Разработка технологии производства железо-оксидтитановых композиций и титанмарганцевых лигатур для покрытий сварочных электродов

Несмотря на интенсивное развитие электронно-лучевого и лазерного видов сварки, ведущая роль в настоящее время принадлежит дуговой сварке, которая была и остается основным видом сварки плавлением. Это обусловлено высокой концентрацией тепловой энергии, универсальностью процесса, возможностью сварки в различных пространственных положениях, а также простотой, надежностью и относительно низкой стоимостью оборудования и материалов.

В связи с обширной номенклатурой свариваемых сталей существует широкое многообразие сварочных материалов для дуговой сварки. В процессе дуговой сварки свойства металла шва во многом зависят от химического состава, термодинамических и физико-химических свойств шлаковой и металлической составляющих сварочного материала, то есть, в конечном счете — от вида и качества используемых сырьевых материалов.

Для сварки большинства марок спокойных и полуспокойных сталей чаще всего применяют электроды с рутиловым (рутилсодержащим) покрытием, которые обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими видами электродов. Основу покрытия таких электродов составляет природный или искусственный рутиловый концентрат, содержащий более 80% диоксида титана, и низкоуглеродистый ферромарганец.

Актуальность работы. Нестабильность сырьевой базы, дефицитность и высокая стоимость некоторых базовых сырьевых материалов, используемых для составления шихтовых композиций сварочных материалов, вынуждают предприятия-производители либо искать новых поставщиков необходимого сырья, а при отсутствии таковых — переходить на другой вид сырья, зачастую гораздо менее качественный, либо сужать ассортимент выпускаемой продукции, либо организовывать производство необходимых или альтернативных необходимым материалов у себя из более доступного и дешевого сырья.

Наиболее дефицитными и дорогостоящими сырьевыми материалами для составления покрытий сварочных электродов для ручной дуговой сварки наиболее распространенных марок MP являются рутиловые концентраты ввиду истощения общих мировых запасов природного рутила [1] и низкоуглеродистый ферромарганец.

Использование в качестве титансодержащего составляющего шихты покрытий так называемого «искусственного рутила» способно лишь частично разрешить проблему по причине опять же высокой стоимости техногенных продуктов рутилизации: передельных титановых шлаков, двуокиси титана марок «техническая» и «пигментная». Частичная или полная замена ру-тилового концентрата на значительно более доступные и менее дорогостоящие железо-титановые концентраты без проведения каких-либо корректирующих мероприятий, как правило, приводит к снижению качественных характеристик металла шва.

Высокая стоимость и дефицитность используемых для введения в покрытия сварочных электродов низкоуглеродистого ферромарганца обусловлены, прежде всего, общим спадом в производстве ферросплавов.

Работа выполнена при поддержке гранта Министерства образования РФ в области технических наук № ТОО-5.1−1328 «Развитие теории и совершенствование технологии получения рутила из бедных ильменитовых руд» (№ госрегистрации г. р.о 1 200 104 802), а также в соответствии с комплексом НИР, проведенными на основании договоров между Учебным научно-производственным центром (УНПЦ) «Инновация» ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» (СибГИУ) и ОАО «ЗападноСибирский металлургический комбинат» (ЗСМК).

Цель работы. Целью настоящей работы является анализ рецептур покрытий сварочных электродов, создание научно и экспериментально обоснованной методики для их расчета, изучение возможности использования в составе покрытий менее дефицитных материалов, разработка и освоение технологии получения компонентов покрытий сварочных электродов.

Научная новизна.

1. Изучены основные технологические свойства железо-титановых концентратов, полученных из руд ряда месторождений Сибири и Украины, и марганцеворудных концентратов Джайремского ГОКа (Казахстан).

2. Исследована кинетика восстановления железо-титановых концентратов ряда месторождений металлургическим коксом при различных температурах. Определены механизм восстановления и основные факторы, влияющие на скорость и степень восстановления концентратов.

3. Изучены некоторые технологические свойства восстановленных железо-титановых концентратов, имеющие большое значение для последующей металлургической переработки.

