumu no rutila, dzelzs un/vai tērauda metāllūžņiem, oglekļa pulveri un/vai koksu, kaļķi un alumīnija pulveri. Tos zem kušņu slāņa kausē kā kūstošu elektrodu metāla čaulā. Kušņu slāņa reģionā ir uzlikts papildus impulsveida magnētiskais lauks, kas iedarbojas, pirmkārt, uz caurplūstošo strāvu un, otrkārt, uz kristalizācijas reģionu, veicinot ķīmiskās reakcijas un uzlabojot kristalizācijas struktūru. Šādi iespējams iegūt sakausējumu, kas satur komponentes šādās attiecībās, masas %: titāns - 70-80 %; dzelzs 12-17 %; alumīnijs - 3-6 %, piemaisījumi -līdz 2,6 %.

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTS

[001] Sis izgudrojums attiecas uz melnās metalurģijas nozari, īpaši augsta titāna satura dzelzs sakausējuma - ferotitāna - iegūšanai, ko iegūst ar kūstoša kompozīta elektroda kausēšanas metodi un kuru izmanto par leģējošu komponenti, ražojot leģētus tēraudus ar augstu fizikāli mehānisko īpašību līmeni.

Zināmais tehnikas līmenis

[002] Nepieciešamība pēc konstrukciju materiāliem ar augstām fizikālajām un mehāniskajām īpašībām pielietošanai kosmosa mašīnbūves, naftas, ķīmiskās, pārtikas rūpniecībā un medicīnā pastāvīgi pieaug. Projektēšanas uzdevumi materiālu izvēlē ar augstu prasīto īpašību kompleksu un vienlaikus salīdzinoši zemām izmaksām pieprasa esošo konstrukciju materiālu uzlabošanu un jaunu izveidi, kā arī esošo augstas veiktspējas materiālu izmaksu samazināšanu. Vairumam tehnikā izvirzīto uzdevumu izpildei maksimāli piemērots konstrukciju materiāls līdz šim ir bijis tērauds. Ja oglekļa-dzelzs sakausējumam pievieno salīdzinoši nelielu daudzumu dažādu ķīmisko elementu, ievērojami izmainās iegūstamā materiāla struktūra - tēraudam un attiecīgajiem sakausējumiem paaugstinās dažādu īpašību līmenis, vai pat ar to šim sakausējumam tiek piešķirtas jaunas, līdz šim nezināmas īpašības.

[003] Starp leģējošo tēraudu ķīmiskajiem elementiem, kas palielina tā izturīgumu pret stiepšanos, noturīgumu pret koroziju, triecienizturību un plaisu izplatīšanos matricas struktūrā, labākos rezultātus uzrāda titāns, kas ar tērauda oglekli rada mono- un poli karbīdus, kā arī intermetāliskie savienojumi ar citiem leģējošiem tērauda elementiem. Taču esošā titāna iegūšanas tehnoloģija ar Krolla procesu ar tālāku porainā titāna pārstrādi, vairākkārtēji pārkausējot, līdz tiek iegūts sakausējums, kas ir piemērots leģēšanai, ir sarežģīta, energoietilpīga un dārga. Tēraudu iespējams leģēt ar titāna sakausējumu, kurā ir pieļaujams noteikta līmeņa dzelzs piemaisījums. Tāpēc nepieciešams samazināt izmaksas titāna-dzelzs sakausējuma produktam, nezaudējot tā mehānisko īpašību kompleksu, kas joprojām ir ļoti sarežģīts uzdevums.

[004] No tehniskā viedokļa ir zināmi liešanas sakausējumi uz titāna bāzes, kas satur alumīniju, molibdēnu, cirkoniju, niobiju [1], vai tādi, kas satur alumīniju, cirkoniju, molibdēnu, vanādiju, itriju [2], Minētos sakausējumus iegūst tradicionālu liešanas tehnoloģiju veidā, porainā titāna un norādīto leģējošo komponentu savienojumu kausējot pamatā lokizlādes krāsnīs un lejot materiālu kausējuma formās, tādējādi iegūstot minēto sakausējumu stieņus. Šādu sakausējumu trūkumi ir: sarežģītā leģēšana iegūstamajam gala produktam, ko paredzēts izmantot par leģējošo sastāvu tikpat sarežģītā tērauda sastāvā, kas attiecīgi apgrūtina tērauda sastāvā ievadāmo leģējošo elementu aprēķinu; norādītā leģējošā sastāva augstā cena, jo nav iespēju tā sastāvdaļas (AI, Mo, Zr, Nb, V, Y) iegūt rūpnieciskā veidā, kā arī galvenā izejmateriāla, sakausējuma komponentes - porainā titāna - iegūšanas dārdzība; nav nepieciešamības veikt papildus leģējamo savienojumu šķīdināšanu tēraudā, jo tas jau ir šķīduma formā.

