СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ВАНАДИЙСОДЕРЖАЩЕГО ТИТАНОМАГНЕТИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА
METHOD OF PROCESSING VANADIUM-BEARING TITANIUM-MAGNETITE CONCENTRATE

Изобретение относится к черной и цветной металлургии и может быть использовано при переработке ванадийсодержащих титаномагнетитовых концентратов для прямого получения железа в виде металлических гранул и извлечения ванадия.
Известен способ переработки титаномагнетитовых концентратов, описанный в статье Резниченко В. А., Садыхов Г. Б., Карязин И. А. Титаномагнетиты - сырье для новой модели производства. / Металлы, 1997, №6, стр.3-7.
2
2
5
2
2
3
2
3
2
5
2
Согласно известному способу, окатыши титаномагнетитового концентрата (55…64% Fe, 2,5…17% TiO, 0,5…1,3% VO, 0,5…3% SiO, 0,5…4% AlO, 0,1…1,05% CrO, 0,5…3% MgO, 0,1…1,7% MnO и т.д.) без флюсовых добавок сначала подвергают предварительной металлизации с применением газового восстановителя, затем металлизованные окатыши плавят в рудотермических электропечах с прямым получением металлического железа, минуя выплавку ванадиевого чугуна, и комплексного титанованадиевого шлака. При этом практически весь ванадий или большая часть его концентрируется в титановом шлаке. В зависимости от состава используемого концентрата содержание VO колеблется в пределах 2…7%, а TiO - в пределах 24…60%. В дальнейшем металл перерабатывают для получения качественной стали, а шлак - гидрометаллургическим способом для извлечения ванадия и титана.
Основным недостатком указанного способа является применение для разделения металлизованного железа и ванадийсодержащего титанового шлака энергоемкого процесса - плавки в рудотермических электропечах.
Известен способ переработки ванадийсодержащего титаномагнетитового концентрата, описанный в статье авторов Jena, B. C., Dresler W., Reilly I. G. «Extraction of titanium, vanadium and iron from titanomagnetite», deposits at Pipestone Lake, Manitoba, Canada. Minerals Engineering, Vol. 8, No.1-2, 1995, pp.159-168].
2
5
2
2
2
5
2
2
5
В известном способе титаномагнетитовый концентрат, содержащий 57,5% Fe, 0,66% V (в пересчете на VO - 1,18%) и 16,6% TiO, подвергают восстановительной плавке в руднотермических электропечах в присутствии твердого углерода. При этом получают металлический продукт, содержащий до 99% Fe, и шлак с содержанием 9…35% FeO, 31…46% TiO и 1,2…1,6% V (2,14…2,9% VO). Около 98% титана и ванадия остается в шлаковой фазе. Шлак в дальнейшем обрабатывают для извлечения ванадия и титана. Аналогичный способ переработки титаномагнетитового концентрата описан в другой работе [см. Gupta, С.К., and Krishnamurthy, N., 1992, Extractive metallurgy of Vanadium-Process Metallurgy 8, the Netherlands, Elsevier Science Publishers B. V., pp. 295-298]. Концентрат, содержащий 64% Fe, 7,6% TiO и 1,6% VO, окатывают, и окатыши с добавлением 26% углерода (от массы концентрата) подвергают восстановительной плавке в электропечи с получением чугуна и ванадийсодержащего титанового шлака. При этом большое количество ванадия совместно с титаном концентрируется в шлаке. Содержание ванадия в чугуне составляет около 0,07%.
Недостатком известного способа является тот факт, что в условиях восстановительной плавки процессу восстановления железа предшествует плавление исходного концентрата, на которое расходуется много электрической энергии и в результате которого уменьшается площадь поверхности реагирования концентрата. Процесс металлизации железа в жидкой фазе протекает медленно, в результате чего существенно увеличивается продолжительность плавки. Это приводит к большому расходу электроэнергии.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ переработки ванадийсодержащего титаномагнетитового концентрата, описанный в патенте РФ №2399680 «Способ металлизации титаномагнетитовых концентратов с получением железных гранул и титанованадиевого шлака» по кл. С21В 13/08, з. 04.09.2008, oп. 20.09.2010 г. и выбранный в качестве прототипа.
