Металотермія

МЕТАЛОТЕРМÍЯ — металургійні процеси отрима­н­ня металів з їхніх сполук (оксидів, галідів, комплексних тощо) шляхом від­новле­н­ня більш активними металами (Al, Mg, Si та іншими), що су­проводжуються виділе­н­ням тепла. В основі цього процесу лежать окиснювально-від­новлювальні реакції. Узагальнену металотермічну реакцію можна пред­ставити рівня­н­ням

p/n МnХm + mМʼ = рМ + m/n МʼnХр — ΔН0T,

Залежно від теплового балансу металотермічного процесу метали виготовляють у злитковому, губчастому чи дис­персійному ви­глядах. Від­повід­но до вимог щодо чистоти отримуваних металів від­новлювальне плавле­н­ня проводять на повітрі, у вакуумі чи в середовищі інертного газу. Попереднє на­гріва­н­ня здійснюють в електричних печах опору, індукційних або газових печах. Для отрима­н­ня хімічно активних металів використовують герметичні метал. тиглі, які іноді вміщують у герметичні метал. реторти. Реактор (тигель) для проведе­н­ня від­новлювального плавле­н­ня є пере­сув. ємністю, яку футерують вогнетрив. матеріалами, напр., магнезитчною цеглою. Вихідні компоненти для від­новлювального плавле­н­ня попередньо по­дрібнюють та завантажують у бункер, звідки вони надходять у барабан. змішувач для створе­н­ня однорід. за складом шихти. Отриману шихту направляють за допомогою завантажувального при­строю у тигель. Пил, який утворюється при цьому, уловлюють та направляють на газоочище­н­ня. Тигель на­грівають за допомогою електропечі, в шихту опускають електроди та запалюють електричну дугу для ініціюва­н­ня металотермічної реакції. Після закінче­н­ня від­новлювального плавле­н­ня з тигля зливають утворені продукти у футеров. виливницю, в якій здійснюють їхнє охолодже­н­ня. Злиток металу формують тоді, коли тепла, що виділяється, до­статньо для роз­плавле­н­ня та роз­шарува­н­ня метал. і шлак. фаз в умовах інтенсив. тепловід­веде­н­ня через стінки, дно тигля та з від­критої поверх­ні роз­плаву. На практиці отрима­н­ня злитка металу металотермічним способом обмежене т-рою плавле­н­ня найтугоплавкішого та т-рою кипі­н­ня найлеткішого продуктів металотерміч. реакції. За­звичай умови проведе­н­ня від­новлювальних плавлень ви­значають на основі термодинаміч. аналізу металотерміч. реакцій. Їх обирають після встановле­н­ня залежності складу продуктів металотерміч. реакції від температури на­гріва­н­ня. Надлишок від­новлювача призводить не лише до зниже­н­ня температури продуктів унаслідок затрат тепла на його на­гріва­н­ня, але й до зміни температури їхнього плавле­н­ня та кипі­н­ня. У цьому випадку ви­вчають діа­грами стану, які описують залежність температури фазових пере­творень від складу системи. Позапіч. процес проводять у тиглях, які не обі­грівають, у тих випадках, коли тепла, що виділяється унаслідок пере­бігу реакції від­новле­н­ня, до­статньо для отрима­н­ня продуктів взаємодії у рідкому стані та досягне­н­ня у повній мірі роз­шарува­н­ня метал. і шлак. фаз. Від­повід­но пічний процес за­стосовують тоді, коли тепла, що виділяється, недо­статньо для роз­плавле­н­ня та необхід. пере­гріва­н­ня рідких продуктів від­новлювал. плавле­н­ня. Для отрима­н­ня чистих металів вміст домішок у компонентах металотерміч. шихти має бути мінімальним. Під час від­новлювального плавле­н­ня використовують остружини, гранули, порошок металу-від­новлювача та порошок від­новлювальної сполуки з ви­значеним складом фракції. З метою покраще­н­ня контакту між компонентами металотермічної суміші, зменше­н­ня поверх­ні теплооб­міну, а також для збільше­н­ня маси завантажуваної в тигель металотермічної суміші іноді шихту брикетують. Для видале­н­ня сорбов. газових домішок з поверх­ні вихідних речовин і футерівки тигель з ши­хтою вакуумують, після чого створюють у системі інертну атмо­сферу.