[005] Ir zināms titāna sakausējuma pulveris ar magniju [3], ko iegūst, elektriskā loka krāsnī kausējot kūstošu elektrodu, kas sastāv no porainā titāna, ko pārkausē vakuuma lokizlādes krāsnīs 80—90 % apmērā, un reducē ar magnija termisko metodi, smalcinot to līdz frakcijas lielumam 5-70 mm, sajaucot ar magnija granulām, kuru izmērs ir 1-5 mm un kas veido 0,35 masas %, un ar atlikušo magnija hlorīdu (līdz 5 masas %). Vienreizējā elektroda kausēšanas laikā magnija un magnija hlorīda tvaiki to augstā parciālā spiediena dēļ (kas vairākas reizes pārsniedz titāna tvaiku spiedienu) nodrošina elektroda materiāla sublimēšanos titāna un magnija sakausējumā sfērisku daļiņu veidā. Atbilstoši minētajam patentam, gala produkta apjoms (titāna sakausējuma pulveris) labākajā gadījumā ir 43,5 % (ar frakcijas izmēru 1,5 mm), 20,2 % (ar frakcijas izmēru 0,815 mm), 12,2 % (ar frakcijas izmēru 0,515 mm), 17,8 % (ar frakcijas izmēru 0,29 mm) un 5,4 % ar mazāku nekā 0,09 mm frakcijas izmēru. Šī izgudrojuma gala produkta trūkumi ir tā dominējošais maksimālais lējuma frakcijas apjoms (1,0-0,5 mm), jo tāda titānu saturoša sakausējuma kā leģējamā sakausējuma pievienošana, piemēram, konvertorā tā kušanas temperatūrā 1500-1700 °C vai sakausējuma apstrādes procesā ārpus krāsns kausā 1450-1600 °C temperatūrā, izraisīs paaugstinātus titāna zudumus. Turklāt leģējamā tērauda ražošanas apjomi ir mērāmi desmitos tūkstošu tonnu gadā un tiem (ņemot vērā leģējamā komponenta apjomus) tā zemā blīvuma dēļ ir nepieciešami simtiem tonnu titāna sakausējuma pulvera, kas, savukārt, nozīmē nepieciešamību pēc jaunu, jaudīgu, energoietilpīgu titāna pulvera ražotņu būvniecības.

[006] No tehniskā viedokļa ir zināms dzelzs sakausējums ar augstu titāna saturu, kurā ir 6575 masas % titāna, 34,5-24,5 masas % dzelzs, līdz 0,5 masas % slāpekļa [4]. Šajā patentā aprakstīto dzelzs sakausējumu ar augstu titāna saturu iegūst no titāna sakausējumu ražošanas, piemēram, TL-Z (TJI-3), vienreizēju atkritumu, skaidu un tērauda atkritumu veidā, piemēram, 20 markas tēraudu, attiecībā no 3:1 līdz 4:1, kausējot indukcijas krāsnī. Izveidotajā šķidrajā ferotitāna vannā kausēšanas procesā pievieno dzelzi un titānu saturošus elementus, bet titānu saturošās skaidas pievieno sakausējuma šķidrajā virsslānī sāls veidā tādā biezumā, lai nepieļautu sakausējuma augšpusē sarkanumu (pārkāršanu). Radušos dzelzs sakausējumu daļēji nolej un procesu atkārto. Šī izgudrojuma trūkums ir gala produktā esošais slāpeklis - līdz 0,5 masas % apmērā. Slāpeklis ir ļoti nevēlams komponents tērauda sastāvā, jo izraisa plaisas karstās apstrādes laikā, tādējādi samazinot tērauda izturību tā izmantošanas laikā augstas temperatūras apstākļos. Turklāt, tā kā titāns un dzelzi saturošais maisījums indukcijas krāsnī tiek kausēts bez elektriskā loka, iegūstamais dzelzs sakausējums satur noteiktu daudzumu skābekļa, ko tas iegūst no gaisa, viegli savienojoties ar titānu. Gāzveida skābekļa piekļūšanu dzelzs sakausējumam neaptur arī ievērojams skaidu slānis. Augstas kvalitātes leģētajos tēraudos atbilstoši kvalitātes standartiem nedrīkst būt vairāk kā 0,0040,007 masas % skābekļa.

