СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТИТАНОМАГНЕТИТОВЫХ РУД
METHOD OF TITANIUM-MAGNETITE ORE PROCESSING

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для эффективной переработки титаномагнетитовых руд сложного состава.
2
2
2
2
2
2
Объем производства чугуна и стали в мире непрерывно увеличивается. В связи с этим увеличивается и количество добываемых железных руд. В настоящее время уже ощущается дефицит качественной железной руды, как в нашей стране, так и за рубежом. В то же время известны, разведаны и почти не используются огромные по запасам месторождения титаномагнетитовых руд. К титаномагнетитовым рудам в общем случае относят не только чисто титаномагнетитовые, но и титаномагнетит-ильменитовые, ильменит-магнетитовые, ильменит-гематитовые. Для таких руд характерно наличие в их составе оксидов железа, оксидов титана и, часто, соединений ванадия. Применяемые технологии комплексной переработки железотитанистых руд определяются их химическим и минералогическим составами. Решающее значение имеет содержание в них TiO. По содержанию TiO и отношению Fe/TiO железотитанистые руды и полученные из них концентраты делят на низкотитанистые (Fe/TiO>8), железованадиевые (Fe/TiO=2-8), и высокотитанистые (Fe/TiO<2). [1]
Переработка титаномагнетитовых руд в доменных печах затруднена и часто невозможна из-за высокого содержания в них оксидов титана, приводящего к высокому содержанию оксидов титана в доменном шлаке и резкому увеличению вязкости таких шлаков. [2]
Низкотемпературное разделение соединений железа и титана титаномагнетитовых руд неэффективно из-за тесного срастания магнетита и ильменита. Поэтому предлагают различные способы пирометаллургического разделения полезных компонентов титаномагнетитовых руд (Fe, Ti, V) [2-5]. В большинстве случаев предлагают перерабатывать титаномагнетитовые руды и продукты их обогащения двухстадийным или многостадийным процессом. Сначала производят рудные окатыши, затем осуществляют твердофазное восстановление железа при температуре не выше 1400°C. Металлизованные окатыши после этого предлагается проплавлять в дуговых электропечах и разделять загружаемую шихту на металлическую фазу (чугун, содержащий ванадий) и титанистый шлак с низким содержанием оксидов железа. Для реализации подобных технологических схем требуется иметь хотя бы два металлургических агрегата: печь для твердофазного восстановления железа и дуговую электропечь [2-5]. Общими недостатками таких способов переработки титаномагнетитов являются многостадийность процесса, необходимость использования не менее двух металлургических агрегатов, низкая производительность процесса.
Известен способ переработки титаномагнетита [5], включающий формирование однородной по составу шихты, состоящей из титаномагнетита, углеродсодержащего восстановителя и связующего, гранулирование шихты, ее термическое восстановление с получением частично восстановленного продукта, состоящего из металлургической фракции, содержащей основную часть железа и шлаковой фракции, содержащей титан и остаточную часть железа, электроплавку с довосстановлением шлаковой фракции и разделением расплава на металлический и шлаковый компоненты, очистку металлического компонента от примесей с получением стали, измельчение шлакового компонента и его обогащение с получением титанового продукта (патент RU 2318899), выбранный заявителем в качестве ближайшего аналога.
В известном способе термическое восстановление завершают при температуре, обеспечивающей переход шлаковой фракции в вязкопластичное состояние, частично восстановленный продукт измельчают с отделением металлической фракции от шлаковой, при этом электроплавке подвергают только шлаковую фракцию с получением металлического компонента, содержащего остаточную часть железа, и шлакового компонента, после чего металлическую фракцию объединяют с полученным металлическим компонентом с образованием металлической смеси, которую и подвергают очистке от примесей.
Термическое восстановление завершают при температуре 1330-1400°C. Частично восстановленный продукт измельчают до размера частиц шлаковой фракции менее 0,2-0,25 мм, при этом от шлаковой фракции отделяют металлическую фракцию с размером частиц не менее 0,2-0,25 мм.