4. Приведены исследования по алюминотермическому восстановлению различных железо-титановых и марганцеворудных концентратов. Сделано заключение о пригодности концентратов для алюминотермического синтеза ферротитана и титанмарганцевых лигатур.

5. Получены математические зависимости, позволяющие определить термодинамическую активность компонентов равновесных металлического и шлакового расплавов в процессе алюминотермического синтеза.

6. Определены факторы, влияющие на степень извлечения элементов в наплавляемый металл при сварке электродами марки МР-3.

Практическая значимость.

1. На базе проведенных исследований свойств железо-титановых и марганцеворудных концентратов сделаны заключения о пригодности того или иного концентрата для дальнейшей металлургической переработки.

2. Разработана технология и аппаратурное оформление восстановительного обжига железо-титановых концентратов в индукционных тигельных печах путем косвенного нагрева.

3. Разработана технология и аппаратурное оформление алюминотермического синтеза сплавов с титаном и марганцем с использованием железо-титановых и марганцеворудных концентратов.

4. Создана методика расчета состава шихты покрытия для сварочных электродов марки МР-3, позволяющая существенно расширить сырьевую базу материалов, используемых для их производства.

Реализация результатов. По результатам НИР совместно с УНПЦ «Инновация» СибГИУ разработана техническая документация для организации малотоннажного промышленного производства железо-оксидтитановых композиций и комплексных сплавов (лигатур) с титаном и марганцем в условии цеха производства сварочных электродов (ЦПСЭ) ОАО «ЗСМК». Документация передана ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат».

Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:

— результаты исследования свойств железо-титановых и марганцеворудных концентратов;

— результаты исследования факторов, влияющих на кинетику и степень восстановления оксидов железа в процессе восстановительного обжига железо-титановых концентратов;

— результаты исследования процесса алюминотермического синтеза сплавов с титаном и марганцем с использованием железо-титановых и марганцеворудных концентратов;

— результаты производства и испытания опытных партий сварочных электродов марки МР-3 в условиях ЦПСЭ ОАО «ЗСМК»;

— методика расчета состава покрытий для сварочных электродов марки МР-3 с использованием альтернативных материалов.

Автору принадлежит: исследование свойств железо-титановых и марганцеворудных концентратовисследование и описание факторов, влияющих на скорость и степень восстановления оксидов железа в процессе восстановительного обжига железо-титановых концентратовисследование и аттестация свойств восстановленных железо-титановых концентратовразработка технологии восстановительного обжига железо-титановых концентратов в условиях ЦПСЭ ОАО «ЗСМК" — разработка технологии алюминотермического синтеза сплавов с титаном и марганцем в условиях ЦПСЭ ОАО «ЗСМК" — создание методики расчета термодинамической активности компонентов металлического и шлакового расплавов, образующихся в процессе алюмино-термического восстановления железо-титановых и марганцеворудных концентратовразработка методики расчета состава покрытий для сварочных электродов марки МР-3.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Юбилейная всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы электрометаллургии стали и ферросплавов» (г. Новокузнецк, 2001 г.), Региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (г. Новокузнецк, 2002 г.), Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (г. Красноярск, 2003 г.), III Межвузовская научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы металлургии» (г. Екатеринбург, 2003 г.), Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука, технологии, инновации» (г. Новосибирск, 2004 г.), Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы: электрометаллургия, сварка, качество» (г. Новокузнецк, 2006 г.), Научно-практическая конференция «Перспективы развития металлургии в свете стратегии развития Томской области» (г. Томск, 2006 г.).

Публикации. Результаты, изложенные в диссертационной работе, опубликованы в 16 печатных работах в центральных журналах и сборниках, из них 8 статей.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения и приложений. Работа изложена на 193 страницах, содержит 35 рисунков, 37 таблиц, 3 приложения, список использованных литературных источников из 93 наименований.

Выводы.

1. Разработана технология восстановительного углеродотермического обжига железо-титановых концентратов в типовых индукционных тигельных печах.

2. Спроектирована промышленная установка полунепрерывного действия для восстановительного обжига железо-титановых концентратов на базе типовой индукционной печи ИСТ-0,5.

