МЕТАЛЛОТЕРМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИОННАЯ СМЕСЬ Российский патент 1998 года по МПК C21B15/02 C22B5/04 

Изобретение касается металлотермической реакционной смеси, состоящей из окиси металла, металла, неблагородного по отношению к окиси металла, и соответственно других примесей, причем отдельные компоненты присутствуют в форме мелких частиц.

Металлотермические реакции и смеси для их проведения известны более 100 лет. Металлотермическая реакция основана на восстановлении окиси металла через металл, неблагородный по отношению к металлу окиси металла, причем реакция после локального воспламенения реакционной смеси распространяется при тепловыделении более или менее быстро по металлотермической реакционной смеси. При этом неблагородный металл окисляется и всплывает в виде плавкого шлака, в то время как расплав благородного металла отделяется от шлака и собирается в нижней части реакционного сосуда. При этом технически пригодными для выплавки железа и стали, а также для получения металлов, не содержащих углерода и специальных сплавов, оказались, в частности, алюмотермические и кальциотермические реакционные смеси.

Прежде всего были затруднения в проведении металлотермической, сильно экзотермической реакции в технически управляемой форме. Существенным было предложение о проведении реакции путем точечного воспламенения с помощью легко воспламеняемой пирофорной массы или через пленку магния, как это впервые было описано в патенте ФРГ N 96317, 1895.

Для получения выплавки стали определенного состава к смеси из окиси железа/алюминия добавляли легирующие элементы в различной форме и различном составе. Легирующие элементы могут быть добавлены к реакционной смеси в виде металлов в размолотой форме или в форме их окисей или других химических соединений. Можно добавить углерод в свободной форме или в форме карбида для насыщения углеродом стали, полученной алюмотермическим путем. Для гашения экзотермической реакции к реакционной смеси могут быть добавлены, например, отходы чугунного литья, отходы штамповки конструкционных сталей и др.

Однако во всех этих случаях для получения воспроизводимого продукта реакции необходимо, чтобы алюмотермическая или в целом металлотермическая реакция протекала по возможности равномерно и, чтобы это равномерное течение реакции было воспроизводимым. При различной скорости протекания реакции может произойти потеря легирующих элементов. Это приводит к сплавам различного состава и тем самым также различных свойств. Если реакция осуществляется в литейном тигеле, отверстие основания которого герметизировано с помощью расплавленного затвора, как описано, например, в патенте ФРГ N 3211831, F 27 B 14/00, то расплавление затвора должно осуществляться в точно установленный временной интервал после воспламенения смеси для обеспечения окончания реакции и полного отделения шлака от расплава металла. При слишком быстром расплавлении затвора неотделенные жидкие частицы шлака могут быть унесены вытекающим расплавом металла. Если расплавление затвора осуществляется слишком поздно, то расплав может быть уже слишком сильно охлажденным и, тем самым, принимает состояние, которое является нежелательным при определенном техническом процессе.

Была сделана попытка улучшить воспроизводимость металлотермической реакции путем усовершенствования реакционного тигля относительно его формы (заостренный конус с различным углом наклона), размера, футеровки, покрытия и т.д. При этом были достигнуты определенные улучшения. Разумеется, на результат реакции и его воспроизводимость в значительной степени оказали влияние сноровка и опыт специалистов, занятых проведением реакции.

В настоящем изобретении рассматривается техническая проблема выравнивания металлотермической реакции, в частности алюмотермической реакции окиси железа с целью улучшения воспроизводимости протекания реакции и тем самым продолжительности реакции и продуктов реакции. При этом улучшение должно быть в значительной степени достигнуто в результате особенно благоприятно составленной реакционной массы, при этом не должны оставаться без внимания известные аппаратные возможности улучшения.

Предложенная в изобретении металлотермическая реакционная смесь отличается тем, что по меньшей мере 20 вес. окиси металла существуют в форме шаровидных частиц с величиной частиц от > 0 до 3,0 мм.

Обычно для получения металлотермических смесей в качестве окиси железа используется окалина, которая образуется при прокатке или волочении проволоки, причем в смеси присутствуют формы, сильно отличающиеся друг от друга: в форме прутиков, плоские, квази-прямоугольные или овальные и почти кубические частицы, смесь которых при очень ограниченной ширине полосы гранулометрического состава сама может вызвать различия в процессе протекания реакции с последующей различной потерей тепла в результате неравномерного излучения или в результате открытия затвора литейного тигля в неправильное время. Различия в ходе реакции могут также повлиять на состав конечного продукта.

При использовании предложенной в изобретении смеси обнаружилось, что реакция протекает непрерывно. Не ограничивая изобретение последующими предположениями о возможных причинах, все же многое говорит о том, что непрерывность течения реакции обусловлена применением частиц окиси металла в определенном соотношении поверхности к массе, которое устанавливается посредством, по меньшей мере, частичной замены частиц, присутствующих до настоящего времени в разбросанной форме, на частицы шаровидной формы согласно изобретению. При этом путем выбора соответствующего размера частиц можно получать реакционные смеси, имеющие требуемое течение реакции.