2
Согласно формуле, известный способ переработки ванадийсодержащего титаномагнетитового концентрата включает в себя получение окатышей из его смеси с твердым углеродосодержащим и кальцийсодержащим материалами и со связующим, их металлизацию, охлаждение, дробление и отделение металлизованного железа от шлака, при этом металлизацию осуществляют в печи с вращающимся подом с завершением процесса при температуре 1535…1540°С для плавления и коагуляции металлического железа и образования титанованадиевого шлака, содержание FeO и соотношение CaO/SiO в котором поддерживают в пределах 8…25% и 1,25…4,0 соответственно.
2
В известном способе переработки ванадийсодержащего титаномагнетитового концентрата окатыши из смеси концентрата с углеродосодержащим и кальцийсодержащим материалами и со связующим подвергают металлизации в печи с вращающимся подом при нагреве до температуры 1535…1540°С для плавления восстановленного железа и титанованадиевого шлака, в котором поддерживают содержание FeO в пределах 8…25% и соотношение CaO/SiO в пределах 1,25…4,0. После завершения процесса продукт металлизации титаномагнетитового концентрата выгружают из печи, охлаждают, дробят и подвергают магнитной сепарации для отделения металлических гранул от шлака. Полученные железные гранулы могут быть переработаны как в конвертерах, так и в электропечах для производства качественной стали, титанованадиевый шлак - для извлечения ванадия гидрометаллургическим способом.
Способ металлизации титаномагнетитового концентрата позволяет получить наряду с железными гранулами ванадийсодержащий титановый шлак. Полученные таким способом железные гранулы могут быть переработаны в конвертерах или в электропечах с получением стали, а титанованадиевый шлак может быть использован для извлечения ванадия гидрометаллургическим способом.
Недостатком способа является его неэкономичность и неэффективность, обусловленные технологией: плавление продуктов металлизации - восстановленного железа и образовавшегося шлака, а также проведение операций охлаждения, дробления металлизованных окатышей и отделение металла от шлака в твердом состоянии.
Плавление продуктов металлизации в восстановительной печи требует на заключительной стадии восстановления нагрева окатышей выше температуры плавления железа (1540°С) и вызывает необходимость снижения температуры плавления шлака за счет добавок кальцийсодержащих материалов и высокого остаточного содержания оксидов железа в шлаке. Введение в состав смеси для изготовления окатышей кальцийсодержащих материалов ведет к разбавлению ванадийсодержащего шлака, что снижает содержание ванадия в шлаке и понижает ценность шлака. Высокое остаточное содержание оксидов железа в шлаке уменьшает степень извлечения железа и также сопровождается разбавлением ванадийсодержащего шлака и снижением его ценности.
Охлаждение, дробление и сепарация продуктов металлизации требует значительных трудовых и материальных затрат, а с учетом повторного плавления металлических гранул в сталеплавильных агрегатах сопровождается значительными энергетическими потерями.
Задачей предложенного изобретения является повышение экономичности и эффективности способа переработки титаномагнетитового концентрата с получением стали и титанованадиевого шлака.
Поставленная задача решается тем, что в способе переработки ванадийсодержащего титаномагнетитового концентрата, включающем получение окатышей из его смеси с твердым углеродосодержащим и связующим материалами, их металлизацию, последующее разделение на металлопродукт для переработки его в сталь и титанованадиевый шлак для извлечения из него ванадия, согласно изобретению, металлизацию окатышей завершают при температуре 1300…1350°С, после чего металлизованные окатыши загружают непрерывно в плавильный агрегат, где проводят разделение окатышей на металлопродукт и титанованадиевый шлак при температуре не более 1400°С.
Проведение твердофазной металлизации при температуре не выше 1350°С позволяет полностью восстанавливать железо из титанованадиевого концентрата и сохранить в оксидном остатке титан и ванадий. Металлизация при температуре менее 1300°С протекает с невысокой скоростью, требует длительных выдержек и снижает эффективность восстановления железа. Повышение температуры металлизации ведет к ускорению процесса, поэтому его целесообразно вести при максимально высокой температуре. Однако нагрев окатышей выше температуры 1350°С приведет к восстановлению ванадия из концентрата, переходу его в металлическую фазу, что уменьшит содержание ванадия в шлаке и понизит ценность шлака.
