СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЛЬМЕНИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА
METHOD OF REDUCTION OF ILMENITE CONCENTRATE

Способ восстановления ильменитового концентрата может быть использован в металлургии цветных и черных металлов для селективного восстановления оксидов железа титаномагнетитовых, железорудных, хромитовых и других сложных концентратов, содержащих оксиды железа.
Известен способ восстановления ильменитовых концентратов твердым углеродистым восстановителем (коксом) в жидкой ванне руднотермической электропечи при температуре (~1700°С) с получением расплавов науглероженного металлического железа (чугун) и оксидных титановых шлаков. [Гармата В.А, Гуляницкий Б.С., и др. Металлургия титана, М.: "Металлургия", 1968, с.101-116]. Способ включает подготовку ильменитового концентрата окомкованием (брикетирование, агломерация), загрузку в печь окомкованного концентрата, твердого углеродистого восстановителя (кокс) и флюсов (известняк). Загруженные материалы нагревают и расплавляют в ванне печи с помощью электрического тока. Одновременно восстанавливают оксиды железа концентрата твердым углеродистым восстановителем. Довосстановление оксидов железа ведут в жидкой ванне при температуре ~1700°С, после чего осуществляют совместный выпуск из печи чугуна и титанового шлака в изложницу. Полученный продукт охлаждают в изложнице и разделяют (по плотности) на титановый шлак и чугун.
Этот способ восстановления в жидкой ванне руднотермической плавильной печи является дорогостоящим процессом и характеризуется: высоким расходом огнеупоров, графитированных электродов, восстановителя и электрической энергии, низким тепловым к.п.д. и неполным восстановлением оксидов железа ильменитового концентрата.
2
3
3
4
Известен способ восстановления ильменитовых концентратов с получением твердого металлизированного железо-титанового сплава на основе двух частей - металлической железной и оксидной титановой [Зеликман А.Н, Меерсон Г.А., Металлургия редких металлов. М: "Металлургия", 1973, с.268-269]. Способ включает две стадии обработки концентрата. На первой - подготовительной стадии - предварительный окислительный обжиг ильменитового концентрата в печи «кипящего слоя» при температуре ~900°С в течение одного часа до окисления кислородом воздуха газовой фазы оксидов двухвалентного железа содержащихся в ильмените до FeО и FeO. В результате получают нагретый огарок ильменитового концентрата. На второй стадии - восстановительный обжиг огарка концентрата в печи «кипящего слоя», подачу в печь нагретого огарка и газообразного восстановителя - водорода, процесс ведут при температуре ~900°С в течение 0.5 часа до оптимального восстановления водородом оксидов железа огарка концентрата, после чего проводят охлаждение в теплообменнике восстановленного порошка огарка ильменитового концентрата.
Основными недостатками способа служат большие затраты на создание крупнотоннажной установки для получения водорода, относительно высокая стоимость производства водорода, значительный избыточный расход водорода для восстановления и уменьшения содержания водяных паров в реакционном газе, большой вынос пыли из печей кипящего слоя и их рецикл, значительные объемы газоочистки и потери ильменитового концентрата при переработке пыли.
2
3
3
4
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ восстановления ильменитовых концентратов с получением металлизированного железо - титанового сплава на основе двух частей -металлической железной и оксидной титановой [Зеликман А.Н., Крейн О.Е. и др. Металлургия редких металлов. М.: "Металлургия", 1978, с.234]. Способ включает две стадии обработки концентрата. На первой, подготовительной стадии - окислительный обжиг ильменитового концентрата во вращающейся трубчатой печи, окисление при обжиге кислородом воздуха газовой фазы оксидов двухвалентного железа ильменита до FeО и FeO при температуре ~1000°С в течение 3 часов, получение нагретого порошкообразного огарка ильменитового концентрата. На второй стадии - восстановительный обжиг огарка ильменитового концентрата твердым углеродистым восстановителем (кокс) в обогреваемой трубчатой вращающейся печи, загрузку в печь нагретого огарка обжига, твердого углеродистого восстановителя, подачу в свободное пространство печи (над материалом) через торцевую форсунку углеводородного топлива (природный газ) и окислителя (воздух) для его сжигания, нагрев огарка и восстановителя до оптимальной температуры восстановления ~1200°С, восстановление оксидов железа огарка твердым углеродистым восстановителем при температуре ~1200°С в течение 3 часов с охлаждением полученного восстановленного порошка во вращающемся трубчатом холодильнике.