Известный способ переработки титаномагнетита имеет следующие недостатки:
- необходимо два раза размалывать (измельчать) материалы: шихту исходную и шихту восстановленную;
- необходимо гранулировать размолотую исходную шихту;
- основной цикл процесса переработки титаномагнетитов осуществляют в двух металлургических агрегатах двухстадийным процессом: сначала твердофазное восстановление железа при пониженной температуре, затем высокотемпературное разделение восстановленного металла и титанистого шлака;
- твердофазное восстановление железа проводят при температуре, когда шихта переходит в вязкопластическое состояние, такой материал трудно размалывать;
- разделение металлической и шлаковой фаз после размалывания восстановленной шихты - тяжелая и малоэффективная операция;
- предлагаемый суммарный процесс переработки титаномагнетита малопроизводителен и не может обеспечить переработку большого количества руды;
- большие материальные и энергетические затраты на переработку титаномагнетита.
Задачей предлагаемого способа переработки титаномагнетитовых руд является осуществление высокопроизводительного эффективного процесса переработки титаномагнетитовых руд при высоких технико-экономических показателях.
Техническим результатом предлагаемого способа переработки титаномагнетитовых руд является:
- увеличение производительности процесса и снижение материальных и энергетических затрат на осуществление процесса путем переработки титаномагнетитов непрерывным одностадийным процессом в одном металлургическом агрегате;
- снижение затрат за счет исключения малопроизводительных операций размола и гранулирования шихты;
- проплавление шихтовых материалов непрерывно на поверхности и в объеме жидкого шлакорудного расплава в плавильной камере, отапливаемой топливокислородными горелками;
- осуществление жидкофазного восстановления железа шихтовых материалов в плавильной камере.
Технический результат достигается тем, что в способе переработки титаномагнетитовых руд, включающем загрузку в гарнисажную плавильную камеру легкоплавких отходов черных металлов, их расплавление и нагрев расплава, загрузку шихты, содержащей титаномагнетитовую руду и флюс, и углеродистого восстановителя, проплавление шихты на поверхности и в объеме жидкого шлакорудного расплава,, восстановление железа и ванадия углеродистым восстановителем, раздельный слив чугуна и шлака из плавильной камеры, согласно изобретению, перед загрузкой в плавильную камеру шихту подогревают отходящими из плавильной камеры газами, имеющими температуру 1850-1900°C в подогревателе, герметично соединенным с плавильной камерой, монооксид углерода СО отходящих газов дожигают в подогревателе, вдувая в него нагретый в системе вторичного охлаждения плавильной камеры воздух с температурой 250-290°C, при этом шихту загружают в плавильную камеру со скоростью 0,5-1,5 тонны в час на 1 МВт тепловой мощности топливокислородных горелок, отапливающих плавильную камеру, углеродистый восстановитель загружают в количестве 20-21% углерода от массы оксидов железа шихты кусками на поверхность расплава и в количестве 4-5% углерода от массы оксидов железа шихты вдувают в виде порошка инжекторами в расплав, после наплавления полной ванны загрузку шихты в плавильную камеру прекращают на 8-12 минут, делают выдержку расплава, продолжая вводить углеродистый восстановитель в расплав инжекторами, закончив выдержку, сливают из плавильной камеры 50-70% титанистого шлака и 60-75% накопившегося чугуна, после этого возобновляют загрузку шихты.
Шлак, слитый из плавильной камеры, гранулируют и используют в виде гранул для производства ферротитана алюминотермическим способом.
Шлак, слитый из плавильной камеры, используют в жидком виде для производства ферротитана алюминотермическим способом.
Шлак, слитый из плавильной камеры, используют в жидком виде для получения ферросилиция и высокотитанистого шлака.
Сливаемый из плавильной камеры шлак используют в жидком виде для получения ферросиликованадия и высокотитанистого шлака.