Найпоширеніший спосіб отрима­н­ня метал. урану — металотермічне від­новле­н­ня оксидів і тетра­фториду урану. Кальцій і магній практично нерозчин­ні в урані, ок­сиди та фториди урану — термічно стійкі речовини. Під час від­новле­н­ня оксидів урану кальцієм або магнієм теплові ефекти реакцій

UO2 + 2Са = U + 2СаО,

UO3 + 3Са = U + 3СаО,

UO2 + 2Mg = U + 2MgO,

UO3 + 3Mg = U + 3MgO

є до­статніми лише для роз­плавле­н­ня урану. Шлак, що утворюється унаслідок реакцій, пере­буває у твердому стані. За цих умов уран отримують у ви­гляді дріб. гранул. Температура продуктів металотермічних реакцій

UF4 + 2Са = U + 2СаF2, UF4 + 2Mg = U + 2MgF2,

навпаки, пере­вищує температуру плавле­н­ня не лише урану, але й шлаку. Завдяки цьому у повній мірі забезпечується роз­шарува­н­ня метал. і шлак. фаз, що до­зволяє отримувати уран у ви­гляді компакт. злитка. Вартість магнію, а також його питомі затрати на одиницю маси отриманого урану менші, ніж кальцію. Однак, унаслідок кальцієтерміч. процесу маємо пере­важно вищий вихід урану в злиток і тому простіше видобувати метал із шлаку. Крім того, отрима­н­ня злитка урану за допомогою магнію можливе лише за умови поперед. на­гріва­н­ня шихти, а через високий тиск парів магнію металотерміч. процес проводять тільки у герметич. реакторі. Кальцієтерміч. процес здійснюють в апараті від­критого типу без поперед. на­гріва­н­ня шихти, тобто позапіч. способом. За аналогією з ураном, кальцієтерміч. від­новле­н­ням діоксиду або тетрафториду плутонію отримують й метал. плутоній. Унаслідок реакції РuO2 + 2Са = Рu + 2СаО виробляють гранули плутонію, а внаслідок реакції РuF4 + 2Са= = Рu + 2СаF2 — плутоній у компакт. ви­гляді. З метою збільше­н­ня роз­міру частинок торію, які виникають при від­новлен­ні його діоксиду, в металотермічну шихту (як і при від­новлен­ні оксидів урану та плутонію) додають хлорид кальцію, що у роз­плавленому стані роз­чиняє на поверх­ні метал. частинок тугоплав. ок-сид кальцію. На від­міну від кальцієтерміч. від­новле­н­ня тетра­фторидів урану та плутонію, тепл. ефект реакції ТhF4 + 2Са = =Тh + 2СаF2 недо­статній для роз­плавле­н­ня тугоплав. торію та отрима­н­ня його у ви­гляді злитка. Для зменше­н­ня температури плавле­н­ня металу та збільше­н­ня тепл. ефекту в металотермічну шихту додають хлорид цинку. Сплав торію з 6–7 % цинку, який виникає унаслідок від­новлювал. плавле­н­ня за реакцією

ТhF4 + (2 + х)Са + хZnСl2 = Тh + хZn + 2СаF2 + +хСаСl2,

на­грівають у вакуумі для від­ганя­н­ня легколеткого цинку. При цьому торій лишається у ви­гляді губки, яку пере­плавляють для отрима­н­ня компакт. металу.

Осн. пром. способи виробництва метал. титану — магніє- і натрієтермічне від­новле­н­ня тетра­хлориду титану. Магнієтермічне від­новле­н­ня тетрахлориду титану проводять у герметич. метал. реакторі в атмо­сфері інерт. газу. В реактор завантажують роз­плавлений магній, а зверху подають рідкий тетрахлорид титану. Реакція від­новле­н­ня від­бувається ступінчасто — через утворе­н­ня нижчих хлоридів титану.

Сумарне рівня­н­ня реакції: ТіСl4 + 2Мg = Ті + 2MgСl2.