Основными недостатками способа являются сравнительно низкая степень восстановления железа в концентрате, загрязнение продукта избытком кокса, значительная продолжительность восстановления и соответственно низкая удельная производительность процесса.
Задачей является повышение степени восстановления железа в концентрате, повышение качества восстановленного концентрата за счет уменьшения загрязнения продукта избытком кокса, повышение производительности процесса.
2
3
3
4
Предложен способ восстановления ильменитового концентрата, включающий предварительный обжиг концентрата в окислительной среде (кислородом воздуха) с окислением оксидов двухвалентного железа ильменитового концентрата до FeO и FeО и получение огарка концентрата. После чего в отапливаемую (природным газом, электричеством и др.) трубчатую вращающуюся восстановительную печь загружают нагретый огарок концентрата, углеродистый восстановитель, углеводородное топливо и подают воздух на его сжигание. Нагрев материалов в печи ведут до оптимальной температуры восстановления оксидов железа огарка концентрата углеродистым восстановителем. В головную часть печи на слой огарка концентрата и восстановителя подают жидкое углеводородное топливо в количестве 1-9% от массы загружаемого огарка концентрата и процесс восстановления ведут при коэффициенте избытка воздуха в газовой фазе печи 0.8-0.95. В качестве топлива, подаваемого на слой огарка концентрата и восстановителя, использованы жидкие малосернистые продукты переработки нефти, например солярка, мазут и т.д.
Подача жидкого углеводородного топлива на слой нагретого огарка концентрата и восстановителя в определенном количестве обеспечивает однородное перемешивание топлива с твердым огарком концентрата, смачивание его поверхности и обволакивание топливом его частиц и восстановителя. Кроме того, образует конверсию составляющих его компонентов с образованием активных восстановителей (водорода, монооксида и сажистого углерода) на поверхности частиц и начало реакций восстановления оксидов железа огарка концентрата при более низких температурах процесса в головной части печи. Восстановленное железо, образующееся при восстановлении оксидов железа водородом, является катализатором процесса восстановления. Водяной пар - газообразный продукт восстановления оксидов железа водородом после десорбции с поверхности частиц металла (железа) химически взаимодействует с твердым углеродом восстановителя и в результате этой газогенераторной реакции в слое огарка и кокса образуется газогенераторный газ, состоящий из водорода и монооксида углерода, который используется для восстановления оксидов железа огарка концентрата. Эти процессы приводят к увеличению массовой скорости восстановления и степени прохождения восстановительных превращений оксидов железа огарка, снижению температуры восстановления и улучшению качества получаемого продукта - степени металлизации железа и однородности металлической и оксидной фаз восстановленных порошков.
При подаче топлива более 9% от массы огарка концентрата, загружаемого в печь, в головной части печи образуется пульпа - жидкая фаза, состоящая из смеси топлива, огарка концентрата и восстановителя. Это нарушает процесс переноса газов в объеме частиц шихты и снижает степень восстановления железа. При этом топливо на поверхности пульпы окисляется кислородом воздуха и недостаточно используется для конверсии и образования активных восстановителей - водорода, монооксида и сажистого углерода.
При расходе топлива менее 1% от массы огарка, загружаемого в печь, из-за снижения в этих условиях однородности смешения жидкого топлива с твердым материалом шихты и уменьшения концентрации топлива на поверхности твердых частиц материала печи, происходит уменьшение массовой скорости конверсии топлива и степени восстановления оксидов железа огарка активными восстановителями.
Сжигая топливо при коэффициенте избытка воздуха в газовой фазе печи 0.8-0.95, поддерживают оптимальную температуру (900-1150°С) прохождения физико-химических превращений - восстановление оксидов железа огарка и образование металлизированного продукта.
При коэффициенте избытка воздуха менее 0.8 в печи возрастает выход конверсионного сажистого углерода, увеличивается содержание неиспользованного для восстановления оксидов железа монооксида углерода в реакционном газе. Это приводит к блокированию поверхности частиц огарка продуктами углетермического восстановления и снижению доступа к ним водорода. В результате уменьшается содержание водорода у поверхности частиц и соответственно его влияние на восстановление. При этом степень восстановления железа из огарка ильменитового концентрата уменьшается.
