Нові технології та устаткування для отримання титанової губки і переплавки її в зливок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.16.07 - “Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів”

Нові технології та устаткування для отримання титанової губки і переплавки її в зливок

Теслевич Сергій Михайлович

Київ - 2006

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на КП “Запорізький титано-магнієвий комбінат”.

Науковий керівник: заступник директора ІЕЗ ім. Є.О. Патона, д.т.н., професор, член-кореспондент НАНУ Жадкевич Михайло Львович

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, с.н.с., Медовар Лев Борисович, завідуючий відділом Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України

доктор технічних наук, професор Рябцев Анатолій Данилович, заступник завідуючого кафедрою Донецького національного технічного університету МОН України

Провідна установа: Національна металургійна академія України МОН України

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук Киреєв Л.С.

Аннотация

Теслевич С.М. Новые технологии и оборудование для получения титановой губки и переплава ее в слиток. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.07 - Металлургия высокочистых металлов и специальных сплавов. - Институт электросварки им. Е.О. Патона Национальной академии наук Украины, г. Киев, 2006 г.

В диссертации рассмотрены вопросы решения задачи повышения качества губчатого титана и его переплава, а также создания принципиально новой установки получения губчатого титана с цикловым съемом 3,8 т в сравнении с 0,87 т/цикл, действующей в промышленном производстве Украины.

Разработана методика многократного увеличения скорости реакции восстановления титана из его тетрахлорида магнием на периодически обновляемой поверхности титансодержащего расплава.

Определены температурные параметры для беспрепятственной транспортировки продуктов реакции восстановления титана по паропроводу из реторты-восстановления в реторту-конденсатор.

На основании комплекса теплотехнических и инженерно-технологических исследований для нового аппарата разработаны новые технологии восстановления титана из тетрахлорида титана магнием и вакуумной сепарации образующейся в процессе восстановления реакционной массы с получением губчатого титана высших сортов.

Проведены всесторонние исследования получения высококачественного губчатого титана на лабораторных и опытных установках. Определены условия управляемого удаления остаточного хлора при вакуумной сепарации губчатого титана. Проведена экспериментальная проверка распределения примесных элементов по объему блока губчатого титана весом до 3,8 т.

Были подготовлены специальные образцы, содержащие остаточный хлор в пределах 0,08…0,45 % мас., которые подвергались переплаву в индукционной и плазменно-дуговой печах. Исследования показали, что в газовой фазе присутствует водород и влага. Установлена корреляционная зависимость между увеличением содержания остаточного хлора в губчатом титане и содержанием водорода в газовой фазе над расплавом. Показано, что при индукционной плавке содержание водорода в слитке подчиняется закону Сивертса, при плазменной плавке содержание водорода в металле превышает равновесное в 1,2…1,3 раза.

На основании проведенных исследований показано, что содержанием водорода в газовой фазе над расплавом и в выплавленном слитке можно управлять изменением параметров плавки, расходом инертного газа, скоростью вытягивания слитка, содержанием хлора в губчатом титане и т.д.

Впервые разработана новая технология выплавки слитков из губчатого титана с повышенным (0,08…0,45% мас.) содержанием хлора. Она включает первый переплав губчатого титана в индукционной печи с секционным кристаллизатором, в результате которой удаляется избыточный хлор, а второй переплав может быть выполнен в вакуумно-дуговых, электронно-лучевых и плазменно-дуговых печах, для уменьшения количества водорода до требований ГОСТ 19807-91.

Губчатый титан нового качества, полученный в большегрузных аппаратах восстановления и сепарации, переплавлялся на вакуумно-дуговой печи ВД-11. Получены слитки весом 5 тонн диаметром 780 мм, отвечающие по всем параметрам требованиям существующих стандартов для сплава марки ВТ 1-0.

Наряду с разработкой промышленного производства слитков из губчатого титана нового качества, были проведены эксперименты по изготовлению фасонных титановых отливок с применением комбинированного расходуемого электрода, состоящего из двух прессованных и одной литой заготовок в реконструированных литейных гарнисажных печах с неводоохлождаемым титановым тиглем новой конструкции.

Ключевые слова: титановая губка, восстановление, вакуумная сепарация, реторта, индукционная плавка, плазменный переплав, вакуум, газовая фаза, водород, слиток.

Анотація

Теслевич С.М. Нові технології та устаткування для отримання титанової губки і переплавки її в зливок.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.07-Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів.- Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона Національної академії наук України, м. Київ, 2006 р.

У дисертації розглянуті питання створення принципово нової установки отримання губчастого титану з цикловим зніманням 3,8т порівняно з 0,87 т/цикл, яка існує в промисловості України.

