СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТИТАНОМАГНЕТИТОВОЙ ВАНАДИЙСОДЕРЖАЩЕЙ РУДЫ НА ТИТАНИСТЫЙ ЧУГУН, ВАНАДИЕВЫЙ ШЛАК И ТИТАНОСОДЕРЖАЩИЙ СПЛАВ Российский патент 2003 года по МПК C22C33/00 C22C37/00 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к переработке титаномагнетитовой руды. Переработку титаномагнетитовых руд, содержащих ванадий и титан, в настоящее время осуществляют по двум схемам коксодоменной и бескоксовой [1] . Технология коксодоменной схемы хорошо освоена в России (Нижнетагильский металлургический комбинат и Чусовской металлургический завод) и в Китае. Технология бескоксовой схемы нашла применение в ЮАР и Новой Зеландии.

В соответствии с коксодоменной схемой в домну загружают и перерабатывают агломерат или окатыши, кокс и флюсующие добавки. Производство составляющих основных компонентов доменной шихты дорогостоящее и представляет экологическую опасность. Особенные трудности возникают при плавке в доменной печи шихты, содержащей большое количество оксида титана. Получаемый по коксодоменной схеме доменный шлак может быть переработан с получением дополнительного продукта (цемент, строительный заполнитель), но имеющийся в шлаке титан в товарный продукт не извлекается.

Принимаемая за прототип бескоксовая схема переработки титановых руд включает процесс твердофазного восстановления части железа в шихте углеродистым восстановителем, процесс плавки металлизованной шихты в плавильном агрегате на титанистый шлак и ванадийсодержащий чугун. При этом температура чугуна поддерживается на уровне 1450-1500^oС. Способ включает также выпуск продуктов плавки и отделение от чугуна титанистого шлака, понижение температуры чугуна, процесс деванадации чугуна, удаление ванадиевого шлака в товарный продукт, удаление чугуна с остатками ванадия в товарный продукт.

Преимуществом принимаемого за прототип способа переработки титаномагнетитовой руды является отсутствие потребности в дорогостоящем коксе и возможность переработки руды, содержащей высокий процент оксида титана (свыше 15%).

Недостаток принимаемого за прототип способа заключается в том, что производимый по способу шлак теряется вместе с ценными компонентами (2, с.24). Вместе с тем в шлаке содержание оксида титана может доходить до 40%, и он содержит другие ценные элементы, такие как алюминий и кремний, а также небольшое количество ванадия. Также нельзя считать рациональным применение для реализации в способе-прототипе мощных и дорогостоящих рудоэлектротермических печей.

В предлагаемом способе поставлена задача комплексной переработки титаномагнетитов, в том числе извлечение титана, алюминия, кремния и ванадия.

Поставленная задача достигается тем, что процессы плавки металлизованной шихты, деванадации чугуна и переработки удаленного титанистого шлака осуществляют в самостоятельных агрегатах на вращающихся расплавах, на которые воздействуют электромагнитным полем, причем процесс плавки металлизованной шихты ведут на вращающемся расплаве чугуна, процесс деванадации чугуна ведут на вращающемся расплаве чугуна, температуру которого понижают до 1300-1400^oС, процесс переработки титанистого шлака ведут, не давая ему затвердеть, на вращающемся жидком сплаве, который получают за счет обработки титанистого шлака металлическим восстановителем, причем при образовании титансодержащего сплава получают новый оксидный расплав, пригодный для переработки.

В качестве металлического восстановителя при переработке титанистого шлака применяют алюминий или ферросилиций.

Вновь образованный оксидный расплав подвергают восстановлению углеродистым восстановителем.

Во вновь образованном оксидном расплаве количество оксидов алюминия и кремния доводят до содержания, при котором их последующее восстановление углеродистым восстановителем не позволяет образовывать карбид алюминия.

При доводке в расплаве необходимого содержания оксидов алюминия и кремния обеспечивают не менее 30% содержания оксида кремния по отношению к оксиду алюминия.

Проведение плавки на вращающемся чугуне металлизованной шихты, в которой содержатся невосстановленные оксиды железа, позволяет ускоренно восстанавливать оксиды железа углеродом именно чугуна. При жидкофазном восстановлении железа из шлакового расплава на границе шлак-металл углеродом чугуна скорость такой реакции превышает не менее чем в десять раз скорость реакции восстановления железа в доменной печи [3]. Эта скорость еще более увеличивается, если на границе шлак-металл установится противоточное движение (проскальзывание) между шлаком и металлом. При вращении металлического расплава электромагнитным полем такое проскальзывание будет иметь место, т. к. электромагнитное поле действует на металл, создавая ему вращение, и мало действует на шлак, т.к. шлак значительно менее электропроводен.