При коэффициенте избытка воздуха более 0.95, из-за развитой активной поверхности порошка восстановленного огарка ильменитового концентрата происходит окисление восстановленного железа газообразными продуктами - водяным газом и диоксидом углерода. При этом степень восстановления железа из огарка ильменитового концентрата уменьшается.
n
m
Способ реализуется следующим образом. Ильменитовый концентрат загружают в обжиговую трубчатую печь, где его нагревают до температуры 900°С в среде газа, содержащего свободный кислород. После чего огарок концентрата и твердый углеродистый восстановитель подают в прямоточную отапливаемую вращающуюся восстановительную трубчатую печь. На слой смеси огарка концентрата и восстановителя через дополнительное устройство в печи подают жидкое углеводородное топливо, перемешивающееся с твердыми материалами в головной ее части и воздух в количестве, обеспечивающем заданный коэффициент его избытка в печи. Компоненты жидкого углеводородного топлива С Н конверсируют в результате нагрева (теплопередачи от нагретых тверды х частиц материала, теплопередачи от реакционного газа в слое, лучеиспускания от продуктов сгорания топлива и проч.) с образованием активных восстановителей (водорода, монооксида углерода и сажистого углерода), которые восстанавливают оксиды железа огарка до металлического состояния. В результате смачивания жидким топливом нагретых частиц (огарка и восстановителя) и образования на их поверхности газогенераторного газа активное восстановительное взаимодействие начинается непосредственно в головной части печи и затем протекает во всем объеме печи.
Восстановленный огарок концентрата из восстановительной печи перегружают в трубчатый вращающийся холодильник-теплообменник для снижения температуры огарка и уменьшения окисления восстановленного железа.
2
3
2
Для испытаний применялся типичный ильменитовый концентрат (месторождение Гремяха-Вырмесс), содержащий оксидов железа (сумма FeO и FО) - 45.1% и TiO - 46.7%. Предварительно концентрат обжигали в окислительной среде на воздухе в открытом тигле силитовой печи при температуре 900°С в течение 1.5 часа и получали огарок концентрата.
Была использована восстановительная печь с камерой из высокотемпературного кварца длиной 0.8 м и внутренним диаметром 0.05 м. Печь дополнительно оборудована узлом подачи жидкого топлива и восстановителя (кокса) и снабжена для отопления силитовыми нагревателями с внешней стороны камеры для стабилизации на заданном уровне температуры в ней. При температуре печи 1100°С в камеру загружали порцию огарка концентрата - 0.1 кг (80%) и кокс - 0.01 кг (10%). На конус шихты, образованный огарком и коксом, подавали: порцию солярки (дизельного топлива) в определенных количествах от массы огарка и воздух с определенными коэффициентами избытка расхода его по отношению к топливу. Восстановление огарка велось при оптимальной температуре 1100°С. Восстановленные порошки с помощью толкателя выгружали в кювете из печи и охлаждали далее в стальном теплообменнике трубчатого типа при орошении его поверхности водой. Завершение восстановления порции огарка оксидов железа до металлического состояния определялось по уменьшению содержания диоксида углерода (основной газообразный продукт реакции восстановления) в отходящем газе до уровня 0.3 об.%.
мeт
общ
Стандартными химико-аналитическими методами определялась степень металлизации железа в восстановленных порошках и их полный состав. Степень металлизации определялась, как отношение С(Fe)/С(Fe), где С - содержание компонента. Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1
№ опыта
Расход жидкого топлива % от массы огарка
Коэффициент избытка воздуха, ед.
Содержание СО в отходящих печных газах, об.%
Продолжительность восстановления огарка, час
Степень металлизации железа восстановленного продукта, % отн.
1
1.29
0.80
4.63
2.50
72.2
2
1.00
0.79
4.86
2.56
69.7
3
0.77
0.76
5.43
2.73
62.9
4
2.78
0.82
4.17
2.69
80.5
5
3.41
0.84
3.82
2.21
82.1
6
4.60
0.88
3.03
1.95
83.6
7
4.73
0.95
1.56
1.87
81.1
8
5.88
0.83
4.05
1.66
92.3
9
5.92
0.92
2.23
1.50
89.6
10
7.04
0.84
3.81
1.31
97.1
11
7.43
0.91
2.22
1.20
99.3
12
7.35
0.95
1.55
1.44
96.6
13
8.68
0.91
2.42
1.69
95.6
14
8.44
0.82
4.25
1.77
94.4
15
9.00
0.95
1.54
1.92
90.2
16
9.52
0.91
2.45
2.35
86.8
17
9.43
0.97
0.90
2.57
82.5