Для запобіга­н­ня взаємодії з продуктами металотерміч. реакції стінки реактора охолоджують. Рідкий шлак періодично зливають з реактора. Після проведе­н­ня металотерміч. процесу в реакторі залишається реакційна маса, що складається з титан. губки, пропитаної хлоридом магнію з надлишк. кількістю метал. магнію та невеликою кількістю нижчих хлоридів титану. Для ві­д­окремле­н­ня легколеткого магнію та його хлориду від титан. губки за­стосовують вакуумну ди-стиляцію. Продукти реакції можна також від­ділити гід­ро­металург. методом — вилуговува­н­ням реакцій. маси роз­бавленою хлори­стою кислотою. Як пром. від­новник тетрахлориду титану за­стосовують і натрій. Унаслідок роз­чине­н­ня натрію та нижчих хлоридів титану в хлориді натрію зменшується час їхнього пере­ходу в газову фазу. Тому ступінь викори­ста­н­ня натрію досягає 98–99,5 %, що до­зволяє проводити процес без надлишку металу-від­новника. Через ни-зьку температуру плавле­н­ня натрію його легше порівняно з магнієм подавати у реактор. Вироб-во губчастого цирконію або гафнію також здійснюють магніє- або кальцієтерміч. від­новле­н­ням. Осо-бливістю магнієтерміч. від­новле­н­ня тетрахлоридів цирконію та гафнію є завантаже­н­ня від­разу від­новлювал. сполуки у твердому ви­гляді у кількості потрібній на весь процес. Від­новле­н­ня роз­починається після роз­плавле­н­ня магнію в нижній частині герметич. реактора та випаровува­н­ня хлориду зі стакану, що роз­таш. над від­новлювачем. Як і при від­новлен­ні титан. губки, реакції від­новле­н­ня вирізняються багатьма стадіями.

Сумарні рівня­н­ня реакцій: ZrСl4 + 2Мg = Zr + 2МgСl2, НfСl4 + 2Mg = Hf + 2MgСl2.

Цирконієва та гафнієва губки більш пірофорні, ніж титанова. Водночас цирконієва губка має меншу пористість, ніж титанова, тому її важче сепарувати. Після вакуум. дис­тиляції губку пере­плавляють для отрима­н­ня компакт. металу. Гафній і цирконій отримують також у ви­гляді дрібнозернистих порошків унаслідок від­новле­н­ня їх діоксидом кальцію або гідридом кальцію:

МеO2 + 2Са = Ме + 2СаО, МеO2 + 2СаН2 = МеН2 + 2СаО + Н2, де Ме — Zr або Hf.

Для проходже­н­ня реакції шихту на­грівають в атмо­сфері аргону в герметич. сталевому апараті. Продукти реакції по­дрібнюють, обробляють водою та роз­бавленою соляною кислотою для видале­н­ня оксиду кальцію.

Метал. ванадій можна отримати унаслідок від­новле­н­ня його оксидів і галогенідів кальцієм, алюмінієм, літієм, натрієм, калієм, цирконієм. Найпоширеніші кальціє- і алюмінієтермічні способи від­новле­н­ня ванадію. Тепл. ефект реакції V2O5 + 5Са = 2V + 5СаО є до­статнім для роз­плавле­н­ня ванадію, який утворюється. Для отрима­н­ня великих корольків ванадію у металотермічну шихту додають флюс — хлорид кальцію. Процес проводять у печі в герметич. футеров. тиглі. Унаслідок алюмінієтерміч. від­новле­н­ня V2O5 утворюється сплав ванадію з алюмінієм:

3V2O5 + (10 + х)Аl = 6V + хАl + 5Аl2O3.

Алюміній від­ганяють від ванадію роз­плавом, витриманим у вакуумі. Пром. способом отрима­н­ня ніобію і танталу є натрієтермічне від­новле­н­ня їхніх комплекс. фторидів:

5Na + К2NbF7 = Nb + 2КF + 5NaF, 5Na + К2ТаF7 = Та + 2КF + 5NаF.