3. Разработана технология синтеза титанмарганцевых лигатур методом двухшлакового внепечного алюминотермического восстановления марганце-ворудных и железо-титановых концентратов.

4. Спроектирован промышленный вариант установки, позволяющий осуществлять синтез лигатур двухшлаковым методом с получением двух различных высокоглиноземистых шлаков — титанистого, реализуемого в огнеупорной или абразивной промышленности в качестве ценного сырья для получения титанистого и хромтитанистого электрокорундов, и марганцовистого, который может быть использован в сталеплавильном производстве в качестве легирующей и десульфурирующей присадки.

5. Выполнен проект отделений для осуществления восстановительного обжига железо-титанового концентрата и синтеза титанмарганцевых лигатур на свободных производственных площадях ЦПСЭ ОАО «ЗСМК». Техническая документация передана ОАО «ЗСМК».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Шихтовые композиции для покрытий сварочных электродов составляются достаточно произвольно на основе экспериментальных поисков без достаточной теоретической базы. С одной стороны в состав покрытий вводятся ферросплавы, обладающие высоким сродством к кислороду, с другой стороны — для создания защитной газовой фазы в покрытия включаются сильные окислители: мрамор и поташ, в результате термической диссоциации которых выделяется С02, высшие оксиды титана и железа, гидраФкисление низкоуглеродистого ферромарганца, входящего в состав покрытий сварочных электродов марки МР-3, в значительной степени происходит еще до плавления, за счет газообразных окислителей в температурном интервале 600−900 °С. То есть, большая часть ферросплава не участвует в процессах раскисления и легирования наплавляемого металла. В этой связи введение в состав шихты покрытий марганца только в виде высокопроцентного ферросплава неэффективночасть марганца должно вводиться в шихту в виде рудного (оксидного) материала, остальная часть марганца может быть введена в виде комплексных сплавов, содержащих до 35% Мп и 8−40% Ti.

Существующие методики расчетов составов шихтовых композиций для покрытий сварочных электродов базируются на экспериментально найденных коэффициентах извлечения элементов в наплавляемый металл и, по этой причине, применимы только для очень узких диапазонов изменения номенклатуры и состава исходного сырья и наплавляемого металла.

2. Создана методика расчета составов покрытий сварочных электродов марки МР-3.

Введение

для расчетов составов покрытий параметра Д, отражающего окислительно-восстановительные свойства покрытой части электрода, и определение графических зависимостей коэффициентов извлечения элементов в наплавляемый металл от значения параметра, А позволяет рассчитывать состав шихты покрытия с использованием широкой номенклатуры сырьевых материалов.

3. Низкая радиологическая активность и небольшое содержание примесей (в том числе серы и фосфора) делает железо-титановый концентрат, полученный из руд Николаевской россыпи, наиболее перспективным для дальнейшей химико-металлургической переработки наряду с товарным концентратом Вольногорского ГОКа.

Высокое содержание фосфора в Туганском и серы в Тарском железо-титановых концентратах сильно ограничивают область их использования без дополнительных операций по дефосфорации и десульфурации соответственно, которые неизбежно приведут к увеличению себестоимости последующих переделов.

Низкое содержание фосфора и серы в марганцеворудных концентратах Джайремского ГОКа делает их перспективным сырьем для последующей химико-металлургической переработки. Препятствием для их широкого использования в производстве марганцевых сплавов является высокое содержание диоксида кремния.

4. При твердофазном восстановлении оксидов железа металлургическим коксом из концентрата Николаевского месторождения около 80% железа может быть восстановлено до металлического состояния в интервале температур 1100−1200°С, из концентратов Туганского месторождения и Вольногорского ГОКа — 60−70%. Однако скорость восстановления концентратов Туганского месторождения и Вольногорского ГОКа на начальном этапе (20−30 мин.) выше, чем Николаевского концентрата. Это связано с тем, что почти все железо, входящее в состав Туганского и Вольногорского концентратов, находится в виде Fe203 либо в составе аризонита, либо в свободном виде (гематит) и восстанавливается легче, чем железо, входящее в состав ильменита Николаевского месторождения. Резкое снижение скорости восстановления Туганского и Вольногорского концентратов связано с появлением в продуктах восстановления большого количества свободного диоксида титана, взаимодействующего с ильменитом с образованием дититаната железа, в котором монооксид железа связан с двумя молекулами диоксида титана более прочно, чем в ильмените, что не позволяет получить полного восстановления оксидов железа при относительно низких температурах (1100−1200 °С).