На підставі комплексу теплотехнічних і інженерно-технологічних досліджень для нового апарату розроблені нові технології відновлення титану з тетрахлориду титану магнієм і вакуумної сепарації реакційної маси, що утворюється в процесі відновлення, з отриманням губчастого титану вищих сортів. Проведена експериментальна перевірка розподілу домішкових елементів у об'ємі блоку губчастого титану. Уперше виявлена кореляційна залежність між збільшенням вмісту залишкового хлору в губчастому титані і вмістом водню в газовій фазі над розплавом. Показано, що при індукційній плавці вміст водню в зливку підкоряється закону Сівертса, при плазмовій плавці вміст водню в металі перевищує рівноважний.

Уперше розроблена нова технологія виплавки зливків з підвищеним (0,08...0,45% мас.) вмістом хлору. Вона включає першу переплавку губчастого титану в індукційній печі з секційним кристалізатором. Друга переплавка може здійснюватись у вакуумно-дугових, електронно-променевих і плазмово-дугових печах.

Разом з розробкою промислового виробництва зливків із губчатого титану нової якості були проведені експерименти щодо виготовлення фасонного титанового литва із застосуванням комбінованого електрода.

Ключові слова: губчастий титан, відновлення, вакуумна сепарація, реторта, індукційна плавка, плазмовий переплав, вакуум, газова фаза, водень, зливок.

Abstract

Teslevich S.M. New Technologies and Equipment for Production of Titanium Sponge and its Remelting into Ingot. - Manuscript.

Thesis for a Candidate of Technical Sciences Degree in speciality 05.16.07. - Metallurgy of High-Purity Metals and Special Alloys. - The E.O.Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2006.

The thesis considers solution of the problems of development of a fundamentally new unit for production of 3.8 MT titanium sponge per cycle, in comparison with the process of production of 0.87 MT per cycle that is available in the industry of Ukraine.

New technologies for magnesium reduction of titanium tetrachloride and vacuum separation of the reaction mass formed in the reduction process to produce the highest-grade titanium sponge were developed on the basis of a package of general engineering, heat engineering and technological research.

Another series of experiments consisted in melting of titanium sponge produced in the first phase of experiments was carried out. The correlation existing between increase in the chlorine content of titanium sponge and hydrogen concentration of the gas phase over the melt was established for the first time. It is shown that in induction melting the hydrogen content of an ingot follows the Sivert's law. In plasma melting, the hydrogen concentration of metal is higher than the equilibrium level.

The new technology was developed for melting of titanium sponge with the increased chlorine content (0.08-0.45 wt. %) to produce ingots. It comprises first remelting of titanium sponge in induction furnace with a sectional mould, and then second remelting, which can be carried out in vacuum arc, electron beam and plasma arc furnaces.

Along with the development of commercial production of ingots from a new quality titanium sponge, the experiments were also conducted to produce shaped titanium castings using combined consumable electrodes in upgraded casting skull furnaces with a new design of the non-water-cooled titanium crucible.

Keywords: titanium sponge, reduction, vacuum separation, retort, induction melting, plasma remelting, vacuum, gas phase, hydrogen, ingot.

1. Загальна характеристика роботи

промисловий титан переплавка зливок

Титан поряд зі сплавами на його основі володіє унікальними властивостями, які дозволяють використовувати його як у військових, так і в цивільних областях техніки.

Актуальність теми. Необхідність корінного поліпшення якості губчастого титану і зливків на його основі за умови низьких витрат на виробництво зумовила появу і розвиток принципово нових технологічних процесів. У результаті цих високих вимог в Україні сформувалася нова підгалузь виробництва титану, що об'єднала виробництво титанової продукції від сировини (ільменітових концентратів) до зливків.

Аналіз шляхів світового розвитку титанового виробництва показав, що підвищення продуктивності і зниження витрат при виробництві губчастого титану і зливків на його основі можна здійснити в наступних напрямах:

створення нових технологій і устаткування для отримання губчастого титану;

інтенсифікація існуючого магнійтермічного процесу отримання губчастого титану;

розробка нових технологій вакуумної сепарації реакційної маси при виробництві губчастого титану з отриманням оптимального продукту, який можна економічно переплавити в зливок, знизивши при цьому вартість переділу;

розробка нових технологічних схем і устаткування для переплавки губчастого титану із заданими властивостями.

Існуючі в Україні технології та устаткування при виробництві титану давно не підлягали модернізації, а відновлення виробництва губчастого титану на КП “Запорізький титано-магнієвий комбінат” (ЗТМК) здійснено на основі морально застарілої апаратури і технології, техніко-економічні показники яких значно поступаються зарубіжним. Задача пошуку та створення нових технологій і устаткування для отримання високоякісного губчастого титану і переплавки його в зливки з одночасним зниженням витрат і поліпшенням якісних показників одержуваного металу і виробів з нього є конче актуальною.

При цьому виникає необхідність у більш глибокому вивченні процесів відновлення тетрахлориду титану, вакуумної сепарації реакційної маси і переплавки отриманого губчастого титану в зливки з різними фізико-хімічними властивостями.