Подогрев шихты перед загрузкой в плавильную камеру отходящими из плавильной камеры с температурой 1850-1900°C газами в подогревателе, герметично соединенном с плавильной камерой, позволяет увеличить производительность плавильной камеры, снизить расход теплоносителя, уменьшить эксплуатационные затраты и снизить себестоимость продуктов переработки титаномагнетитовой руды. Кроме того, такой прием позволяет эффективно понизить температуру отходящих газов до 850-900°C и проще организовать утилизацию тепла отходящих газов. Температура отходящих газов 1850°C характерна для переработки менее тугоплавких титаномагнетитовых руд с меньшим содержанием оксидов титана. Температура отходящих газов 1900°C характерна для случая переработки титаномагнетитовых руд с высоким содержанием оксидов титана при более высокой температуре рабочего пространства плавильной камеры. Дожигание монооксида углерода СО отходящих газов в подогревателе путем вдувания в него нагретого в системе вторичного охлаждения плавильной камеры воздуха с температурой 250-290°C позволяет утилизировать химическое тепло отходящих газов, полезно использовать тепло воздуха из системы вторичного охлаждения плавильной камеры, повысить суммарный тепловой КПД процесса переработки титаномагнетитовой руды, снизить расход теплоносителей и уменьшить эксплуатационные расходы. Температура воздуха 250°C относится к плавильной камере небольших размеров, температура воздуха 300°C характерна для работы плавильной камеры больших размеров. Загрузка шихты со скоростью 0,5-1,5 тонны в час на 1 МВт тепловой мощности топливокислородных горелок, отапливающих плавильную камеру, обеспечивает высокую производительность плавильной камеры и оптимальный расход теплоносителя. Скорость загрузки шихты 0,5 т/час на 1 МВт тепловой мощности горелок удобна при работе на рудах с высоким содержанием оксидов железа и использовании плавильной камеры с большой глубиной ванны и малой величиной удельной поверхности расплава в камере (отношение площади поверхности расплава к массе расплава, находящегося в плавильной камере. Скорость загрузки шихты 1,5 т/час на 1 МВт тепловой мощности горелок удобна при переработке руд с пониженным содержанием оксидов железа в плавильной камере с малой глубиной ванны и большой величиной удельной поверхности расплава в камере, так как величина удельной поверхности расплава определяет скорость и полноту восстановления оксидов железа.
Загрузка углеродистого восстановителя в количестве 20-21% углерода от массы оксидов железа шихты кусками на поверхность расплава и вдувание порошка восстановителя в количестве 4-5% углерода от массы оксидов железа шихты инжекторами в расплав обеспечивают высокую скорость и достаточную полноту восстановления железа из шихты. Большее количество вводимого восстановителя необходимо при переработке руд с высоким содержанием железа, так как при этом восстанавливается больше железа, а для науглероживания восстановленного железа до состава чугуна требуется дополнительное количество углерода. Вдувание части углеродистого восстановителя в виде порошка в расплав позволяет полнее восстановить оксиды железа в нижней части шлакорудного расплава и рационально использовать мелочь углеродистого восстановителя.
Прекращение загрузки шихты после наплавления полной ванны металла и выдержка расплава 8-12 минут при продолжении подачи восстановителя в расплав инжекторами позволяют довосстановить оксиды железа и ванадия шихты, дают возможность осадить капельки восстановленного металла в металлическую ванну и подготовить восстановленный шлаковый расплав к выпуску (сливу) из плавильной камеры. Выдержка 8 минут рекомендуется для плавильной камеры с малой глубиной металлической ванны и малой высотой шлакового расплава. Выдержка 12 минут рекомендуется для плавильной камеры с большой высотой шлакового расплава.
Слив из плавильной камеры после окончания выдержки 50-70% восстановленного шлака и 60-75% накопившегося металла необходим для продолжения процесса переработки титаномагнетитов с большой скоростью, так как оставшееся в плавильной камере количество шлака и металла обеспечивает быстрое плавление загружаемой шихты в жидкой ванне расплава.