[007] Tehniski piedāvātajai kausēšanas sadaļai tuvs ir izklāsts [5], kurā aprakstīts veids, kā dzelzs sakausējumu ar augstu titāna saturu iegūt no ilmenīta, izmantojot divu etapu reģenerācijas elektrisko loku, kur dzelzs sakausējumam pirmajā procesa stadijā porcijās tiek pievienots maisījums no ilmenīta koncentrāta, smalcināta oglekļa reģenerētāja, piemēram, elektroda un kaļķa. Pirms pirmās stadijas tiek veidota vanna ar dzelzs kausējumu, ievietojot krāsnī dzelzs metāllūžņus, tos tālāk kausējot un atdalot izdedžus (kušņus). Pēc pirmās stadijas radušos izdedžus, kas satur titāna oksīdu, nolej, atdzesē un smalcina. Otrajā stadijā gatavo galveno maisījumu no smalcinātiem izdedžiem, alumīnija gabaliem un kaļķa, ko pievieno uz dzelzs kausējuma spoguļa, to izkausē un titāna un dzelzs oksīdus atjauno līdz ferotitānam. Šādi iegūtais dzelzs sakausējums satur 55-60 masas % titāna, pārējais ir dzelzs un līdz 1,5 masas % - piemaisījumi. Gala ferotitāns, kas tiek iegūts šī izgudrojuma rezultātā, satur no 55 līdz 60 masas % titāna, kas nav pietiekoši konkrētā pielietojuma ligatūrai, jo nozīmētu, ka tā ražošanas procesā tas būtu jāpievieno pārmērīgi lielā apjomā. Vēl pie trūkumiem minams ir tas, ka procesa otrajā stadijā nav aizsardzības pret oksidēšanos ar gaisā esošo skābekli, kas ievērojami pasliktina iegūstamā gala produkta kvalitāti un procesa beigās samazina derīgā produkta apjomu. Galvenais šī izgudrojuma trūkums: nav iespējams iegūt gala produktu ferotitāna stieņa veidā. Ferotitāns pēc divu stadiju reģenerācijas un kausēšanas iznāk drumslu veidā, kas ir ieslēgtas izdedžu masā. Tādējādi ir nepieciešamas papildu darbības šo drumslu attīrīšanai no izdedžiem un piekausējumiem, kas sadārdzina iegūstamā produkta vienības cenu.

[008] Elektromagnētiskā lauka izmantošana elektrosārņu pārkausēšanas procesā citu sakausējumu ražošanas vajadzībām tiek piedāvāta [6], Tomēr apskatītā sakausējuma ražošanai piedāvātā elektromagnētiskā mijiedarbība nav pietiekami spēcīga salīdzinājumā ar šeit piedāvāto, jo minētajā patentā apskatīta tikai lēni pulsējoša lauka izmantošana, nevis vairāku dažādu lauku kombināciju izmantošana, kas sevi savstarpēji papildina, kur laika pastāvīgā komponente tiek iegūta ar speciālu pastāvīgo magnētu sistēmu - tātad laika pamatkomponente tiek iegūta efektīvākā veidā, bez papildus elektroenerģijas zudumiem.

Izgudrojuma mērķis un būtība

[009] Piedāvātā izgudrojuma pamatā ir uzdevums iegūt dzelzs sakausējumu ar augstu titāna saturu gala produktā - ne mazāk kā 70 masas %, samazināt produkta vienības pašizmaksas, novērst iespējamību dzelzs sakausējuma piesārņošanai ar gaisa skābekli titāna reģenerācijas laikā, nodrošināt apstākļus, lai iegūtu gatavu produktu kompakta ferotitāna stieņa veidā ar noteiktu galvenā komponenta saturu.

īss zīmējumu apraksts

[ 010] 1 .zīm. - shematisks elektrosārņu pārkausēšanas iekārtas attēlojums, kas papildināts ar elektromagnētisko sistēmu kristalizācijas apgabalā;

.zīm. - kūstošais elektrods, kas iegūts, izejvielu maisījumu ievietojot metāla (dzelzs, tērauda vai čuguna) čaulā;

.zīm. - pastāvīgo magnētu sistēma, kas tiek aplikta apkārt kristalizācijas rezervuāram spēcīga pastāvīgā magnētiskā lauka radīšanai kušņu un kristalizācijas reģionā;

. zīm. - kondensātoru bloks impulveida strāvas iegūšanai pulsveida magnētiskā lauka radīšanai kristalizācijas reģionā;

.zīm. - grafiks, kur parāds spoles strāvas stipruma atkarību no laika, kas tiek iegūts ar impulsu bateriju;

.zīm. - pilienu trajektorijas šķidro kušņu reģionā un to nosēšanās radiālais sadalījums kristalizatorā, kā arī plūsma šķidro kušņu reģionā: 6.A zīm. - bez magnētiskā lauka, 6.B zīm. - ar šķērsvirziena magnētisko lauku;

7.zīm. - pastāvīgo magnētu izvietojuma variants saskaņā ar piedāvāto izgudrojumu.