Указанные приемы можно выполнять в специально разработанном плавильном агрегате, где созданы необходимые условия для проведения плавки. Поскольку скорость восстановления железа из оксидов в указанных условиях резко увеличивается, то процесс становится весьма производительным, а агрегат для его осуществления может иметь небольшие габариты и массу по сравнению с габаритами и массой рудоэлектротермической печи. При этом становится возможным перерабатывать столько шихты, сколько ее перерабатывает указанная рудоэлектротермическая печь.

При плавке шихты на ванадийсодержащий чугун температуру чугуна рекомендуется установить не ниже 1450^oС, хотя температура плавления чугуна не выше 1200^oС. Повышенную температуру приходится применять потому, что получаемый при плавке титанистый шлак имеет температуру плавления примерно на 200^oС выше, чем у большинства шлаков, получаемых в черной металлургии. Температура чугуна, равная 1450^oС, вполне приемлемая для восстановления оксидов железа и ванадия углеродом.

Однако во время удаления ванадия в ванадиевый шлак в другом агрегате температуру чугуна необходимо понизить и установить не выше 1400^oС, в противном случае при окислении ванадия в чугуне будет окислено большое количество железа, что в этом случае нежелательно.

Для удаления ванадия в ванадиевый шлак по технологии ЮАР ковш с чугуном ставят на специальную платформу и, придавая платформе колебательное движение, чугун и шлак приводят во вращение, а поверхность обдувают кислородом. В таких условиях ванадий быстрее и с большим выходом удаляется в ванадиевый шлак.

Настоящим изобретением создаются улучшенные условия удаления ванадия из чугуна. Во-первых, при вращении чугуна электромагнитным полем создается большая поверхность, которая обдувается кислородом. Во-вторых, образующийся шлак как более легкий материал концентрируется в центре параболоидной лунки, созданной центробежным эффектом. Поэтому часть поверхности чугуна открыта для взаимодействия с кислородом.

Для переработки исходного титанистого шлака существует прием введения в холодную шихту в качестве восстановителя ферросилиция [2, с. 227-235], доведения этой шихты до расплавления и проведение восстановительной реакции. Однако целесообразно перерабатывать титанистый шлак, не давая ему затвердеть после слива из основного плавильного агрегата в другой агрегат аналогичной конструкции. В последнем также предусмотрено вращение ранее полученного металлического расплава такого химического состава, который будет производиться из новой подаваемой порции титанистого шлака. При этом экономится энергия на расплавление и нагрев шлака.

Восстановление оксидов металлов углеродсодержащими восстановителями требует большого количества энергии (см., например, [3]). Более активным восстановителем является кремний, еще более активным является алюминий. Однако алюминий сравнительно дорог, поэтому в черной металлургии в качестве восстановителя применяется редко.

В предлагаемом техническом решении оксиды титанистого шлака рекомендуется восстанавливать алюминием. При этом ставится задача получить после восстановления оксидов в титанистом шлаке новый оксидный расплав (уже не титанистый), пригодный для переработки в продукт, из которого можно получить затраченный на восстановление дорогой алюминий.

Такой вновь образованный оксидный расплав целесообразно получать в смеси из двух оксидов - оксида алюминия и оксида кремния. Их пропорция должна быть такова, чтобы при последующем восстановлении этих оксидов в металлическом расплаве не образовывался бы карбид алюминия. Этот оксидный расплав по химическому составу должен быть близким к кианиту. Следует учесть при этом, что во многих рудах, предназначенных для выплавки черных металлов, и оксид алюминия, и оксид кремния присутствуют. Кроме того, восстановление оксидов из шлака алюминием сопровождается получением оксида алюминия. Поэтому получение состава типа кианита во вновь образованном оксидном расплаве является легко осуществимым.

Из состава типа кианита возможно получить Al-Si сплав в металлической форме, как это предложено, например, в способе [4], и таким образом сделать алюминий оборотным металлом в металлургическом цикле и тем самым исключить необходимость его приобретения со стороны, что позволяет сделать предлагаемый процесс экономически эффективным.

На чертеже показана схема, в которой реализуется данной техническое решение.