Использование титанистого шлака, слитого из плавильной камеры, после грануляции для производства ферротитана алюминотермическим способом позволяет улучшить технико-экономические показатели процесса переработки титаномагнетитовой руды за счет производства дополнительной продукции. Использование титанистого шлака, слитого из плавильной камеры, в жидком виде для производства ферротитана алюминотермическим способом позволяет улучшить показатели процесса переработки титаномагнетитовой руды за счет исключения операции разливки шлака и показатели производства ферротитана за счет уменьшения расхода алюминия.
Использование шлака, слитого из плавильной камеры, для получения ферросилиция и высокотитанистого шлака позволяет улучшить технико-экономические показатели процесса переработки титаномагнетитовой руды и организовать полностью безотходный процесс переработки руды.
Использование шлака, слитого из плавильной камеры, в жидком виде для получения ферросилиция и высокотитанистого шлака позволяет еще больше повысить технико-экономические показатели процесса переработки титаномагнетитовой руды.
Уменьшение до 20-21% углерода от массы оксидов железа шихты количества углеродистого восстановителя, вводимого в плавильную камеру, приводит к тому, что соединения ванадия не переходят в металл, а остаются в шлаке.
В таком случае слитый из плавильной камеры титанистый шлак, содержащий соединения ванадия, может быть использован для производства ферросиликованадия и высокотитанистого шлака, что также позволяет улучшить технико-экономические показатели процесса переработки титаномагнетитовой руды и организовать полностью безотходный процесс переработки руды.
Способ переработки титаномагнетитовой руды осуществляется следующим образом (см. фиг.1).
Плавильную камеру 1 разогревают теплом работающих топливокислородных горелок 2. Одновременно через подогреватель шихты 3 в плавильную камеру загружают легкоплавкие отходы черных металлов, расплавляют их и заполняют жидким металлом металлическую ванну 4. После этого начинают загружать шихту с заданной скоростью через подогреватель 3 в плавильную камеру 1. Шихту составляют из титаномагнетитовой руды (или концентрата обогащения руды) и флюса (известь, известняк). Одновременно в плавильную камеру 1 загружают углеродистый восстановитель кусками через отверстие 5 и порошком инжекторами 6. Шихта проплавляется в жидкой ванне шлакорудного расплава 7. Одновременно идет процесс восстановления оксидов железа и науглероживания капелек металла. После заполнения всей металлической ванны 4 чугуном, загрузку шихты в плавильную камеру 1 прекращают на 8-12 минут, продолжая вводить углеродистый восстановитель в шлаковый расплав 7 инжекторами 6. Закончив выдержку, из плавильной камеры 1 сливают 60-75% накопившегося металла через металлическую летку 11 по желобу 12 и разливают на разливочном конвейере 13, либо в жидком виде передают в конвертер (не показан на рисунке) на передел чугуна в сталь и получение ванадиевого шлака. Одновременно из плавильной камеры 1 сливают 50-70% полученного титанистого шлака с низким содержанием оксидов железа через шлаковую летку 8 по желобу 9 в гранулятор 10, либо в шлаковый ковш с целью использования в дальнейшем в жидком виде для получения ферротитана, или ферросилиция и высокотитанистого шлака. После окончания слива чугуна и титанистого шлака возобновляют подачу шихты и углеродистого восстановителя в полном объеме в плавильную камеру 1 и цикл переработки титаномагнетитовой руды повторяют.
Пример, подтверждающий возможность внедрения в производство предложенного способа.
В 2 т дуговой печи с трансформатором мощностью 1,5 MB А и футеровкой из высокоглиноземистых огнеупоров провели 3 плавки с целью переработки обогащенной титаномагнетитовой руды. Перед загрузкой в печь шихту подогревали отходящими из плавильной камеры газами, имеющими температуру 1850°C в подогревателе. Монооксид углерода СО отходящих газов дожигали в рабочем пространстве дуговой печи. На каждой плавке сначала расплавляли 500 кг чугунного лома и нагревали расплав до 1500°C. Затем на расплав загружали шихту, состоящую из обогащенной титаномагнетитовой руды и извести со скоростью 0,7 т в час на 1 МВА мощности печного трансформатора.
