СПОСОБ ПРЯМОЙ ПЛАВКИ Российский патент 2016 года по МПК C21B13/00 

Настоящее изобретение относится к способу прямой плавки на основе расплавленной ванны для получения расплавленного металла из металлоносного исходного материала, содержащего оксиды железа и оксиды титана, в емкости для прямой плавки.

Металлоносный исходный материал может представлять собой любой материал, содержащий оксиды железа и оксиды титана. Одним из примеров подходящего исходного материала является титановый магнетит. Он также известен как титаномагнетит или «железистые пески» («железистые песчаники»). Другим примером является ильменит. Подходящие источники титанового магнетита обнаружены в Юго-Западном Китае и Новой Зеландии. Подходящие источники ильменита обнаружены в Западной Австралии и на Мадагаскаре. Настоящее изобретение не ограничено титановым магнетитом и ильменитом и не ограничено титановым магнетитом и ильменитом из этих источников.

Металлоносный исходный материал также может представлять собой любой материал, содержащий оксиды железа и оксиды титана и оксиды других металлов, такие как оксиды ванадия. Одним из примеров подходящего исходного материала является титанованадиевый магнетит, такой как обнаруженный в Юго-Западном Китае и Новой Зеландии либо как остаток от процесса получения пигмента TiO₂ (такого как процесс Бехера).

Известный способ прямой плавки на основе расплавленной ванны, обычно называемый процессом HIsmelt, описан в значительном ряде патентов и заявок на патенты на имя данного заявителя.

Процесс HIsmelt связан, в частности, с получением расплавленного железа из железной руды.

В контексте получения расплавленного железа процесс HIsmelt включает в себя следующие стадии:

(а) создание ванны расплавленного железа и шлака в емкости для прямой плавки;

(b) вдувание в ванну: (i) железной руды, обычно в виде рудной мелочи; и (ii) твердого углеродистого материала, обычно угля, действующего как восстановитель железорудного исходного материала и источник энергии; и

(с) плавку железной руды до железа в ванне.

Под термином «плавка» в данном описании подразумевается термическая обработка, при которой происходят химические реакции восстановления оксидов металлов с получением расплавленного металла.

В процессе HIsmelt твердые исходные материалы в виде металлоносного материала и твердого углеродистого материала вдувают с газом-носителем в расплавленную ванну через ряд фурм, наклоненных к вертикали так, чтобы проходить вниз и внутрь через боковую стенку емкости для прямой плавки и в нижнюю часть емкости с тем, чтобы доставлять по меньшей мере часть твердых исходных материалов в слой металла в нижней части емкости. Твердые исходные материалы и газ-носитель проникают в расплавленную ванну и вызывают выброс расплавленного металла и/или шлака в пространство над поверхностью ванны и формирование переходной зоны. Струю кислородосодержащего газа, обычно - обогащенного кислородом воздуха или чистого кислорода - вдувают в верхнюю часть емкости через проходящую вниз фурму, обеспечивая дожигание реакционных газов, выделяющихся из расплавленной ванны в верхней области емкости. В переходной зоне находится полезная масса поднимающихся и затем опускающихся капель или брызг, или струй расплавленного металла и/или шлака, которые обеспечивают эффективную среду для передачи ванне тепловой энергии, возникшей при дожигании реакционных газов над ванной.

Обычно в случае получения расплавленного железа, при использовании обогащенного кислородом воздуха, его подают при температуре порядка 1200°С и генерируют в подогревателях дутья. При использовании технически чистого холодного кислорода его обычно подают при температуре окружающей среды или близкой к ней.

Отходящие газы, образующиеся в результате дожигания реакционных газов в емкости для прямой плавки, отводят из верхней области емкости через газоотводный канал.

Емкость для прямой плавки включает в себя футерованные огнеупором секции в нижнем поде и охлаждаемые водой панели в боковой стенке и своде емкости, и через эти панели непрерывно циркулирует вода в замкнутом контуре.

Процесс HIsmelt позволяет получать прямой плавкой в одной компактной емкости большие количества расплавленного железа, обычно по меньшей мере 0,5 миллиона тонн в год (Mt/a).