[011] Piedāvātais paņēmiens augsta titāna satura dzelzs savienojuma iegūšanai no ķīmisko elementu maisījuma uz rutila bāzes ar elektromagnētiski papildinātu elektrosārņu pārkausēšanas metodi, kas ietver šādus secīgus soļus: (i) kūstoša elektroda nodrošināšana, metāla čaulā ievietojot pulverveida ķīmisko elementu maisījumu uz rutila bāzes; (ii) kūstoša elektroda pārkarsēšana izkausēto kušņu slānī (5), izkusušā metāla slāni (6) un kristalizējamo sakausējumu pakļaujot pastāvīgā magnētiskā un impulsveida elektromagnētiskā lauka avotu kombinētai iedarbībai (pastāvīgais magnētiskais lauks rada šķērslauku attiecībā pret izkausēto kušņu slāņi (5), izkusušā metāla slāni (6) un/vai dzesējamo kristalizatoru (4), savukārt impulsveida elektromagnētiskajam laukam ir aksiāls virziens), turklāt pastāvīgais magnētiskais lauks ir izvēlēts diapazonā 200-400 mT, bet impulsveida magnētiskais lauks diapazonā 400-800 mT ar impulsu biežumu 1-10 Hz; (iii) pēc kūstoša elektroda izkušanas - kausējuma produkta atdzesēšana un atbrīvošana no izdedžiem.

[012] Saskaņā ar izgudrojumu kūstošā elektroda sastāvs ir izvēlēts no grupas, kas sastāv no rutila, dzelzs (arī čuguna vai tērauda, kas ir dzelzs avots), oglekļa, koksa, nedzēstajiem kaļķiem un alumīnija pulvera, kura frakcija ir diapazonā 600-900 mkm. Metāla čaulas materiāls var būt čuguns, dzelzs, tērauds vai citi sakausējumi uz dzelzs bāzes.

[013] Saskaņā ar izgudrojumu pirms kūstošā elektroda pārkarsēšanas (ii) solī elektrosārņus var sakausēt elektriskā loka krāsnī, vispirms kausējot čuguna vai tērauda elektrosārņus, pēc to izkausēšanas no krāsns atdala kausēšanas laikā radušos izdedžus un šķidrās metāla vannas augšpusē pievieno maisījumu no rutila un reducētāja - oglekļa vai koksa, pēc izvēles maisījumam pievienojot arī kaļķakmeni vai kaļķi.

[014] Saskaņā ar izgudrojuma citu izpausmi pēc (iii) soļa no izdedžiem atbrīvoto kausējuma produktu pakļauj kausēšanai indukcijas krāsnī, veidojot augsta titāna satura dzelzs savienojuma stieni.

[015] Iekārta (1.zīm.) paņēmiena īstenošanai ietver: elektroda turētāju (1); slēgtas atmosfēras rezervuāru (2); kūstošu elektrodu (3); dzesējamu kristalizatoru (4); dzesējamu pamatni (9) un elektromagnētisku sistēmu (8), kas ir izvietota rezervuāra (2) ārpusē izkausēto kušņu slāņa (5), izkusušā metāla slāņa (6) un/vai dzesējamā kristalizatora (4) līmenī, turklāt elektromagnētiskā sistēma (8) ietver pastāvīgus magnētus un induktoru, kas ir savienots ar kondensatoru bloku impulveida strāvas iegūšanai; elektromagnētiskā sistēma (8) ir pielāgota pastāvīgā magnētiskā lauka radīšanai, kas ir šķērslauks attiecībā pret izkausēto kušņu slāni (5), izkusušā metāla slāni (6), kā arī dzesējamu kristalizatoru (4), kā arī impulsveida elektromagnētiskā lauka radīšanai, kas ir aksiāls lauks attiecībā pret izkausēto kušņu slāni (5), izkusušā metāla slāni (6), kā arī dzesējamu kristalizatoru (4), turklāt pastāvīgie magnēti ir pielāgoti pastāvīgā magnētiskā lauka veidošanai diapazonā 200-400mT, bet induktors impulsveida elektromagnētiskā lauka veidošanai diapazonā 400-800mT ar impulsu biežumu 1-10 Hz. Saskaņā ar izgudrojuma vēlamo izpausmi induktors ir viena vijuma induktors.

[016] Izvirzītā uzdevuma risinājumā dzelzs sakausējums ar augstu titāna saturu (satur titānu un dzelzi), ko iegūst no maisījuma (rutils, čuguns un/vai tērauda metāllūžņi, smalcināti elektrodi vai kokss, kaļķis un/vai kaļķakmens un alumīnijs), tiek ievietots metāla čaulā (2.zīm.) un pārkausēts kā kūstošais elektrods elektrosārņu pārkausēšanas krāsnī zem kušņu slāņa. Standarta elektrokušņu pārkausēšanas krāsnij ir pievienoti - aplikti ap kristalizācijas zonu - papildu elektromagnētiskā lauka avoti: pastāvīgo magnētu sistēma - 3.zīm., kas attiecībā pret kristalizācijas rezervuāru rada 200^400 mT lielu šķērslauku.