Від­новле­н­ня здійснюють у сталевому тиглі. Зверху металотермічну шихту засипають шаром хлориду натрію, який утворює зі шлаком легкоплавну суміш, що захищає метал. порошок від окисле­н­ня. При такому позапіч. процесі отримують тонкодис­персні порошки металів. Більш крупнозернистий порошок металів з меншим вмістом кисню утворюється після на­гріва­н­ня тигля з продуктами взаємодії в печі. Вищі тех.-екон. показники характерні процесу алюмінієтерміч. від­новле­н­ня оксиду ніобію. Від­новлювал. плавле­н­ня ніобію проводять позапіч. способом у сталевому футеров. тиглі в атмо­сфері аргону. Унаслідок проходже­н­ня реакції 3Nb2O5 + (10 + х)Аl = 6Nb + xА1 + 5Аl2O3 отримують компакт. злиток сплаву ніобію з алюмінієм. Після від­ганя­н­ня алюмінію на­гріва­н­ням сплаву у вакуумі ніобій рафінують за допомогою електрон­но-променевого пере­плавля­н­ня. Алюмінієтерміч. спосіб за­стосовують і для отрима­н­ня танталу з його оксидів Та2O5. Однак, унаслідок вищої (порівняно з ніобієм) температури плавле­н­ня танталу та його сплавів з алюмінієм для отрима­н­ня металу у ви­гляді злитка необхідне додатк. під­веде­н­ня тепла.

Легкоплавкі рідкісноземельні метали (РЗМ) виробляють кальцієтерміч. від­новле­н­ням їхніх хлоридів: 2LuСl3 + 3Са = 2Lu + 3СаСl2. Від­новлювал. плавле­н­ня проводять у сталевих футеров. тиглях в атмо­сфері аргону, шихту на­грівають до ініціюва­н­ня реакції. Під час проведе­н­ня процесу в малому мас­штабі в шихту додають іод (домішка для виділе­н­ня тепла), функції флюсу виконує іодид кальцію, який утворюється унаслідок реакції Са + I2 = СаI2. За допомогою цього способу виготовляють РЗМ у ви­гляді щільного злитка, який добре від­діляється від шлаку. Кальцій (до 2 %), який у них міститься, видаляють пере­плавля­н­ням металів у вакуумі. Висока леткість хлоридів слугує пере­шкодою для формува­н­ня злитків більш тугоплавких металів. Скандій і тугоплавкі РЗМ (Y, Gd, Тb, Dy, Но, Еr, Тm, Lu) отримують у компакт. ви­гляді в результаті кальцієтерміч. від­новле­н­ня їхніх фторидів. Металотерміч. процес здійснюють у тантал. тиглі в атмо­­сфері аргону. Тепл. ефект реакції 2LuF3 + 3Са = 2Lu + 3СаF2 недо­статній для роз­плавле­н­ня продуктів, що утворюються. Тому після проходже­н­ня реакції на­грівають тигель у печі та витримують метал і шлак у рідкому стані для забезпече­н­ня пов­ного роз­слоюва­н­ня фаз. Фториди самарію, європію та ітербію від­новлюють кальцієм лише до двовалент. стану, напр., 2SmF3 + Са = 2SnF2 + СаF2. Метал. самарій, європій і ітербій отримують від­новле­н­ням їхніх оксидів лантаном:

Sm2O3 + Lа = Sm + Lа2O3.

Спосіб ґрунтується на значно вищому тиску парів цих металів, ніж лантану, що до­зволяє зрушувати рівновагу металотерміч. реакції в напрямку утворе­н­ня необхід. продукту. Замість лантану як від­новник оксидів самарію, європію й ітербію можна використовувати церій або мішметал. Оксиди самарію, європію, ітербію можна від­новлювати до металів також і кальцієм, якщо в шихту ввести метал, який утворює з ними сплав. Ві­домий спосіб отрима­н­ня самарій-кобальт. сплаву за реакцією Sm2O3 + хСо + 3Са = 2Sm + хСо + 3СаО. Через високу температуру плавле­н­ня шлаку продуктами взаємодії є дрібні частинки сплаву.

Пром. спосіб отрима­н­ня метал. берилію — металотермічне від­новле­н­ня його фториду за реакцією ВеF2 + Mg = Ве + MgF2. Процес здійснюють в атмо­сфері аргону в графіт. тиглях, які на­грівають в індукц. печах. Уміст від­новника в шихті складає лише 75 % від кількості, необхідної за стехіометрією реакції. Це необхідно для досягне­н­ня ефекту викори­ста­н­ня у повній мірі магнію, для якого при т-рах пере­бігу металотерміч. реакції властивий високий тиск парів. Надлишк. кількість фториду берилію виконує функції флюсу. Унаслідок проходже­н­ня реакції берилій утворюється у твердому стані, тому після її заверше­н­ня продукти від­новлювал. плавле­н­ня на­грівають у печі для роз­плавле­н­ня берилію. Корольки берилію, які мають меншу густину, ніж шлак, плавляться, спливають на поверх­ню шлаку та формують на ній злиток металу. Під час охолодже­н­ня тигля метал кри­сталізується швидше від шлаку, що до­зволяє вилучати злиток берилію з роз­плавів солей. Солі з поверх­ні злитка берилію роз­чиняють у воді. Фторид берилію вилучають зі шлаку в процесі вилуговува­н­ня роз­чином фториду амонію. Нерозчин. осад, який складається з фториду магнію, після пере­робле­н­ня використовують як флюс у процесі від­новле­н­ня. На завершал. стадії берилій рафінують пере­плавля­н­ням злитків у вакуумі.