Одновременно с шихтой в печь вводили углеродистый восстановитель (уголь) в количестве 21% углерода от массы оксидов железа шихты и в количестве 5% углерода от массы оксидов железа шихты вдували в виде порошка инжекторами в расплав. После проплавления всей шихты делали выдержку расплава под током в течение 10 минут, продолжая вводить углеродистый восстановитель в расплав инжекторами. В это время шихта в печь не загружалась. Затем полученный чугун и титанистый шлак сливали из печи раздельно: сначала скачивали 70% титанистого шлака в плоскую чугунную изложницу, затем 75% накопившегося чугуна в разливочный ковш. После этого возобновляли загрузку шихты, ри проведении экспериментов взвешивали шихтовые материалы и продукты плавки, а также определяли химический состав этих материалов. Результаты опытных плавок приведены в таблице. Полученные результаты свидетельствуют о возможности внедрения в производство и промышленной реализации предлагаемого способа переработки титаномагнетитовых руд.
Получение ферротитана алюминотермическим методом из ильменитовых руд, близких по составу к составу получаемого в соответствии с заявленным способом титанистого шлака применяется на практике и описано в литературе [6].
Получение ферросилиция и высокотитанистого шлака из титаномагнетитовых концентратов, близких по составу к составу титанистого шлака, получаемого заявленным способом, опробовано и описано в [2].
Получение ферросиликованадия из ванадиевых шлаков - продуктов переработки титаномагнетитов, успешно опробовано в полупромышленных и промышленных экспериментах [7].
Таблица
Результаты экспериментов по переработке обогащенной титаномагнетитовой руды в дуговой печи
№ плав-ки
Израсходовано материалов, кг
Получено, кг
Содержание, %
Руда
Чугун
Шлак
Чугун
Руда
Уголь
Из-весть
Чугун
Шлак
ΣFeO
TiO<sub>2</sub>
V<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
C
V
Si
TiO<sub>2</sub>
ΣFeO
SiO<sup>2</sup>
Из руды
Всего
1
500
1500
331
50
825
1325
760
70,8
16,2
0,87
3,8
0,48
0,35
42,5
5,4
21,2
2
500
1500
338
50
820
1320
750
70,8
16,2
0,87
3,7
0,47
0,38
44,1
5,7
20,7
3
500
1400
325
50
780
1270
670
70,8
16,2
0,87
4,1
0,49
0,36
43,4
5,2
20,4
Примечание: содержание соединений титана и ванадия в руде и в шлаке условно пересчитано на содержание TiO<sub>2</sub> и V<sub>2</sub>O<sub>5</sub>.
Литература
1. Резниченко В.А., Шабалин Л.М. Титаномагнетиты, месторождения, металлургия, химическая технология. М. Наука. 1986. 294 с.
2. Леонтьев Л.И. и др. Пирометаллургическая переработка комплексных руд. М. Металлургия. 1997. 432 с.
3. Патент RU 2206630. «Способ переработки титаномагнетитовой ванадийсодержащей руды на титанистый чугун, ванадиевый шлак и титансодержащий сплав». Авторы: Коршунов Е.А., Смирнов Л.А., Буркин С.П., Дерябин Ю.А., Логинов Ю.Н., Миронов Г.В. Патентообладатель: ОАО «Уральский институт металлов».
4. Патент RU 2361940. «Способ переработки ильменитовых концентратов». Авторы: Трегубенко В.В., Довлядов И.В., Конотопчик К.У., Бобков Л.Н., Корзун В.К. Патентообладатель: ОАО ХК «Технохим-холдинг».
5. Патент RU 2318899. «Способ переработки титаномагнетита». Авторы: Серба В.И., Фрейдин Б.М., Калинников В.Т., Майоров Л.А., Коротков В.Г., Колесникова И.Г., Кузьмич Ю.В., Ворончук СИ. Патентообладатель: Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра Российской академии наук.
6. Д.Я. Поволоцкий, В.Е. Рощин, Н.В. Мальков. Электрометаллургия стали и ферросплавов. М. Металлургия. 1995. 592 с.
7. Рысс М.А. Производство ферросплавов. М. Металлургия. 1985. 244 с.