[017] Viena vijuma induktors, kas tiek barots no kondensatoru baterijas (4.zīm.), kura ar impulsveida strāvu (5.zīm.) rada impulsveida aksiālu magnētisko lauku, kas sasniedz 400800 mT, ar tā impulsu biežumu 1-10 Hz. Izmantojot šo abu lauku kombināciju un minēto kausēšanas metodiku, ir iespējams iegūt dzelzs sakausējumu ar šādu sastāvu: 69,0-78,1 masas % titāna, 14,32-30,0 masas % dzelzs un līdz 2,6 masas % piemaisījumu.

[018] Saskaņā ar piedāvāto izgudrojumu speciāli radītā impulsveida un pastāvīgā magnētiskā lauka kombinācija mijiedarbojas ar izlādes strāvu un, pirmkārt, rada kustību šķidrajos kušņos un izkausētajos pilienos, kas veicina izkausētā materiāla samaisīšanos un, attiecīgi, ķīmisko reakciju ātrumu, un, otrkārt, veicina vienmērīgu lietņa kristalizēšanos, ievērojami samazinot iespējamo dentrīdu un cita nevienmērību (t.sk. poru, gāzu ieslēgumu) veidošanos. Intensīva reakcijas vides maisīšana ļauj tai norisināties ar mazāku atlikumu, samazinot paliekošu piemaisījumu daudzumu un ļaujot sasniegt augstāku titāna saturu. Spēcīga plūsma kušņu reģionā un elektromagnētiskā spēka iedarbība uz izkausētajiem pilieniem nodrošina arī ievērojami vienmērīgāka lietņa veidošanos, jo pilieni nenogulsnējas tikai lietņa vidus daļā, bet vienmērīgi par visu kristalizatora plakni - 6.zīm. Spēcīgu spiediena svārstību inducēšana pilienos un šķidrā metāla apgabalā pirms kristalizācijas arī nodrošina gāzu un vieglās frakcijas (izdedžu atlikumu) transportu no šķidrā metāla, nodrošinot labu un vienmērīgu lietņa kristalizācijas struktūru - veidojas viendabīgs lietnis, nevis pārslveida vai graudains produkts.

[019] Pastāvīgais magnētiskais lauks tiek radīts ar pastāvīgo magnētisko sistēmu, kas veidota no maziem pastāvīgo magnētu gabaliem, kuri izkārtoti toroidālā formā kā redzams 7.zīm, kur augšpuse no toroidāli izkārtotajiem magnētiem ir ar magnetizāciju, kas vērsta radiāli virzienā uz asi, bet apakšpusē - pretēji. Papildus magnētiskā lauka pastiprināšanai magnētiskās sistēmas toroīda ārējā sānu virsmā var izmantot t.s. feromagnētisko jūgu. Magnētiskās sistēmas lielums (toroīda izmēri, magnētu magnetizācija, magnētiskā jūga izmēri) jāizvēlas atbilstoši reaktora izmēriem tā, lai uz ass tiktu sasniegts pastāvīgais magnētiskai lauks - 200-400 mT. Toroīds izvietojums attiecībā pret reaktoru tiek veidots tā, lai tā vidusspunkts sakristu ar kušņu (5) apakšējo virsmu - sākotnējo kristalizācijas fronti 7 un vienlaicīgi ar viena vijuma induktora vidusplakni.

[020] Papildus efektivitātes uzlabošanai, it sevišķi, ja tiek izmantots rutils ar piemaisījumu daudzumu >5 %, tēraudu un rutilu var iepriekš sakausēt elektriskā loka krāsnī. Vispirms tiek kausēti čuguna vai tērauda metāllūžņi. Pēc to izkausēšanas no krāsns atdala kausēšanas laikā radušos izdedžus un šķidrās metāla vannas augšpusē atsevišķās porcijās pievieno maisījumu no rutila un reducētāja (oglekļa vai koksa). Iespējamo palikušo piemaisījumu un citu iežu izdegšanai izmantotajā rutila sastāvā pievieno kaļķakmeni vai kaļķi (atkarībā no izmantotā rutila tīrības) - šim nolūkam ir nepieciešams sasniegt TiCh avotu, kur tā masas % ir vismaz 95 %. Maisījuma kausēšanas procesā notiek sastāvā parasti esošā dzelzs oksīda reducēšanās. Atjaunotais dzelzs pāriet metāliskā kausējumā, kas radītajos izdedžos izraisa titāna oksīda koncentrācijas paaugstināšanos.

[021] Augsta titāna satura dzelzs sakausējuma iegūšanai vispirms tiek gatavots maisījums no minētā rutila un dzelzs maisījuma, un alumīnija pulvera, kura frakcija ir diapazonā 600900 mkm. Maisījumu ievieto metāla čaulā, ko tālāk izmanto par kūstošo elektrodu elektrosārņu pārkausēšanas iekārtā. Vienreizējais elektrods, ko veido metāla čaula ar iepriekš minētā maisījuma pildījumu, tiek pieslēgts pie strāvas avota pozitīvā pola un nolaists izkausētajā kušņu slānī, kas atrodas kausēšanas tvertnes apakšā, līdz saskarei ar apakšu, kur tiek padots strāvas avota negatīvais pols. Kušņos tiek nodrošināts alumīnija un kalcija oksīdu sajaukums. Pēc tam, kad ir izveidots kontakts starp elektrodu un tvertnes apakšu, tiek pieslēgts spriegums un vienreizējais elektrods tiek pacelts līdz izveidojas elektriskais loks ar optimāliem elektriskajiem parametriem, kas nodrošina elektriskā loka stabilu degšanas režīmu.