В отличие от прототипа выплавку содержащего ванадий чугуна и титанистого шлака осуществляют не в мощной рудоэлектротермической печи, а в специальном первом плавильном агрегате, в котором с помощью электромагнитного поля создается вращение чугуна.

Деванадацию чугуна осуществляют не в ковше, размещаемом на "встряхиваемой" платформе, а во втором агрегате несколько упрощенной конструкции по сравнению с первым плавильным агрегатом чугун приводится во вращение также электромагнитным полем. Во втором агрегате температуру чугуна снижают до 1300-1400^oС за счет введения стального лома, а т.к. после ввода лома температура плавления расплава может повыситься, то необходима подача сравнительно небольшого количества углерода. Кислород во второй агрегат вводят с целью возможно большего окисления ванадия и перевода его в шлак, но при этом нежелательно допустить излишнее окисление железа. Именно поэтому температуру расплава понижают. Дальнейший передел обедненного по ванадию чугуна и ванадиевого шлака осуществляется по известным технологиям.

Титанистый шлак не направляется в отвал, как это предусмотрено технологией, принятой в ЮАР, а еще жидким направляется в третий плавильный агрегат, и в этом агрегате активным восстановителем - алюминием, содержащимся в алюминиево-кремниевом сплаве, при повышенной температуре расплава осуществляется восстановление металлов из их оксидов в титанистом шлаке и прежде всего восстановление титана из его оксида. Восстановление металлов из их оксидов алюминием сопровождается большим выделением тепла, т.к. все реакции являются экзотермическими, поэтому для повышения температуры расплава до 1750^oС не требуется ввода в третий агрегат дополнительного тепла. Наоборот, выделяется столько тепла, что его хватает на плавку вводимого в агрегат кварцевого песка, если это будет необходимо.

В третьем агрегате образуется новый шлаковый расплав, а т.к. этот расплав желательно получить на основе оксидов алюминия и кремния, да еще в определенной пропорции, то это соотношение и определяет значение температуры из условия поддержания шихты в расплавленном состоянии.

При восстановлении алюминием титанистого шлака практически всех металлов в титаносодержащий сплав сам алюминий превращается в оксид, температура плавления которого, как известно, 2050^oС. Для поддержания состояния расплава необходим ввод в третий агрегат чистого кремнезема (например, кварцевого песка), причем в таком количестве, чтобы его оказалось не меньше 30% от содержания в шлаке оксида алюминия.

Для получения из вновь образованного шлаковою расплава конечного продукта этот расплав передают в четвертый плавильный агрегат. Здесь за счет энергии окисления Al-Si сплава повышается температура до 2100^oС, после чего преимущественно углеродистым восстановителем осуществляется восстановление алюминия и кремния из их оксидов. В результате получают в основном оборотный Al-Si сплав и некоторое количество товарного Al-Si сплава. Количество товарного Al-Si сплава зависит от процентного содержания в титанистом шлаке оксида алюминия и от содержания алюминия в титансодержащем сплаве.

Для примера рассмотрим процесс переработки титанистого шлака, образовавшегося при переплаве богатой титаномагнетитовой руды Чинейского месторождения с содержанием железа 50%. Титанистый шлак в соответствии с данными [1, табл. 5.2, с. 218] может иметь следующий химический состав, %: l,5 FeO; 23 CaO; 8 MgO; 27 TiO₂; 0,55 V₂О₅; 0,47 MnO; 23 SiО₂; 16,5 Аl₂О₃.

При переработке 1 т титанистого шлака указанного химического состава для извлечения из него всех металлов потребуется 600 кг алюминия из Al-Si сплава. Процесс будет рентабельным, если стоимость производства 600 кг этого сплава из вновь образованного шлакового расплава будет меньше стоимости получаемого товарного продукта. При переработке указанного выше титанистого шлака можно получить, в частности, следующие товарные продукты: 430 кг титаносодержащего сплава, 120 кг Al-Si сплава. В титаносодержащем сплаве содержится до 160 кг титана, до 250 кг кремния и до 20 кг таких элементов, как железо, марганец и ванадий. Не исключается в титаносодержащем сплаве и присутствие некоторого количества Al, Ca, Mg.