Перераховані обставини зумовили актуальність роботи, пов'язаної зі створенням нового устаткування з підвищеним цикловим зніманням 3,8 т/цикл губчастого титану замість 0,87 т/цикл, яке в даний час використовується на КП “ЗТМК”.

З другого боку, вивчення поведінки хлору та інших летючих домішок при плавці у вакуумно-дугових, плазмово-дугових і індукційних печах дозволило знайти нові технологічні рішення та режими плавки губчастого титану з різним (аж до 0,45% мас.) вмістом хлору і створити технологію отримання якісних зливків.

Зв'язок дисертації з науковими планами, програмами, темами. Робота виконувалася в рамках Комплексної програми розвитку титанової промисловості України “Титан України”, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України № 783 від 18.11.1994 р. і Комплексної програми розвитку кольорової металургії України на період до 2010 р., прийнятою постановою Кабінету Міністрів України № 1917 від 18.10.1999 р.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертації: розробка нових технологій і промислового устаткування для отримання високоякісного губчастого титану і його переплавки в зливок.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

Вивчити кінетику процесу магнійтермічного відновлення титану з чотирьоххлористого титану і розділення продуктів реакції в апаратах з реакційною поверхнею від 0,0075 до 7,05 м².

Вивчити особливості формування блоку губчастого титану і його якість у великовантажних апаратах з цикловим зніманням 3,8 т/цикл.

Дослідити вплив різних параметрів на поведінку хлору - основної домішки, що визначає якість губчастого титану в процесі вакуумної сепарації.

Вивчити технологічні особливості переплавки губчастого титану з різним вмістом хлору та поведінку водню і вологи при вакуумно-дуговій, плазмово-дуговій і індукційній плавках титанової губки, дослідити якість металу.

Об'єкт дослідження. Процеси та устаткування в технології отримання губчастого титану і переплавки його в зливок.

Предмет дослідження. Залежності і фізико-хімічні особливості процесів, що протікають у великовантажних апаратах відновлення та сепарації нової конструкції. Закономірності вилучення залишкового хлору з губчастого титану при вакуумній сепарації реакційної маси і виявлення особливостей плавки губчастого титану з різним вмістом хлору і, зокрема, визначення складу газової фази над розплавом при плавці губчастого титану індукційним і плазмово-дуговим методами.

Умови вакуумно-дугової виплавки зливка із пресованого електрода і гарнісажної плавки комбінованого витратного електрода, що складається з пресованого губчастого титану і литої заготовки.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження, що ґрунтуються на фундаментальних закономірностях теорії відновлення титану з тетрахлориду магнієм, теорії вакуумної сепарації при глибокому очищенні речовин у вакуумі, теорії плавки титану у вакуумі і в атмосфері інертного газу.

Практичні експерименти проводилися з використанням експериментальних установок лабораторного, дослідного і дослідно-промислового типу. Балансові завершальні експерименти - на дослідно-промисловій установці з використанням сучасних методів контролю якості і управління технологічними процесами.

При проведенні досліджень застосовувалися методи математичного моделювання і статистичної обробки даних з використанням комп'ютерної техніки.

Наукова новизна. Наукову новизну мають перераховані нижче результати теоретичних і експериментальних досліджень, які вперше отримані в дисертації:

Уперше отримано в занурюваному реакторі десятикратне прискорення процесу відновлення титану рідким магнієм із його тетрахлориду шляхом періодичного оновлення реагуючих компонентів.

Отримала подальший розвиток концепція формування блоку губчастого титану в промисловому апараті, суть якої полягає в тому, що формування губчастої структури первинної кристалізації відбувається у вузькій пристінній зоні реактора на межі розділу дзеркала рідкого магнію та газової фази, а після 35…40 відсоткового використання магнію-відновника змінюється прискореним капілярним механізмом надходження магнію в зону реакції по всій поверхні блоку.

Уперше отримана емпірична залежність, що враховує зміни характеристик утворюваної в реакторі відновлення титанвміщуючої маси, кількість магнію та діхлориду магнію в об'ємі пор блоку губчастого титану.

Уперше отримані залежності вмісту водню та вологи в газовій фазі над розплавом при індукційній плавці губчатого титану, згідно з якими їх вміст пропорційний концентрації хлору в губці, швидкості плавки і обернено пропорційний кратності оновлення газової фази.

Подальший розвиток отримала теорія взаємодії водню з рідким металом стосовно системи активований у плазмі водень - рідкий титан, в якій зафіксовано більш, ніж у 1,2…1,3 рази підвищення водню в металі в порівнянні з рівноважним при температурі розплаву 2173 К.