[022] Siltuma izdalīšanās rezultātā no kušņu strāvas elektriskās pretestības un no pildījuma komponentu reducēšanās eksotermiskajām reakcijām notiek vienreizējā elektroda kušana. Tas notiek reģionā, sākot jau ar pārkausējamā elektroda galu, un turpinās, tam ejot cauri izkusušajam kušņu slānim, līdz tas kristalizējas tvertnes apakšā lietņa veidā. Uz kausējumu no tā izkušanas līdz tā kristalizācijas brīdim nepārtraukti iedarbojas impulsveida magnētiskais lauks, kas tajā rada impulsveida spiediena svārstības, kas, savukārt, pirmkārt, uzlabo reakcijas ātrumu, un, otrkārt, rada katrā pilienā mikrokustību, kas, savukārt, uzlabo reaģentu transportu un, attiecīgi, reakciju ātrumu. Lai arī kušņiem ir relatīvi maza elektrovadītspēja, plūstošās strāvas dēļ ārējais magnētiskais lauks rada makroskopisku plūsmu arī šajos kušņos, kas, savukārt, nozīmē, ka ar to tiek nodrošināta efektīvāka citu piemaisījumu aizvākšana no kausējumu pilieniem.

[023] Reducētais titāns un dzelzs, ejot cauri radīto šķidro izdedžu slānim, sakrājas tvertnes apakšā. Pēc vienreizējā elektroda pilnīgas izkušanas krāsns enerģijas padeve tiek atslēgta un kausējuma produktiem ļauj atdzist. Radīto ferotitāna lējumu atbrīvo no izdedžiem un kopā ar citiem kausējumiem (no iepriekšējiem kausēšanas procesiem) kausē indukcijas krāsnī, veidojot produkta izskata stieni ar vidējo ķīmisko sastāvu, masas %: titāns - 70-80 %, dzelzs -12-17 %, alumīnijs - 3-6 %, citi piemaisījumi - līdz 2,6 %, tostarp silīcijs, mangāns, vanādijs un sērs.

Izgudrojuma īstenošanas piemēri

[024] Par kausējamo krāsni augsta titāna satura izdedžu iegūšanai tika izmantota eksperimentāla līdzstrāvas elektrosārņu pārkausēšanas krāsns ESAB-LF-40M ar šādiem galvenajiem tehniskajiem parametriem: nominālais tilpums, kg - 20; transformatora jauda, kVA - 40; strāvas maksimālais lielums, A - 1200; otrreizējais spriegums, V - 12^40.

[025] Par reducētāju tika izmantotas elektrodu šķembas ar oglekļa saturu 86 masas % un alumīnija pulveris PA-2 (800 mkm). Silīcija dioksīda reducēšanai tika izmantots svaigi apdedzināts kaļķis, kuru gabalu izmērs bija ne vairāk kā 100 mm. Kūstošā elektroda izveidei tika izmantots rutila koncentrāts (T1O2 > 95%) un tērauds (0,5-3mm).

[026] Ferotitāna kausēšana tika veikta, galvenajā rutila un tērauda skaidu maisījumā (vismaz 82 masas % T1O2, max 9 masas % FeiCh, pārējais: alumīnija, silīcija, vanādija un mangāna oksīdu, kā arī, iespējams, sēra un fosfora piemaisījumi) esošos titāna, dzelzs un silīcija oksīdus reducējot ar alumīniju, kausējot kūstošo elektrodu zem aizsargkušņiem. Izejvielu sastāvs (no kā tiek veidots kūstošais elektrods) ir: rutils - 48-55 %; alumīnija pulveris - 2225 %, dzelzs - 12-16 %, kaļķis vai kaļķakmens - 10-15 % un citi piemaisījumi 0-7 %. Galvenajā maisījumā, kas tika izmantots par vienreizējā elektroda pildījumu, ietilpa smalcināti izdedži (iepriekš minētā sastāva titāna oksīds, alumīnija pulveris un kā saistviela - šķidrais stikls). Silīcija oksīda plūšana tika nodrošināta ar maisījumam pievienoto kaļķakmeni. Pēc izdedžu, alumīnija pulvera un šķidrā stikla dozēšanas galvenā maisījuma sastāvs tika sajaukts, lai tā sastāvu padarītu vienmērīgāku. Sagatavotais maisījums tika ievietots vienreizējā elektroda tērauda čaulā un noblīvēts ar presēšanas aprīkojumu.