Для получения из вновь образованного шлака 600 кг Al-Si сплава следует израсходовать с учетом возврата части энергии через энергетический газ примерно 4000 кВт•ч электрической энергии. Дополнительно расходуется примерно 600 кг углеродистого восстановителя и примерно 50 кг кислорода на общую сумму примерно 200 $. Стоимость товарной продукции по ориентировочному расчету составляет около 500 $. Если дополнительные общие расходы составят сумму около 100$, то прибыль от переработки титанистого шлака руды Чинейского местрождения составит около 200 $ на тонну перерабатываемого материала.

Технический результат от применения заявляемого объекта заключается в следующем.

- Переработка титаномагнетитовой руды осуществляется безотходно, в результате не занимаются земельные площади под шлакоотвалы, шламохранилища и др.

- Переработка шлака становится рентабельной вследствие извлечения из него дорогостоящего компонента титана.

- Улучшается экологическая обстановка из-за отсутствия загрязнения территорий шлаками металлургического производства.

- Улучшаются условия деванадации чугуна.

- Снижаются капитальные вложения на сооружение предприятия, поскольку реализуемое в способе технологическое оборудование имеет меньшие габариты и массу по сравнению с аналогами.

Источники информации
1. Дерябин Ю.А., Смирнов Л.А., Дерябин А.А. Перспективы переработки чинейских титаномагнетитов. Екатеринбург: Средне-уральское кн. издат., 1999, 368 с.

2. Смирнов Л.А., Дерябин Ю.А., Шаврин С.В. Металлургическая переработка ванадийсодержащих титаномагнетитов. Челябинск: Металлургия. Челябинское отделение, 1990, 256 с.

3. Капустин Е.А. Перспективы альтернативных металлургических процессов Сталь, 1998. 8.

4. Патент РФ 2148670. Способ производства алюминиево-кремниевого сплава. Коршунов Е.А., Третьяков B.C., БИ 13, 2000.

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к переработке титаномагнетитовой ванадийсодержащей руды. Способ включает процессы плавки металлизованной шихты, деванадации чугуна и переработки удаленного титанистого шлака, осуществляют его в самостоятельных агрегатах на вращающихся расплавах, на которые воздействуют электромагнитным полем. Процесс плавки металлизованной шихты ведут на вращающемся расплаве чугуна. Процесс деванадации чугуна ведут на вращающемся расплаве чугуна, температуру которого понижают до 1300-1400^oС. Процесс переработки титанистого шлака ведут, не давая ему затвердеть, на вращающемся жидком сплаве, который получают за счет обработки титанистого шлака металлическим восстановителем. При образовании титаносодержащего сплава получают новый оксидный расплав, пригодный для переработки. Предлагаемое изобретение позволяет комплексно перерабатывать титаномагнетитовые ванадийсодержащие руды. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ переработки титаномагнетитовой ванадийсодержащей руды на титанистый чугун, ванадиевый шлак и титаносодержащий сплав, включающий процесс твердофазного восстановления части железа в шихте углеродистым восстановителем, процесс плавки металлизованной шихты в плавильном агрегате на титанистый шлак и ванадийсодержащий чугун при температуре чугуна 1450-1500^oС, выпуск продуктов плавки и отделение от чугуна титанистого шлака, понижение температуры чугуна, процесс деванадации чугуна, удаление ванадиевого шлака в товарный продукт, удаление чугуна с остатками ванадия в товарный продукт, отличающийся тем, что процессы плавки металлизованной шихты, деванадации чугуна и переработки удаленного титанистого шлака осуществляют в самостоятельных агрегатах на вращающихся расплавах, на которые воздействуют электромагнитным полем, причем процесс плавки металлизованной шихты ведут на вращающемся расплаве чугуна, процесс деванадации чугуна ведут на вращающемся расплаве чугуна, температуру которого понижают до 1300-1400^oС, процесс переработки титанистого шлака ведут, не давая ему затвердеть, на вращающемся жидком сплаве, который получают за счет обработки титанистого шлака металлическим восстановителем, причем при образовании титансодержащего сплава получают новый оксидный расплав, пригодный для переработки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлического восстановителя при обработке титанистого шлака используют алюминий. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлического восстановителя используют ферросилицию. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вновь образованный оксидный расплав подвергают восстановлению углеродистым восстановителем. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что во вновь образованном оксидном расплаве количество оксидов алюминия и кремния доводят до содержания, при котором их последующее восстановление углеродистым восстановителем не позволяет образовывать карбид алюминия. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что при доводке в оксидном расплаве необходимого содержания оксидов алюминия и кремния обеспечивают не менее 30% содержания оксида кремния по отношению к оксиду алюминия.