Практична цінність отриманих результатів. Дослідження процесів отримання губчастого титану, що протікають у великовантажних апаратах нової конструкції і процесів переплавки губчастого титану, вироблених у цих апаратах, дозволило досягти значних практичних результатів:

розроблений і пройшов промислові випробування новий сумісний апарат отримання титанової губки магнійтермічним відновленням титану з тетрахлориду титану з використанням паропроводу, що обігрівається шляхом прямого пропускання через нього електричного струму. Принципово нова конструкція паропроводу захищена патентом України. Циклове знімання титанової губки на новому сумісному апараті досягло 4 т/цикл, порівняно з 0,87 т/цикл на існуючих апаратах;

розроблена принципово нова технологія отримання промислових блоків губчастого титану вагою до чотирьох тонн, яка дозволила інтенсифікувати процес відновлення;

уперше показана можливість отримання титанової губки із заданим вмістом хлору у великовантажних апаратах відновлення і її переплавки в зливок у індукційній печі з секційним кристалізатором при вмісті хлору до 0,45% мас. і вакуумно-дугових печах при вмісті хлору до 0,1% мас. при виплавці зливків титану діаметром 780 мм, вагою до 5 тонн;

освоєно промислове виробництво литих титанових виробів (деталі кислотостійких титанових насосів і корозійностійкої арматури на основі титану) із застосуванням для плавки на вакуумно-дуговій ливарній гарнісажній печі комбінованого витратного електрода, що складається з двох пресованих і однієї литої оборотної заготовки;

результати дисертаційної роботи лягли в основу програми по технічному переозброєнню виробництва титану на Запорізькому титано-магнієвому комбінаті.

Особистий внесок здобувача.

У співавторстві відповідно до публікацій, приведених в авторефераті, автору належать:

підбір, аналіз і узагальнення літературних даних [1, 2, 10];

розробка технологічних схем, що інтенсифікують виробництво губчастого титану [3];

ідея підходу до забезпечення надійності роботи великовантажних апаратів [4];

постановка задачі, планування експерименту, аналіз і узагальнення результатів досліджень складу газової фази при індукційній і плазмовій плавці титану [5, 6];

постановка задачі, проведення експериментів по дослідженню умов роботи занурюваного нагрівача [7, 8];

оптимізація параметрів неводоохолоджуваного титанового тигля вакуумно-дугових гарнісажних ливарних печей [9];

ідея розробки програмного забезпечення автоматичного управління технологічним процесом відновлення тетрахлориду титану магнієм [11];

ідея прямонакального паропроводу для проведення процесу вакуумної сепарації титанвміщуючої маси [12];

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати роботи доповідались і обговорювались на:

Міжнародному семінарі по титану, 22-23 квітня 2003 р., м. Москва;

10-й Всесвітній конференції по титану, 17-19 квітня 2004 р., м. Гамбург;

Міжнародній конференції “Ti-2004 в СНГ”, 25-26 травня 2004 р., м. Санкт-Петербург;

Міжнародній конференції “Ti-2005 в СНГ”, 22-25 травня 2005 р., м. Київ;

Науково-практичному семінарі ІЕЗ ім. Є.О. Патона “Підвищення надійності зварних з'єднань при монтажі і ремонті технологічного устаткування в енергетиці”, м. Київ, 2005 р.;

На науковому семінарі металургійних відділів Інституту електрозварювання ім.. Є.О. Патона НАН України, 9 грудня 2005 р.

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи опубліковані в 9статтях, захищені 3 патентами України.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків і списку використаних літературних джерел із 145 найменувань. Основний зміст викладений на 224 сторінках машинописного тексту, включаючи 150 сторінок тексту, 104 малюнки і 15 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульована мета і задачі, які необхідно було вирішити в процесі досліджень і розробки промислової технології, приведені наукові і практичні результати роботи.

У першому розділі дисертації проведений літературний огляд існуючих технологій і устаткування по отриманню губчастого титану відновленням титану магнієм з його тетрахлориду та подальшої переплавки губчастого титану в зливок різними способами плавки, у тому числі вакуумно-дугової, електронно-променевої, плазмово-дугової і індукційної в секційному кристалізаторі. Зроблені висновки про необхідність отримання дешевого губчастого титану шляхом прискорення технологічних процесів його виробництва. Проаналізовані переваги й недоліки кожного способу плавки та обґрунтована необхідність вибору оптимального виду переплавки губчастого титану, отриманого за скороченим технологічним регламентом.

У другому розділі представлено дослідження і розробку основних елементів технології і устаткування магнійтермічного способу отримання губчастого титану. Проведений аналіз механізму і кінетики магнійтермічного процесу отримання титану, який показав, що основні шляхи інтенсифікації процесу відновлення титану з тетрахлориду титану можливі за рахунок збільшення реакційної поверхні та реакційного об'єму шляхом організації безперервного змочування реакційної поверхні рідким магнієм. З другого боку, підвищення продуктивності процесу вакуумної сепарації реакційної маси, отриманої в процесі відновлення, тісно пов'язано зі вмістом залишкового хлор-іона в губчастому титані. Представлена схема та короткий опис схеми і роботи лабораторної експериментальної установки, на якій проводилися дослідження щодо інтенсифікації процесів відновлення і вакуумної сепарації.