Основными факторами, лимитирующими скорость и степень восстановления, следует считать температуру обжига, гранулометрический состав кокса-восстановителя и спекаемость продуктов восстановления.

Оптимальной температурой твердофазного восстановления следует считать 1100 °Спри 1000 °C восстанавливаются, в основном, высшие оксиды железа, в металлическую фазу переходит менее 50% железапри более высоких температурах значительно повышается спекаемость материала за счет рекристаллизации металлического железа и, возможно, образования легкоплавких оксидных смесей, в результате чего происходит уменьшение реакционной поверхности, и, как следствие, снижение скорости и степени восстановления.

5. Определены режимы восстановительного углеродотермического обжига железо-титановых концентратов в твердой фазе в индукционных тигельных печах. Основными факторами, влияющими на скорость и степень углеродотермического восстановления железо-титановых концентратов, следует считать температуру, продолжительность процесса и гранулометрический состав кокса-восстановителя. Параметры процесса обжига в индукционной тигельной печи могут регулироваться в достаточно широком диапазоне.

6. Разработана технология и аппаратурное оформление полунепрерывного производства железо-оксидтитановых композиций путем восстановительного обжига в индукционной тигельной электропечи железо-титановых концентратов. В качестве восстановителя показана целесообразность использования коксовой мелочи УСТК коксохимического производства.

7. Из железо-титановых концентратов Николаевского и Туганского месторождений и Вольногорского ГОКа можно получать титановые сплавы, содержащие 8−30% Ti. соответствующие ГОСТ или ТУ, методом внепечной алюминотермии. Даже в лабораторных условиях на малых объемах при высоком уровне тепловых потерь и малой продолжительности получен достаточно высокий выход металла, низкие потери и относительно невысокая кратность шлака. Необходимым условием для эффективной реализации синтеза является предварительный подогрев шихты до 400 °C.

8. Получены математические зависимости коэффициентов активности компонентов шлакового и металлического расплавов, позволяющие корректировать составы фаз для получения заданных сплавов с титаном и марганцем. Подтверждено аналитически, что при увеличении содержания в сплаве алюминия и кремния извлечение титана в металлическую фазу возрастает, так как снижается его термодинамическая активность в сплаве. Увеличение содержания кремния в сплаве способствует повышению коэффициента активности марганца в металлической фазе, однако, активность марганца при этом остается практически постоянной. Влияние увеличение содержания алюминия в сплаве приводит к возрастанию коэффициента активности и активности марганца в металлической фазе.

9. В лабораторных условиях опробована технология внепечного алюминотермического синтеза титанмарганцевых лигатур с использованием в качестве сырьевых материалов железо-титановых концентратов Вольногорского ГОКа и марганцеворудных концентратов Джайремского ГОКа. Данная технология помимо целевого сплава с высоким коэффициентом извлечения основных компонентов позволяет получать также товарные шлаки, которые могут быть использованы в огнеупорной и абразивной (титанистый шлак) и металлургической отраслях промышленности. Основная сложность получения титанмарганцевых лигатур в соответствии с двухшлаковым технологическим вариантом заключается в подборе оптимальных кинетических условий разделения шлаковой и металлической фаз и слива полученного металла из горна в горн и из горна в изложницу.

10. Разработана технология синтеза титанмарганцевых лигатур методом двухшлакового внепечного алюминотермического восстановления марганцеворудных и железо-титановых концентратов. Спроектирована промышленная установка, позволяющая осуществлять синтез лигатур двухшлаковым методом с получением двух различных высокоглиноземистых шлаков — титанистого, реализуемого в огнеупорной или абразивной промышленности в качестве ценного сырья для получения титанистого и хромтитанистого элек-трокорундов, и марганцовистого, который может быть использован в сталеплавильном производстве в качестве легирующей и десульфурирующей присадки.