Однако до настоящего времени заявитель придерживался того мнения, что процесс HIsmelt не подходит для плавки металлоносного исходного материала, который содержит оксиды железа и оксиды титана, такие как титаномагнетит и ильменит, и необязательно также содержит оксиды других металлов, такие как оксиды ванадия. Сейчас заявитель осуществил научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по процессу HIsmelt, в частности работы по изучению характеристик шлака в процессе, которые указывают на то, что соответствующее регулирование условий процесса позволяет плавить металлоносный исходный материал, содержащий оксиды железа и оксиды титана и необязательно оксиды ванадия, в процессе HIsmelt. Данное открытие также относится к другим процессам на основе расплавленной ванны, которые имеют характеристики, подобные процессу HIsmelt, или включают данный процесс HIsmelt.

Вышеприведенное обсуждение не предназначено быть допущением общеизвестных сведений в Австралии и где бы то ни было.

Настоящее изобретение предусматривает способ прямой плавки на основе расплавленной ванны, включающий регулирование условий процесса в емкости для прямой плавки так, что расплавленный шлак в расплавленной ванне металла и шлака в емкости имеет вязкость в диапазоне 0,5-5 Пуаз, предпочтительно 1-5 Пуаз, когда температура шлака в расплавленной ванне в емкости составляет в диапазоне 1400-1550°C.

Настоящее изобретение предусматривает способ прямой плавки, включающий подачу (а) металлоносного исходного материала (металлоносного сырья), содержащего оксиды железа и по меньшей мере 3% масс. оксидов титана, (b) твердого углеродистого исходного материала и (с) кислородосодержащего газа в емкость для прямой плавки, содержащую расплавленную ванну железа и шлака, и прямую плавку металлоносного исходного материала в емкости и получение выходных потоков (продуктов) расплавленного железа, расплавленного шлака, содержащего оксиды титана, и отходящего газа, причем способ отличается регулированием условий процесса, как описано здесь, так, что расплавленный шлак имеет вязкость в диапазоне 0,5-5 Пуаз, когда температура шлака в расплавленной ванне в емкости для прямой плавки составляет в диапазоне 1400-1550°С.

Под термином «расплавленный шлак» здесь подразумевается шлак, который является полностью жидким.

Под термином «расплавленный шлак» здесь также подразумевается шлак, содержащий суспензию твердого материала и жидкой фазы.

Твердый материал в расплавленном шлаке может представлять собой твердую оксидную фазу при температуре шлака в процессе, при этом шлак представляет собой суспензию твердой оксидной фазы в жидкой шлаковой фазе.

Термин «условия процесса» предназначен здесь иметь широкое значение и распространяться, например, на (а) рабочие условия внутри емкости для прямой плавки, такие как температура и давление, а также скорости вдувания твердых исходных материалов и кислородосодержащего газа в емкость, (b) состав расплавленной ванны, в частности состав шлака, и (с) характеристики расплавленной ванны. Состав расплавленной ванны может включать подбор компонентов шлака так, что шлак представляет собой расплавленный шлак, как описано здесь, в диапазоне температур расплавленной ванны 1400-1550°С. Как указано в приведенном выше определении «расплавленного шлака», расплавленный шлак может включать твердую оксидную фазу и жидкую шлаковую фазу при рабочем диапазоне температур процесса. Характеристики расплавленного шлака включают, в качестве примера, вязкость и/или кислородный потенциал упомянутого выше расплавленного шлака. Характеристики также включают, в качестве примера, основность расплавленного шлака и турбулентность шлака. Эти характеристики являются функцией рабочих условий и состава шлака.

Настоящее изобретение основано на понимании заявителем в результате упомянутых выше научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ того, что:

(а) существуют рабочие «окна» для прямой плавки металлоносных исходных материалов, содержащих оксиды железа, оксиды титана и необязательно оксиды ванадия, в процессе HIsmelt и других процессах на основе расплавленной ванны, которые имеют характеристики, подобные процессу HIsmelt, или включают данный процесс HIsmelt; и

(b) процессы на основе расплавленной ванны, выполняемые в рамках таких «окон», обеспечивают возможность плавить такие титансодержащие материалы для получения расплавленного железа более эффективно, чем в случае их плавки в доменных печах, используемых в настоящее время для плавки титаномагнетитов, включая титаномагнетиты, содержащие оксиды ванадия.