Перша серія експериментів здійснювалася на спеціально створеній лабораторній експериментальній установці.

Принцип роботи установки полягає в здійсненні обернено-поступальних рухів реактором із тетрахлоридом титану в розплаві магнію, що знаходиться в реторті. При цьому відбувається оновлення реакційної поверхні реагуючих компонентів, внаслідок чого зростає у 8…12 разів швидкість відновлення титану в порівнянні з досягнутою на нині діючому промисловому апараті.

В експериментальних умовах досліджено вплив технологічних параметрів процесів відновлення титану з тетрахлориду титану в реакторі занурювального типу і вакуумної сепарації отриманої реакційної маси із реактора.

У процесі вакуумної сепарації були визначені температура і тиск, при зміні яких виявилося можливим управління вмістом домішки залишкового хлору в інтервалі концентрацій 0,05…0,45 % мас. в губчастому титані, який використовували надалі для проведення процесів по переплавці у вакуумно-дугових, плазмово-дугових і індукційних печах з секційним кристалізатором.

Одночасно показано, що конфігурація блоку реакційної маси зі скрізною порожниною по осі блоку і пориста структура губчастого титану забезпечують підвищення продуктивності вакуумної сепарації в 2…3 рази вище досягнутої в промислових умовах.

На підставі виконаних досліджень визначені основні принципи розробки технологічних режимів при створенні апаратів з підвищеним цикловим зніманням і розроблена нова апаратурно-технологічна схема безперервного магнійтермічного виробництва губчастого титану з використанням занурюваного реактора.

Робота такого комплексу забезпечить при його експлуатації в промислових умовах якість губчастого титану відповідно до вимог Держстандарту 17746-96 і техніко-економічні показники виробництва, які перевершать досягнуті в даний час у промисловості.

У третьому розділі представлені матеріали по створенню дослідно-промислового апарату відновлення і сепарації продуктивністю 3,8 т/цикл губчастого титану.

До складу великовантажного апарата входять два поруч розташованих реактора діаметром 1500 мм, які з'єднані між собою паропроводом. В одному й тому ж реакторі здійснюється процес відновлення титану з утворенням титанвміщуючої маси діхлориду магнію та рідкого магнію, а також процес високотемпературного розділення в глибокому вакуумі продуктів реакції відновлення. Перехід на апарати діаметром 1500 мм сприяв суттєвому зниженню забруднення губчатого титану залізом, азотом і киснем.

Для ефективного проведення процесів відновлення емпіричним шляхом отримана формула, що визначає оптимальний рівень зон реакції взаємодії тетрахлориду титану з рідким магнієм:

H= h₁ + k [(T-T₁) - k₁(M-M₁)],

де: Н - відстань зони реакції від верхнього фланця реактора, мм;

h₁ - висота сформованого блоку титанвміщуючої маси, мм;

k - коефіцієнт, який враховує щільність блоку маси;

k₁ - коефіцієнт, який враховує щільність діхлориду магнію, перетин реактора;

Т - маса тетрахлориду титану, що прореагував, кг;

Т₁ - маса тетрахлориду титану, що прореагував на першій стадії процесу відновлення, кг;

М - маса злитого діхлориду магнію, кг;

М₁ - маса злитого на першій стадії процесу відновлення діхлориду магнію, кг.

Основним елементом конструкції установки сепарації є паропровід, що забезпечує транспортування парів магнію і хлористого магнію в конденсатор. При обігріві паропроводу за допомогою вживаних ковпакових печей спостерігалися значні втрати електроенергії (до 2000 кВт·год/т) і утворення твердої фази з продуктів реакції відновлення, що перешкоджало подальшому проведенню процесу вакуумної сепарації та призводило до зупинки апарата і втрат дорогого металу.

На підставі проведених досліджень був розроблений, запропонований і ефективно реалізований принципово новий спосіб обігріву паропроводу шляхом безпосереднього пропускання через нього електричного струму (мал. 3). Такий спосіб обігріву забезпечив вирівнювання високої температури впродовж усієї довжини паропроводу, що перешкоджало утворенню твердої фази, і продукти реакції відновлення безперешкодно транспортувались по паропроводу в конденсатор. Витрати електроенергії при цьому знизились до 200…580 кВт·год/т.

На дослідно-промисловому апараті було проведено декілька серій експериментів з отриманням блоків губчастого титану вагою 3,8 т. Результати приведені в таблиці.

Таблиця 1. Якість губчастого титану з апаратів цикловою продуктивністю 3,8 т.