[027] Sagatavotais vienreizējais elektrods tika pieslēgts pie līdzstrāvas padeves pozitīvā pola, bet kausējamās tvertnes apakša - pie negatīvā pola. Ar elektriska mehānisma palīdzību elektrods tika nolaists līdz kontakta izveidei ar kausējamās tvertnes apakšu, izejot cauri aizsargkušņu slānim tvertnes apakšā. Ieslēdzot enerģijas padevi, tika aktivizēts elektriskais loks starp kūstošo elektrodu un tvertnes apakšu, izraisot vienreizējā elektroda kušanu. Vienlaicīgi tika padota barošanas strāva impulsu barošanas avotam, kas veica izlādi caur strāvas gredzenu, kurš atradās pret kušņu zonu. Vienreizējā elektroda pārvietošanās ātrumu nodrošināja tā resgaļa kušana izdedžu fāzē tā, lai elektroda gals visu laiku atrastos zem kušņu virsmas. Vienreizējā elektroda kausēšanas aizsargkušņiem tika izmantots maisījums masas %: 50 - AI2O3 un 50 - CaO. Šķidrajā fāzē var veidoties dažādu stehiometriju kalcija alumināti, kuru kušanas temperatūras variē. Elektroda kausēšanas laikā radītā kausējuma augšpusē ar atsevišķām porcijām tika pievienots kaļķakmens, lai uzlabotu plūstamību alumīnija oksīdam, kas izveidojās atjaunošanās procesu rezultātā, iegūstot viegli kausējamus un šķidrus izdedžus.

[028] Pēc vienreizējā elektroda izkausēšanas elektrisko krāsni izslēdza, bet izveidoto, kompakto ferotitāna stieni un izdedžus atstāja elektriskā loka krāsnī līdz pilnīgai atdzišanai. [029] Lai apstiprinātu šī izgudrojuma pielietojamību rūpniecībā, tika veikta virkne izmēģinājuma kausēšanas procesu: pa 3 katrā režīmā. Tehnisko raksturojumu dati augsta titāna satura dzelzs sakausējuma iegūšanai un produkta salīdzinošais ķīmiskais sastāvs ir norādīti 1. un 2. tabulā.

[030] 1. tabula. Augsta titānā satura dzelzs sakausējuma iegūšanas salīdzinošie raksturlielumi

Parauga Nr. pēc kārtas	Vienreizēja elektroda un elektriska kausēšanas režīma tehniskie raksturlielumi
Augstums, mm	Kopējā magnētiskā lauka integrālais maksimālais lielums, T	Pildījuma saturs, kg	Pildījuma blīvums pēc presēšanas, t/m3	Strāvas stiprums, A	Spriegums, V
1.	650	0,70	5,6	1,80	200...280	25...30
2.	680	0,80	6,1	2,75	320...360	28...35
3.	680	0,65	5,8	3,05	400...450	32...36

[031] 2. tabula. Salīdzināmais ķīmiskais sastavs un iegūstama augsta titānā satura dzelzs savienojuma kvalitāte atbilstoši aprakstītajam izgudrojumam un tuvākajam analogam

Parauga Nr. pēc kārtas	Augsta titānā satura dzelzs sakausējuma ķīmiskais sastavs, masas %
Ti	Fe	AI	Si	Mn	V	S
1	77,29	15,02	3,68	0,10	0,81	0,39	0,02
2	79,02	13,21	5,01	1,00	0,79	0,39	0,04
3	77,45	16,28	3,18	0,19	0,83	0,46	0,03

[032] 1. un 2. tabulas 2. paraugs uzrāda augstu (79 masas %) titāna saturu dzelzs sakausējumā, tomēr arī alumīnija sastāvs ir palielināts. Iegūtā lējuma kvalitāte ir augsta, savukārt citu piemaisījumu daudzums, tostarp silīcijs, mangāns, vanādijs un sērs, nepārsniedz 2,6 masas %.

Informācijās avoti

1. UA 51032 A,

2. UA 58671 A

3.UA51917A,

4. RU 2131479 Cl,

5.UA59720A,

6. US 6349107 B1

Claims (10)

1. Paņēmiens augsta titāna satura dzelzs sakausējuma iegūšanai no ķīmisko elementu maisījuma uz rutila bāzes, kas raksturīgs ar to, ka paņēmiens ietver šādus secīgus soļus:

(i) kūstoša elektroda nodrošināšana, metāla čaulā ievietojot pulverveida ķīmisko elementu maisījumu uz rutila bāzes;

(ii) kūstoša elektroda pārkarsēšana izkausēto kušņu slāni (5), izkusušā metāla slāni (6) un kristalizējamo sakausējumu pakļaujot pastāvīgā magnētiskā un impulsveida elektromagnētiskā lauka avotu iedarbībai, kas rada šķērslauku un aksiālo lauku attiecībā pret izkausēto kušņu slāni (5), izkusušā metāla slāni (6) un/vai dzesējamo kristalizatoru (4), turklāt pastāvīgais magnētiskais lauks ir izvēlēts diapazonā 200-400 mT, bet impulsveida magnētiskais lauks - diapazonā 400-800 mT ar impulsu biežumu 1-10 Hz;

(iii) pēc kūstoša elektroda izkušanas - kausējuma produkta atdzesēšana un atbrīvošana no izdedžiem.