В частности, заявитель понял, что настоящее изобретение обеспечивает возможность получать два ценных продукта на выходе из процессов плавки на основе расплавленной ванны типа процесса HIsmelt, а именно: (а) расплавленный железный продукт, который может содержать металлический ванадий, и (b) шлаковый продукт, который имеет высокие концентрации оксидов титана в виде TiO₂, например по меньшей мере 50%, который может быть использован в качестве сырья для сульфатного процесса получения пигментного диоксида титана. В частности, заявитель понял, что существует возможность при осуществлении процессов на основе расплавленной ванны регулировать скорость охлаждения расплавленного шлака, выводимого из процесса, чтобы предпочтительно образовывались микроструктуры, поддающиеся обработке в сульфатном процессе.

Способ может включать регулирование условий процесса регулированием состава шлака и температуры расплавленной ванны таким образом, чтобы она была ниже, обычно слегка ниже, чем температура ликвидуса шлака, так что твердая оксидная фаза выделяется из жидкой фазы расплавленного шлака, тем самым регулируя вязкость шлака.

Под используемыми здесь терминами «вязкость» и «температура ликвидуса» подразумеваются вязкость и температура ликвидуса, рассчитанные по компьютерной программе FactSage (для температуры ликвидуса - FactSage 6.1 или более поздняя, а для вязкости - FactSage Viscosity 6.0 или более поздняя). Учитывая потенциальную вероятность нестандартных результатов, получаемых при различных методах измерения и расчета, рационализация посредством расчета по FactSage считается неявным определением значения данных терминов. Такие расчеты, при их выполнении, должны полностью соответствовать руководству по использованию компьютерной программы FactSage и при необходимости должны быть просмотрены и авторизованы владельцами компьютерной программы FactSage. В частности, расчеты, не учитывающие (преднамеренно или по каким-либо другим причинам) некоторые возможные комбинации химических веществ, не будут считаться соответствующими используемым здесь терминам «вязкость» и «температура ликвидуса».

Способ может включать регулирование условий процесса так, что твердый материал в расплавленном шлаке составляет по меньшей мере 5% расплавленного шлака.

Твердый материал в расплавленном шлаке может составлять по меньшей мере 10% расплавленного шлака.

Твердый материал в расплавленном шлаке может составлять менее 30% расплавленного шлака.

Твердый материал в расплавленном шлаке может составлять 15-25% расплавленного шлака.

Металлоносный исходный материал может представлять собой любой материал, содержащий оксиды железа и оксиды титана. Примерами подходящих исходных материалов являются титановый магнетит, титаномагнетит и ильменит.

В случаях когда металлоносный исходный материал содержит только титаномагнетит, оксиды титана могут составлять менее 40% масс. металлоносного исходного материала.

В случаях когда металлоносный исходный материал содержит только титаномагнетит, оксиды титана могут составлять менее 30% масс. металлоносного исходного материала.

В случаях когда металлоносный исходный материал содержит титаномагнетит и ильменит, оксиды титана могут составлять менее 50% масс. металлоносного исходного материала.

Металлоносный исходный материал может также представлять собой любой материал, содержащий оксиды железа и оксиды титана, а также оксиды других металлов, такие как оксиды ванадия. Одним из примеров подходящего исходного материала является титанованадиевый магнетит.

В случаях когда металлоносный исходный материал содержит оксиды ванадия, способ включает в себя получение выходных потоков расплавленного железа и ванадия, расплавленного шлака, содержащего оксиды титана и оксиды ванадия, и отходящего газа.

В зависимости от условий процесса разделение ванадия между выходными потоками металла и шлака в процессе может составлять по меньшей мере 50%, типично - по меньшей мере 65%, более типично - по меньшей мере 80%, в выходной поток металла.

В общем, а не только в случаях когда металлоносный материал содержит оксиды ванадия, способ может включать регулирование условий процесса регулированием отношения концентраций железа в шлаке к углероду в металле на уровне, составляющем менее 2:1, типично - менее 1,5:1, более типично - от 1:1 до 1,3:1.

Способ может включать регулирование условий процесса так, что расплавленный шлак имеет высокий кислородный потенциал.

Под термином «высокий» в контексте «кислородного потенциала» здесь подразумевается «высокий» относительно шлака доменной печи.

Способ может включать регулирование условий процесса так, чтобы кислородный потенциал расплавленного шлака был достаточно высоким для минимизации восстановления оксидов титана в шлаке из валентного состояния +4 до более низкого валентного состояния. Более низкие валентные состояния снижают вязкость шлака и повышают риск образования пенистого шлака. Пенистый шлак является нежелательным, поскольку он создает проблемы с регулированием процесса.