№ процесу	Хімічний склад, % мас.	Твердість, од. HB	Марка ТГ
	Fe	Si	Ni	C	[Cl]	[N]	[O]
11	0,02	0,003	0,028	0,005	0,075	0,006	0,036	93	100
14	0,06	0,004	0,016	0,005	0,047	0,006	0,036	93	100
15	0,034	0,002	0,010	0,005	0,046	0,005	0,035	86	90
16	0,02	0,002	0,018	0,005	0,049	0,006	0,034	85	90
21	0,040	0,002	0,027	0,005	0,046	0,005	0,037	90	90
22	0,028	0,002	0,030	0,005	0,045	0,007	0,036	88	90
23	0,031	0,002	0,015	0,005	0,065	0,005	0,034	87	90
Середні. знач.	0,034	0,002	0,024	0,005	0,068	0,008	0,036	90,4
Вимоги Держстандарту 17746-96	0,09	0,02	0,04	0,02	0,08	0,02	0,05	-	ТГ-100

Із таблиці видно, що вміст домішок і твердість, як одна з характеристик якості губчастого титану (наприклад ТГ-100), з нового великовантажного апарату значно нижчі вимог Держстандарту 17746-96.

У четвертому розділі розглядаються особливості переплавки газонасиченого губчастого титану в плазмово-дугових печах і індукційних печах із секційним кристалізатором. Дослідження процесу вакуумної сепарації показали, що з блоку титанвміщуючої реакційної маси магній і хлористий магній вилучаються в основній масі з великою швидкістю, проте їх залишки випаровуються дуже повільно. На цей період припадає 75% всієї тривалості процесу вакуумної сепарації. Отримані експериментальні зразки за різною тривалістю періоду вакуумної сепарації, тобто з дещо підвищеним вмістом (до 0,45% мас.) залишкового хлору. В технічних умовах вміст хлору обмежується 0,08% мас.

Як показали експерименти, переплавку таких газонасичених зразків найкраще здійснювати методом індукційної плавки в секційному кристалізаторі. При проведенні плавок на індукційній і плазмовій печах вивчали поведінку водню-домішки, що знижує ударну в'язкість металу, і вологи-джерела як водню, так і кисню, надлишкова кількість яких збільшує крихкість титану.

Дослідні плавки на індукційній установці з секційним кристалізатором з аналізом газової фази над розплавом показали підвищення максимального вмісту водню при збільшенні вмісту хлору в губчастому титані.

Збільшення максимальної кількості водню в газовій фазі пов'язано, мабуть, з переходом вологи, поглинутої хлористим магнієм, який частково осідає на стінках плавильної камери, а також знаходиться на поверхні і в порах губчастого титану. У подальшим волога взаємодіє з рідким титаном, розкладаючись на водень і кисень. Одночасно з аналізом водню в газовій фазі досліджували поведінку вологи при плавці губчастого титану.

Збільшення максимальної кількості вологи в газовій фазі пов'язано, мабуть, з переходом із губчастого титану в атмосферу печі вологи з хлористого магнію, що знаходиться в порах губки, і її розкладанням на поверхні ванни розплаву.

Подібні вимірювання складу газової фази проводилися при переплавці зпресованого у витратну заготовку губчастого титану на чотирьохплазмотронній плазмовій печі УПП-3 потужністю 100 кВт, оснащеній металевим тиглем діаметром 160 мм. Переплаву підлягав губчастий титан, отриманий у великовантажних апаратах.

При вимірюванні кількості водню, що виділився в газову атмосферу плазмової печі при плавці губчастого титану зі вмістом хлору до 0,15 % мас., встановлено, що при збільшенні подачі плазмоутворюючого газу з 600 л/год. до 2400 л/год. максимальний вміст водню в газовій фазі знижувався з 1% об. до 0,5% об.

З другого боку, при постійній витраті аргону, але при збільшенні швидкості подачі заготовки з 120 мм/год. до 420 мм/год. максимальний вміст водню зростає в 3,3 рази (з 0,48 % об. до 1,6% об.), що, мабуть, пов'язано зі збільшенням маси рідкого металу, що містить підвищену кількість водню, джерелом якого може бути адсорбована губчастим титаном волога.

Аналогічна залежність спостерігається при зміні струмового навантаження на плазмотронах від 600 до 1600 А. Збільшення кількості водню в газовій фазі в даному випадку обумовлено переходом вологи зі стінок плавильної камери кристалізатора, корпусів плазмотронів під впливом випромінювання потужних плазмових дуг.

Аналізи на вміст водню у відлитих пробах металу показали, що його концентрація коливається залежно від вмісту водню в плавильному об'ємі печі і підкоряється закону Сівертса, рівноважна при індукційній плавці і перевищує рівноважну при плазмово-дуговій плавці в 1,2…1,3 рази. Це пояснюється невисокою температурою до 2000 К над розплавом при індукційній плавці і підвищеною активністю молекул водню під впливом плазмової дуги, температура якої досягає 25000 К.