При этом неожиданным является то, что достигнутая стабильность реакции начинается уже при замещении лишь 20 вес. обычных частиц окиси металла на такие же частиц шаровидной формы и постоянно повышается до статистически еще прослеживаемого показателя, примерно 90 вес. частиц окиси металла в шаровидной форме.

Частицы окиси металла могут быть переведены в шаровидную форму способами, известными из уровня техники, например путем гранулирования. При этом частицы окиси метала, например окиси железа, сжимаются на бегунках. Затем получающиеся частицы шаровидной формы просеиваются на требуемую величину частиц.

Предпочтительная смесь содержит шаровидные частицы размером от 0,1 до 2,0 мм. Такая смесь быстро реагирует и в процессе реакции освобождает за короткий промежуток времени образовавшееся количество тепла. Благодаря излучению потери тепла сводятся к минимуму.

Особой проблемой при получении, транспортировке, пользовании, а также хранении металлотермических реакционных смесей, в связи с наличием их в неукрепленной форме, является тенденция этих смесей к расслоению. Это объясняется, в частности, различием в удельном весе компонентов металлотермической реакционной смеси.

Кроме того, было обнаружено, что можно противостоять этому расслоению при использовании реакционных смесей, предложенных в изобретении. Это достигается простым способом посредством того, что применяют неблагородный металл, в основном алюминий или кальций, в отличие от сферической, предпочтительно, угловатой формы с размером частиц от > 0 до 1,5 мм. В результате сочетания шаровидной окиси металла определенного размера частиц с угловатой формой металла-восстановителя с определенным размером частиц достигается максимальная стабильность хода реакции при высшей степени гарантии относительно расслоения реакционной смеси при транспортировке, пользовании и хранении.

В предложенной в изобретении металлотермической реакционной смеси окисью металла является, предпочтительно, окись железа и неблагородный металл, предпочтительно алюминий. При необходимости могут быть добавлены легирующие элементы. Шаровидная окись железа может быть получена соответственно уже описанному способу путем сжатия на бегунках или другими способами, доступными специалисту без изобретательского участия. Могут применяться также частицы окиси железа, образовавшиеся в других способах, если они имеют шаровидную форму, в частности и предпочтительно, полученные возвратом в цикл отходов от травления ванны. При этом образовавшийся в больших количествах промышленный побочный продукт используется экономически выгодным и технически ценным способом.

Ниже приводятся примеры предложенных в изобретении металлотермических реакционных смесей соответственно алюмотермической основной смеси из окиси железа и алюминия с общим весом 1000 г.

Смесь 1:
800 г FeO, шаровидная форма, ширина полосы частиц > 0 3,0 мм;
200 г А1, угловатая форма, ширина полосы частиц > 0 1,5 мм.

Смесь 2:
763 г Fe₃O₄, шаровидная форма, ширина полосы частиц > 0 - 3,0 мм;
237 г А1, угловатая форма, ширина полосы частиц > 0 1,5 мм.

Смесь 3:
747 г Fe₂O₃, шаровидная форма, ширина полосы частиц > 0 - 3,0 мм
253 г А1, угловатая форма, ширина полосы частиц > 0 1,5 мм.

Смесь 4:
572 г Fe₃O₄, шаровидная форма, ширина полосы частиц > 0 - 3,0 мм;
191 г Fe₃O₄, прокатная окалина, ширина полосы частиц > 1 - 3,0 мм;
237 г А1, угловатая форма, ширина полосы частиц > 0 1,5 мм.

Смесь 5:
448 г Fe₂O₃, шаровидная форма, ширина полосы частиц > 0 - 3,0 мм;
299 г Fe₂O₃, прокатная окалина, ширина полосы частиц > 0 - 1,5 мм;
253 г А1, угловатая форма, ширина полосы частиц > 0 1,5 мм.

Смесь 6:
Как смесь 5, но с добавлением 350 г ферромарганца в виде частиц.

Сущность: металлотермическая реакционная смесь состоит из окиси металла, металлического восстановителя, соответственно других примесей, причем отдельные компоненты присутствуют в виде мелких частиц, а по меньшей мере 20 вес.% окиси металла присутствуют в виде шаровидных частиц или приближенных к шаровидным частицам с величиной частиц от > 0 до 3,0 мм, благодаря чему достигается непрерывность и выравнивание реакции. 4 з.п. ф-лы.

1. Металлотермическая реакционная смесь, содержащая окись металла, металлический восстановитель и другие примеси, отличающаяся тем, что по меньшей мере 20 мас. окиси металла имеет шаровидную форму или приближенную к шаровидной форме с величиной частиц менее 3 мм, а металлический восстановитель имеет угловатую форму с размером частиц менее 1,5 мм. 2. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что шаровидные частицы окиси металла имеют размер 0,1 2,0 мм. 3. Смесь по п.1 и/или 2, отличающаяся тем, что в качестве окиси металла смесь содержит окись железа, а в качестве металлического восстановителя - алюминий. 4. Смесь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве окиси металла смесь содержит отходы от травления ванны. 5. Смесь по любому из пп.1 3, отличающаяся тем, что окись металла имеет гранулированную форму.