Способ может включать регулирование условий процесса так, чтобы содержание FeO в расплавленном шлаке составляло по меньшей мере 3% масс. для того, чтобы расплавленный шлак имел высокий кислородный потенциал.

Способ может включать регулирование условий процесса так, чтобы содержание FeO в расплавленном шлаке составляло по меньшей мере 4% масс. для того, чтобы расплавленный шлак имел высокий кислородный потенциал.

Способ может включать регулирование условий процесса так, чтобы содержание FeO в расплавленном шлаке составляло по меньшей мере 5% масс. для того, чтобы расплавленный шлак имел высокий кислородный потенциал.

Способ может включать регулирование условий процесса так, чтобы содержание FeO в расплавленном шлаке составляло менее 6% масс.

Способ может включать регулирование условий процесса так, чтобы содержание FeO в расплавленном шлаке составляло менее 10% масс.

Способ может включать регулирование условий процесса так, чтобы содержание углерода в расплавленном шлаке составляло по меньшей мере 3% масс.

Способ может включать регулирование условий процесса так, чтобы содержание углерода в расплавленном шлаке составляло по меньшей мере 4% масс.

Способ может включать регулирование условий процесса так, чтобы содержание углерода в расплавленном шлаке составляло по меньшей мере 5% масс.

Способ может включать регулирование условий процесса так, чтобы вязкость расплавленного шлака составляла в диапазоне 0,5-4 Пуаз.

Способ может включать регулирование условий процесса так, чтобы вязкость расплавленного шлака составляла в диапазоне 0,5-3 Пуаз.

Способ может включать регулирование условий процесса так, чтобы вязкость расплавленного шлака составляла более 2,5 Пуаз.

Способ может включать введение одной или более чем одной добавки для облегчения регулирования характеристик расплавленного шлака, например состава шлака и/или вязкости шлака, в расплавленную ванну.

В качестве примера добавка может быть выбрана для регулирования основности расплавленного шлака, например, в результате добавления СаО, для снижения вязкости шлака и минимизации риска образования пенистого шлака.

Способ может включать регулирование условий процесса так, чтобы расплавленный шлак имел следующие компоненты в указанных диапазонах:

TiO₂: по меньшей мере 15% масс.,

SiO₂: по меньшей мере 15% масс.,

СаО: по меньшей мере 15% масс.,

Al₂O₃: по меньшей мере 10% масс. и

FeO: по меньшей мере 3% масс.

Расплавленный шлак может содержать по меньшей мере 20% масс. TiO₂.

Расплавленный шлак может содержать по меньшей мере 50% масс. TiO₂.

Расплавленный шлак может содержать 15-20% масс. SiO₂.

Расплавленный шлак может содержать 15-30% масс. СаО. Расплавленный шлак может содержать 10-20% масс. Al₂O₃.

Расплавленный шлак может содержать 4-10% масс. FeO. Состав шлака может включать и другие компоненты, такие как MnO.

Конкретные примеры составов шлаков в соответствии с настоящим изобретением являются следующими.

Химический состав А

Химический состав В

Химический состав С

Химические составы А и В основаны на использовании 100% исходного материала в виде китайского титаномагнетита, а химический состав С основан на использовании 100% исходного материала в виде новозеландского титаномагнетита.

Способ может включать осуществление процесса выше атмосферного давления в емкости для прямой плавки.

Кислородосодержащий газ может представлять собой обогащенный кислородом воздух или технический кислород.

Способ может включать подачу твердых исходных материалов в емкость посредством вдувания металлоносного исходного материала,

твердого углеродистого материала и газа-носителя в расплавленную ванну через фурмы для вдувания твердых материалов, проходящие вниз и внутрь через боковую стенку емкости, так что твердые исходные материалы по меньшей мере частично проникают в слой расплавленного железа расплавленной ванны.

Способ может включать регулирование процесса, включая регулирование вдувания твердых исходных материалов и газа-носителя, чтобы обеспечить существенное перемешивание расплавленной ванны.

Степень перемешивания расплавленной ванны может быть такой, что в ванне имеет место по существу равномерная температура.

Способ может включать выпуск полученных в результате процесса выходных потоков расплавленного металла и расплавленного шлака в виде отдельных технологических потоков.

Способ может включать регулирование скорости охлаждения расплавленного шлака, выпускаемого из процесса, чтобы предпочтительно образовывались микроструктуры, поддающиеся обработке в сульфатном процессе.