Експерименти показали, що при переплавці губчастого титану з підвищеним (до 0,45% мас.) вмістом хлору спочатку необхідно на індукційній установці шляхом переплавлення звільнитися від хлору, а зменшення надмірної кількості водню в зливках першого переплаву та формування необхідної структури здійснити другим переплавом на вакуумно-дугових, електронно-променевих або плазмово-дугових печах.

У п'ятому розділі розглядається застосування вакуумно-дугової технології при переплавці губчастого титану, зпресованого у витратний електрод, на вакуумно-дугових і ливарних вакуумно-дугових гарнісажних печах. Представлені результати дослідження фізико-механічних характеристик металу пробних зливків діаметром 65 мм, виплавлених із пресованого губчастого титану нової якості з термінами зберігання від 1 до 3 місяців після виготовлення. Показано, що вміст шкідливих домішок у металі практично на порядок нижче за вимоги Держстандарту 19807-91. Аналогічні результати за якістю металу отримані при виплавці крупногабаритних зливків діаметром 780 мм і вагою до 5 тонн подвійною переплавкою на вакуумно-дуговій печі ВД-11. Плавки проводилися при силі струму на дузі до 25 кА на першій переплавці і 37 кА на другій переплавці.

Разом з розробкою промислового виробництва зливків із використанням вакуумно-дугової плавки були проведені експерименти по отриманню фасонного титанового литва на ливарних гарнісажних печах з використанням губчастого титану нової якості.

Для проведення плавок виготовляли спеціальний комбінований витратний електрод, що складався з трьох сполучених аргоно-дуговим зварюванням заготовок - дві з них зпресовано з губчастого титану діаметром 150 мм і завдовжки 450 мм і одна - стояк литникової системи як оборотний метал ливарної печі.

З метою збільшення максимального зливу рідкого металу і запобігання забрудненню литва матеріалом тигля виконані розрахунки по оптимізації теплової роботи титанового неводоохлоджуваного тигля діаметром до 500 мм при вакуумно-дуговій гарнісажній плавці.

Процес плавки тривав 0,5год, сила струму на дузі 15 кА, напруга на дузі 30…33 В. Дослідження якості отриманого литва показали, що хімічний склад і механічні властивості відповідають вимогам ТУ 48-10-8-86.

Загальні висновки

У дисертаційній роботі приведені нові уявлення про фізико-хімічні процеси, що відбуваються при відновленні титану магнієм з чотирьоххлористого титану і визначені принципи розробки великовантажних апаратів відновлення та сепарації.

Розроблені основні принципи прискорення процесу отримання губчастого титану методом магнійтермичного відновлення титану з його тетрахлориду магнієм періодичним оновленням реакційної поверхні в занурюваному реакторі.

Розроблена принципово нова концепція безперервного магнійтермичного процесу отримання губчастого титану в занурюваних реакторах нової конструкції, з'єднаних в безперервний технологічний ланцюг.

Отримала подальший розвиток концепція формування блоку губчастого титану в промисловому апараті, суть якої полягає в тому, що формування губчастої структури первинної кристалізації відбувається у вузькій пристінній зоні реактора на межі розділу дзеркала рідкого магнію та газової фази, а після 35…40 - процентного використовування магнію-відновника змінюється прискореним капілярним механізмом надходження магнію в зону реакції по всій поверхні блоку, що утворився.

Отримана емпірична залежність, що враховує зміни характеристик утворюваної в реакторі відновлення титанвміщуючої маси і кількість магнію та діхлориду магнію в об'ємі пор блоку губчастого титану.

Визначено температурний діапазон у межах 1023…1123 К для транспортування у вигляді парогазової фази продуктів реакції відновлення титану магнієм з тетрахлориду титану по паропроводу з реактора відновлення в реактор-конденсатор.

Установлені закономірності видалення летючих хлорвміщуючих з'єднань при вакуумній сепарації титанової губки із заданим вмістом хлору.

Показана можливість індукційної плавки в секційному кристалізаторі губчастого титану, отриманого за скороченим циклом вакуумної сепарації і вмістом хлору в межах 0,1…0,45% мас.

Уперше показано, що вміст водню і вологи в газовій фазі над розплавом при індукційній плавці губчастого титану пропорційний вмісту хлору в губчастому титані, швидкості плавки і обернено пропорційний кратності оновлення газової фази.

Установлено, що вміст водню в металі при плазмовій плавці пресованої заготовки з губчастого титану визначається парціальним тиском над розплавом, але перевищує рівноважний в 1,2…1,3 рази при температурі рідкого титану 2173 К.

Представлена нова технологічна схема і режими переплаву губчастого титану з підвищеним вмістом (до 0,45% мас.) хлору шляхом першого переплаву індукційною плавкою в секційному кристалізаторі та другого переплаву на вакуумно-дугових, електронно-променевих або плазмово-дугових печах для глибокого очищення розплаву від водню.