Непрерывная загрузка горячих металлизованных окатышей в ванну сталеплавильного агрегата сохраняет физическое тепло окатышей, понижает температуру металлического расплава в сталеплавильном агрегате и обеспечивает возможность проведения процесса при температуре металла не более 1400°С. Такая температура достаточна для расплавления углеродистого металлопродукта, что необходимо для жидкофазного разделения продуктов металлизации. В то же время относительно низкая температура металла обеспечивает благоприятные термодинамические условия для получения в шлаке высокой концентрации оксидов титана и ванадия в совокупности. Это ведет к повышению эффективности процесса в целом, а в совокупности с использованием жидкофазного разделения металла и титанованадиевого шлака вместо твердофазного разделения в прототипе, влекущего за собой усложнение и удорожание процесса, дает возможность сделать процесс более простым и экономичным при его высокой эффективности.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности способа, обеспечивающего получение из титаномагнетитового концентрата стального полупродукта и титанованадиевого шлака при уменьшении энергетических, трудовых и материальных затрат на их производство.
Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как завершение металлизации при температуре 1300…1350°С, непрерывная загрузка металлизованных окатышей в плавильный агрегат и жидкофазное разделение металлизованных окатышей в плавильном агрегате при температуре металла не более 1400°С, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый способ переработки ванадийсодержащего титаномагнетитового концентрата может найти широкое применение в черной и цветной металлургии, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Заявляемый способ заключается в следующем. Получают окатыши из смеси ванадийсодержащего титаномагнетитового концентрата с твердым углеродосодержащим и связующим материалами. Проводят их твердофазную металлизацию, которую завершают при температуре 1300…1350°С. Далее металлизованные окатыши загружают непрерывно в плавильный агрегат, где при температуре металла не более 1400°С происходит жидкофазное разделение их на металл и титанованадиевый шлак. Затем титанованадиевый шлак удаляют для дальнейшей переработки, а металлический полупродукт перерабатывают в сталь в сталеплавильном агрегате известными способами.
Заявляемый способ переработки ванадийсодержащего титаномагнетитового концентрата осуществляется следующим образом.
Получают окатыши из смеси ванадийсодержащего титаномагнетитового концентрата с твердым углеродосодержащим и связующим материалами. При этом в качестве углеродсодержащего материала берут, в частности, энергетический каменный уголь, а в качестве связующего материала используют, например, жидкое стекло. Затем выполняют металлизацию окатышей, которую заканчивают при температуре 1300…1350°С. Нагрев окатышей до этой температуры обеспечивает необходимую скорость восстановления железа, но эта температура недостаточна для восстановления титана и ванадия. Окончание процесса восстановления при температуре 1300…1350°С позволяет получить продукты металлизации - железо и оксидный остаток - в твердом состоянии. Продукты металлизации представляют собой металломатричный композиционный материал, в котором оксиды невосстановленных металлов - титана и ванадия - заключены в металлическую матрицу из спекшихся частиц металлического железа.
Далее металлизованные окатыши загружают непрерывно в плавильный агрегат для жидкофазного разделения металла и оксидного остатка - титанованадиевого шлака при температуре не более 1400°С. Непрерывная загрузка горячих металлизованных окатышей в ванну сталеплавильного агрегата сохраняет физическое тепло окатышей и уменьшает расход энергии на плавление. Непрерывное поступление окатышей позволяет понизить температуру металлического расплава и вести процесс разделения при температуре металла не более 1400°С, что обеспечивает благоприятные термодинамические условия для получения в шлаке высокой концентрации оксидов титана и ванадия. В ванне сталеплавильного агрегата происходит растворение металлического железа окатышей и разделение металла и высокотитанистого ванадийсодержащего шлака.
Титанованадиевый шлак удаляют для дальнейшей переработки с целью извлечения ванадия гидрометаллургическим способом. После удаления высокотитанистого ванадийсодержащего шлака металлический полупродукт перерабатывают в сталь в сталеплавильном агрегате известными способами.
В итоге получают из ванадийсодержащего титаномагнетитового концентрата стальной полупродукт и титанованадиевый шлак при уменьшении энергетических, трудовых и материальных затрат на их производство.
В сравнении с прототипом заявляемый способ является более эффективным и менее затратным.