Характер. особливістю металотерміч. процесів отрима­н­ня кольорових металів, а також феро­сплавів і лігатур (на від­міну від виробництва рідкіс. металів) є від­новле­н­ня не чистих солей, а рудних концентратів, що складаються як з цін­них компонентів, так і зі знач. кількості домішок. Як від­новник під час їхнього виробництва найчастіше використовують алюміній. Алюмінієтермічні реакції пере­важно су­проводжуються знач. тепл. ефе-ктами, що до­зволяє отримувати кольор. метали та феро­сплави у ви­гляді компакт. злитків.

Осн. матеріал для виробництва метал. хрому алюмінієтерміч. способом — оксид хрому. Хром у компакт. ви­гляді отримують позапіч. способом. До складу металотерміч. шихти входять сухий оксид кальцію (флюс) і натрієва селітра (домішка для виділе­н­ня тепла). Спочатку частину шихти (10–15 % від заг. маси) завантажують у футеров. реактор, а на неї роз­міщують запалюв. суміш. Після загоря­н­ня запалюв. суміші на поверх­ню роз­плаву, що почав утворюватися, по­ступово завантажують ін. частину шихти.

Якщо металотермічну суміш на­грівати в печі, то можна не використовувати домішку для виділе­н­ня тепла. Для отрима­н­ня хрому у ви­гляді злитка є до­статнім пере­гріва­н­ня продукту реакції Сr2O3 + 2Аl + хСаО = 2Сr + Аl2O3 + хСаО вище температури їхнього плавле­н­ня. Удосконале­н­ня виробництва метал. хрому по-вʼязане з роз­робле­н­ням електропіч. способу проведе­н­ня від­новлювал. плавле­н­ня. За цим способом на поч. алюмінієтерміч. процесу на дно футеров. тигля завантажують металотермічну суміш (запалюв. частину шихти), склад якої не від­різняється від шихти для позапіч. плавле­н­ня хрому та яка містить 10 % від усієї кількості алюмінію й оксиду хрому. Після загоря­н­ня суміші в роз­плавлений шлак опускають електроди електропіч. агрегата та завантажують рудну частину шихти, яка становить 20 % від заг. маси оксиду хрому. Потім з реактора видаляють електроди, а на поверх­ню роз­плаву подають суміш із залишку алюмінію та всього флюсу (від­новлювал. частина шихти). Після пере­бігу реакції (Сr2O3 + СаО + + MgО)ж + (Аl + Сr2O3)тв — Сrж + + (Аl2O3 + СаО + MgOж) метал і шлак мають роз­плавлений стан.

Метал. марганець отримують позапіч. алюмінієтерміч. способом. Початк. матеріалом для від­новлювал. плавле­н­ня слугують піроксидні руди, які містять лише 84–94 % MnO2. Тому мета­лотерміч. спосіб отрима­н­ня мар­ганцю за­стосовують у тих випадках, коли домішки, які пере­ходять у метал, цьому не пере­шкоджають. Якщо від­новлювати хімічно чистий оксид марганцю, то можна отримати метал з вмістом 99,5 % Мn. Тепл. ефект реакції між оксидом марганцю та алюмінієм на­стільки великий, що об­умовлює бурхливий пере­біг металотерміч. процесу, який призводить до вики­дань шихти із реактора. Тому піроксидні руди попередньо обпалюють для пере­веде­н­ня МnO2 в нижчі оксиди марганцю. Для отрима­н­ня марганцю з вмістом алюмінію не більше 0,5 % кількість від­новника в шихті не повин­на пере­вищувати 90 % від значе­н­ня, необхідного за стехіометрією для реакції хМn2O3 + уМn3O4 + (2х + 8/3у)Аl = (2х + 3у)Мn + (х + 4/3у)Аl2O3. Як флюси використовують вапно (СаО) та плавик. шпат (СаF2).