Уперше виконані розрахунки по оптимізації теплової роботи титанового неводоохолоджуваного тигля діаметром до 500 мм при вакуумно-дуговій гарнісажній плавці.

Розроблений новий великовантажний суміщений апарат і створена нова технологія отримання губчастого титану на цих апаратах з інтенсифікованими процесами відновлення титану з тетрахлориду титану магнієм.

Проведені промислові випробування великовантажного апарата нової конструкції, при цьому досягнуте циклове знімання 3,8 т/цикл губчастого титану в порівнянні з існуючими апаратами 0,87 т/цикл.

Проведені промислові випробування губчастого титану нової якості при виплавці серійних зливків діаметром 780 мм і вагою до 5 тонн на вакуумно-дугових печах. Якість металу відповідає вимогам Держстандарту 19807-91.

Список наукових праць по темі дисертації

1. Тэлин В.В., Теслевич С.М., Семенов А.И., Шварцман Л.Я., Егоров А.П. О состоянии производства титана губчатого в Украине// Титан.-2003.- № 2(13).- С.7-9.

2. Андреев А.Е., Яценко А.П., Проценко В.М., Тэлин В.В., Теслевич С.М., Шварцман Л.Я. Основы создания непрерывного процесса получения губчатого титана// Титан.-2003.- № 2(13).- С. 16-19.

3. Теслевич С.М., Шварцман Л.Я., Пампушко А.Н., Яценко А.П. О некоторых путях интенсификации процесса получения губчатого титана.// Титан.-2004.- № 2 (15).- С. 12-15.

4. Теслевич С.М., Тэлин В.В., Пампушко А.Н., Шварцман Л.Я., Яценко А.П. Проблемы надежности аппарата магниетермического получения губчатого титана повышенной цикловой производительности// Современная электрометаллургия.- 2004.- № 2(75).- С. 50-53.

5. Жадкевич М.Л., Шейко И.В., Теслевич С.М., Шаповалов В.А., Константинов В.С., Степаненко В.В. Исследование состава газовой атмосферы при индукционной плавке в секционном кристаллизаторе губчатого титана// Современная электрометаллургия.- 2004.- № 3 (76).- С. 37-41.

6. Жадкевич М.Л., Шаповалов В.А., Тэлин В.В., Теслевич С.М., Константинов В.С., Торхов Г.Ф., Бурнашев В.Р. Исследование состава газовой фазы при плазменно-дуговой плавке титана из спрессованной заготовки//Современная электрометаллургия.-2004.-№ 4.-С. 24-27.

7. Сидоренко С.А., Тэлин В.В., Теслевич С.М., Шварцман Л.Я. Исследование условий работы погружного нагревателя в процессе дистилляции тетрахлорида титана.// Металлургия. Труды Запорожской государственной академии.- 2003.- № 8.- С. 54-57.

8. Криворучко Н.П., Проценко В.М., Петрунько А.Н., Тэлин В.В., Теслевич С.М., Матвеев Е.А. Экспериментальное изучение процесса электролитического получения титана из его диоксида по способу FFC Cambridge process// Металлургия. Труды Запорожской государственной академии.- 2004.- № 10.- С. 59-61.

9. Жадкевич М.Л., Тэлин В.В., Теслевич С.М., Лесной А.Б., Демченко В.Ф., Шаповалов В.А.Оптимизация тепловой работы тигля при вакуумно-дуговой гарнисажной плавке// Современная электрометаллургия.-2005.-№ 3(80).-С. 47-50.

10. Пат. 3096 Україна, 7С22В34/12 Спосіб отримання губчастого титану / В.В. Телін, С.М. Теслевич, А.Н. Пампушко, Л.Я. Шварцман, К.Л. Феофанов, А.І. Семенов, С.І. Давидов. -Заявл. 26.01.2004, Опубл. 15.10.2004., Бюл. № 13. С. 25-26.

11. Пат. 4943 Україна, 7С22В34/12 Система автоматичного управління технологічним процесом відновлення тетрахлориду титану магнієм / В.В. Телін, С.М. Теслевич, А.Н. Пампушко, Л.Я. Шварцман, К.Л. Феофанов, С.І. Давидов, І.А. Куликовський, Д.А. Кригін. - Заявл. 01.06.2004, Опубл. 15.02.2005. Бюл. № 2. С. 34-36.

12. Пат. 4945 Україна, 7С22В34/12 Спосіб отримання губчастого титану / В.В. Телін, С.М. Теслевич, А.Н. Пампушко, К.Л. Феофанов, Л.Я. Шварцман, А.І. Семенов. Заявл. 01.06.2004; Опубл. 15.02.2005, Бюл. № 2. С. 42-44.

Размещено на Allbest.ru

...