2. Paņēmiens saskaņā ar 1 .pretenziju, kurā ķīmisko elementu maisījums uz rutila bāzes ir izvēlēts no grupas, kas sastāv no rutila, oglekļa, čuguna, dzelzs, tērauda, kalcija, koksa, kaļķa vai kaļķakmens un alumīnija pulvera, kura frakcija ir diapazonā 600 - 900 mkm.

3. Paņēmiens saskaņā ar 1 .pretenziju, kurā metāla čaulas materiāls ir izvēlēts no grupas, kas sastāv no čuguna, dzelzs un tērauda.

4. Paņēmiens saskaņā ar 1 .pretenziju, kurā ķīmisko elementu maisījums uz rutila bāzes un/vai metāla čaula satur rutilu, alumīniju, dzelzi, kaļķi vai kaļķakmeni un citus piemaisījumus šādos daudzumos, masas %: rutils - 48-55 %, alumīnija pulveris -22-25%, dzelzs - 12-16 %, kaļķis vai kaļķakmens - 10-15 %, citi piemaisījumi - 0-5 %.

5. Paņēmiens saskaņā ar j ebkuru no iepriekšminētaj ām pretenzijām, kurā pirms kūstoša elektroda pārkarsēšanas (ii) solī elektrosārņus sakausē elektriskā loka krāsnī, vispirms kausējot čuguna vai tērauda elektrosārņus, pēc to izkausēšanas no krāsns atdala kausēšanas laikā radušos izdedžus un šķidrās metāla vannas augšpusē pievieno maisījumu no rutila un reducētāja - oglekļa vai koksa, pēc izvēles maisījumam pievienojot arī kaļķakmeni vai kaļķi.

6. Paņēmiens saskaņā ar jebkuru no iepriekšminētajām pretenzijām, kur pēc (iii) soļa no izdedžiem atbrīvoto kausējuma produktu pakļauj kausēšanai indukcijas krāsnī, veidojot augsta titāna satura dzelzs savienojuma stieni.

7. Iekārta augsta titāna satura dzelzs sakausējuma iegūšanai ar elektrosārņu pārkausēšanas metodi, kas ietver: elektroda turētāju (1); slēgtās atmosfēras rezervuāru (2); kūstošu elektrodu (3); dzesējamu kristalizatoru (4); dzesējamu pamatni (9) un elektromagnētisko sistēmu (8), kas ir izvietota rezervuāra (2) ārpusē, izkausēto kušņu slāņa (5), izkusušā metāla slāņa (6) un/vai dzesējamā kristalizatora (4) līmenī, turklāt elektromagnētiskā sistēma (8) ietver pastāvīgus magnētus un induktoru, kas ir savienots ar kondensatoru bloku impulveida strāvas iegūšanai; elektromagnētiskā sistēma (8) ir pielāgota pastāvīgā magnētiskā lauka radīšanai, kas ir šķērslauks attiecībā pret izkausēto kušņu slāni (5), izkusušā metāla slāni (6), kā arī dzesējamu kristalizatoru (4), kā arī impulsveida elektromagnētiskā lauka radīšanai, kas ir aksiāls lauks attiecībā pret izkausēto kušņu slāni (5), izkusušā metāla slāni (6), kā arī dzesējamu kristalizatoru (4), turklāt pastāvīgie magnēti ir pielāgoti pastāvīgā magnētiskā lauka veidošanai diapazonā 200-400 mT, bet induktors impulsveida elektromagnētiskā lauka veidošanai diapazonā 400-800 mT ar impulsu biežumu 1-10 Hz.

8. Iekārta saskaņā ar 7. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka induktors ir viena vijuma induktors.

9. Iekārta saskaņā ar jebkuru no 7. vai 8. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka elektromagnētiskās sistēmas (8) pastāvīgie magnēti ir izkārtoti toroidālā formā, kur augšpuse no toroidāli izkārtotajiem magnētiem ir ar magnetizāciju, kas augšpusē ir vērsta radiāli virzienā uz asi, bet apakšpusē - asij pretējā virzienā; turklāt pastāvīgo magnētu sistēma attiecībā pret iekārtu ir izvietojama tā, lai pastāvīgo magnētu sistēmas viduspunkts sakristu ar viena vijuma induktora vidusplakni.

10. Iekārta saskaņā ar 9. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka magnētiskā lauka pastiprināšanai magnētiskās sistēmas toroīda ārējā sānu virsmā ir izvietots feromagnētiskais jūgs.