Легувальні сплави при­значені для введе­н­ня до складу металів і сплавів легувал. елементів, що покращують властивість матеріалу. Як легувальні у знач. мірі використовують рідкісні метали. Для кращого засвоє­н­ня легувал. елементу його вводять в осн. матеріал у ви­гляді допоміж. сплавів (лігатур). У чорній металургії лігатури від­різняють від феро­сплавів, що за­стосовують не тільки для легува­н­ня, але й для роз­кисле­н­ня металів.

Осн. матеріали для проведе­н­ня від­новлювал. плавле­н­ня фероніобію — пірохлор. концентрат і тех. оксид ніобію. Піро­хлор. концентрат складається з мінералу пірохлору — (Са, Nа)2 (Nb, Тi)2О6 (О, ОН, F). Для проведе­н­ня алюмінієтерміч. процесу вміст сукупності оксидів Nb2O5 та супутнього йому Та2O5 у тех. оксиді ніобію має бути не менше 85 %. Для отрима­н­ня сплаву ніобію з залізом встановленого складу та покраще­н­ня тепл. умов проведе­н­ня процесу за­стосовують залізну руду, яка взаємодіє з алюмінієм зі знач. тепл. ефектом. У пром. мас­штабах фероніобій виробляють з тех. оксиду ніобію в нахил. футеров. реакторі. Шихту, яка містить флюси, по­ступово завантажують на роз­плав продуктів, які утворюються за реакцією Nb2O5 + Fе2O3 + + Аl + СаО + MgO → (Nb + Fе) ++ (Аl2O3 + СаО + MgO). Вміст ніо­бію в отриманому сплаві досягає 70 %. На від­міну від тех. оксиду ніобію, пірохлор. концентрат містить під­вищену кількість сполук (тепл. баласту), на на­гріва­н­ня яких потрібно затрачати тепло. Тому від­новлювал. плавле­н­ня фероніобію із за­стосува­н­ням пірохлор. концентрату проводять електропіч. методом. Зовн. на­гріва­н­ня до­зволяє не завантажувати в шихту домішок-окиснювачів, що виділяють теп­ло. На першій стадії електропіч. процесу на дно реактора завантажують залізотермітну суміш, що складається із заліз. руди, алюмінію та вапна. Опускаючи у суміш електроди та запалю­ючи між ними електр. дугу, ініціюють металотермічну реакцію та витримують продукти, що утворюються, у роз­плавленому стані. На другій стадії на поверх­ню роз­плаву завантажують шихту, яка складається з пірохлор. концентрату, алюм. порошку, заліз. руди та частинок метал. заліза. Після заверше­н­ня процесу продукти від­новлювал. плавле­н­ня витримують у роз­плавленому стані для доосадже­н­ня метал. крапель у злиток і зливають з реактора у виливницю. Фероніобій, який отримують унаслідок алюмінієтерміч. від­новле­н­ня пірохлор. концентрату, містить (%): (Nb + Та) — 56–62, Si — 10–13, Аl — 2–6, Тi — 3–8. Для зменше­н­ня вмісту кремнію у сплаві існує спосіб з додатк. стадією окисне­н­ня продукту плавле­н­ня. За цим способом після закінче­н­ня від­новлювал. процесу шлак зливають з реактора, а на поверх­ню роз­плавленого металу завантажують суміш вапна та ніо­бієвого концентрату, після чого барботують через рідкий метал кисень. Унаслідок продува­н­ня роз­плаву киснем утворюється пере­важно оксид кремнію, який пере­ходить у шлак. Однак при цьому від­бувається й часткове окисне­н­ня ніобію. Для зменше­н­ня ступеню окисне­н­ня ніобію продува­н­ня проводять при невеликій швидкості закачува­н­ня кисню. Періодично подачу кисню взагалі припиняють для запобіга­н­ня кри­сталізації металу.

Під час алюмінієтерміч. виробництва феротитану як сировину за­стосовують ільменіт. концентрат з вмістом мінералу ільменіту (FеТiO3) не меше 96,5 %. У шихту також додають залізну руду, кухон­ну сіль, вапно, кварцит і феросиліцій. Під­вище­н­ня вмісту кремнію в алюмінієтерміч. шихті сприяє кращому вилучен­ню титану в сплав. Це зумовлено тим, що титан утворює з кремнієм міцніші сполуки, ніж з алюмінієм. Для покраще­н­ня тепл. балансу металотерміч. процесу ільменіт. концентрат подають на стадію шихтува­н­ня без­посередньо після окислювал. обпалюва­н­ня при т-рі 300–450 °С. Операцію шихтува­н­ня по­єд­нують з операцією по­дрібне­н­ня металу-від­новника. В обертову змішувал. машину із завантаженим у неї ільменіт. концентратом під тиском нагнітають рідкий алюміній. По­дрібне­н­ня алюмінію від­бувається унаслідок стира­н­ня між шарами концентрату, що обертаються. Під час від­новлювал. плавле­н­ня титану позапіч. способом спочатку на дно реактора завантажують та запалюють частину шихти, що складається із заліз. руди, алюмінію, феросиліцію та вапна. Потім на роз­плав порціями подають осн. частину шихти. Після заверше­н­ня процесу в реактор вводять суміш із заліз. руди, алюм. порошку та вапна (залізотерміт. осаджувач). При цьому краплі заліза, що утворюються за реакцією Fe2O3 + 2Аl + СаО → 2Fe + Аl2O3 + + СаО, опускаючись у рідкому шлаці, коалесціюють з легшими краплями сплаву, що полегшує їхній пере­хід у злиток. Після витрима­н­ня продуктів у роз­плавленому стані для досягне­н­ня кінцевого роз­слоюва­н­ня метал зливають у ємність з на­грітими до 100–150 °С від­ходами титан. сплавів для отрима­н­ня фериту титану від­повід. складу. Шлак, що залишився в реакторі, зливають у виливницю або використовують для довід­новле­н­ня оксиду титану, що у ній міститься. Отриманий феротитан містить 26–35 % Ti. Від­ноше­н­ня вмістів алюмінію та кремнію до вмісту титану в сплаві (%): Al/Ti — 0,07–0,4, Si/Ti — 0,012–0,28. Шлак від­новлювал. плавле­н­ня феротитану містить 12–16 % ТiO2. У промисловості феротитан отримують електропіч. способом, що до­зволяє зменшити кількість заліз. руди або взагалі вилучити зі складу осн. частини шихти, й, від­повід­но, зменшити витрати алюмінію на від­новле­н­ня. Електропіч. процес роз­починають з отрима­н­ня на дні реактора рідкої ванни. Для цього в електр. печі плавлять частинки заліза, використовуючи роз­плав від поперед. від­новлювал. плавле­н­ня, або запалюють металотермічну суміш, склад якої ідентичний залізотерміт. осаджувачу для позапіч. плавле­н­ня. Потім на поверх­ні рідкої ванни роз­плавляють рудну частину шихти, що складається з ільменіт. концентрату та вапна, після чого під­німають з роз­плаву електрод, дозовано завантажують осн. частину шихти на його поверх­ню та проводять від­новлювал. плавле­н­ня. На завершал. стадії процесу для досягне­н­ня у повній мірі роз­слоюва­н­ня металу та шлаку використовують залізотерміт. осаджувач і витримують шлак у електропечі в роз­плавленому стані.

Для отрима­н­ня феровольфраму алюмінієтерміч. способом за­стосовують шеєліт. концентрат CaWO3 з вмістом WO3 не менше 55 %. Оскільки тепл. ефект реакцій недо­статній для роз­слоюва­н­ня металу та шлаку феровольфрам виробляють електропіч. способом. Від­новлювал. плавле­н­ня проводять у реакторі з вугіл. футерува­н­ням. Після заверше­н­ня процесу зі стінок реактора видаляють утворені охолоді (залишки незлитого закри­сталізов. металу), а на поверх­ню рідкого шлаку невиликими порціями завантажують алюм. порошок для довід­новле­н­ня сполук вольфраму. Залежно від марки феровольфрам містить (%): W — 71–85, Аl — 1,7–6, Мо — 0,3–7,0.

Металотермічні реакції використовують також для зварюва­н­ня металів терміт. способом (див. Термітне зварюва­н­ня).

Завантажити статтю