Способ может представлять собой процесс HIsmelt, как описано выше.

Способ может представлять собой вариант процесса HIsmelt с привлечением емкости HIsmelt в сочетании либо с (а) плавильным циклоном на емкости для прямой плавки, например, как описано в патенте США 6440195, либо с (b) предварительным восстановлением металлоносного исходного материала перед подачей этого исходного материала в емкость для прямой плавки.

Настоящее изобретение также предусматривает емкость для прямой плавки, используемую для плавки металлоносного исходного материала, содержащего оксиды железа и по меньшей мере 3% масс. оксидов титана, способом прямой плавки на основе расплавленной ванны, причем емкость содержит расплавленную ванну металла и шлака, и при этом расплавленный шлак обладает температурой в диапазоне 1400-1550°С и вязкостью в диапазоне 0,5-5 Пуаз.

Настоящее изобретение также предусматривает расплавленный железный продукт, который может содержать металлический ванадий, полученный вышеописанным способом прямой плавки.

Настоящее изобретение также предусматривает шлаковый продукт, который имеет высокие концентрации оксидов титана в виде TiO₂, такие как по меньшей мере 50%, полученный вышеописанным способом прямой плавки.

Настоящее изобретение также предусматривает сырье для сульфатного процесса получения пигментного диоксида титана, полученное вышеописанным способом прямой плавки.

Далее настоящее изобретение описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фигура 1 представляет собой схематическое изображение емкости для прямой плавки, работающей в соответствии с одним вариантом воплощения способа прямой плавки по настоящему изобретению;

фигура 2 представляет собой фазовую диаграмму тройной системы оксид кальция, оксид алюминия и оксид кремния в шлаке в одном варианте воплощения способа прямой плавки по настоящему изобретению; и

фигура 3 представляет собой псевдотройную фазовую диаграмму шлака и отдельные графики ликвидуса шлака для двух помеченных участков фазовой диаграммы для исходного материала с высоким содержанием оксида титана в одном варианте воплощения способа прямой плавки по настоящему изобретению.

Следующее описание приведено в контексте плавки титаномагнетита для получения расплавленного железа посредством процесса HIsmelt. Настоящее изобретение не ограничено плавкой титаномагнетита и распространяется на плавку любого подходящего металлоносного исходного материала, содержащего оксиды железа и оксиды титана. Например, настоящее изобретение распространяется на плавку титанованадиевого магнетита. Кроме того, настоящее изобретение не ограничено процессом HIsmelt и распространяется на любой процесс на основе расплавленной ванны типа процесса HIsmelt, который может обеспечить необходимые условия процесса. В частности, в качестве примера настоящее изобретение распространяется на варианты процесса HIsmelt, которые включают в себя (а) плавильный циклон на емкости для прямой плавки, например, как описано в патенте США 6440195, и (b) предварительное восстановление металлоносного исходного материала перед подачей этого исходного материала в емкость для прямой плавки.

Как указано выше, процесс HIsmelt описан в значительном ряде патентов и заявок на патенты на имя данного заявителя. В качестве примера процесс HIsmelt описан в Международной заявке РСТ/AU96/00197 на имя данного заявителя. Раскрытие патентного описания, поданного с той Международной заявкой, включено сюда по перекрестной ссылке.

Способ основан на использовании емкости 3 для прямой плавки.

Емкость 3 принадлежит к типу, описанному подробно в Международных заявках РСТ/AU2004/000472 и РСТ/AU2004/000473 на имя данного заявителя. Раскрытие патентных описаний, поданных с этими заявками, включено сюда по перекрестной ссылке.

Емкость 3 имеет под 51, включающий в себя основание и стороны, выполненные из огнеупорных кирпичей, боковую стенку 53, образующую в целом цилиндрическую бочку, простирающуюся вверх от сторон пода и включающую верхнюю секцию бочки и нижнюю секцию бочки, свод 55, газоотводный канал 9 в верхней части емкости 3, копильник 67, предназначенный для непрерывного выпуска расплавленного металла из емкости 3, и летку (не показана) для периодического выпуска расплавленного шлака из емкости 3.

При работе емкость содержит расплавленную ванну железа и шлака, включающую в себя слой 15 расплавленного металла и слой 16 расплавленного шлака на слое 15 металла. Стрелка, обозначенная цифрой 17, указывает позицию номинальной спокойной поверхности слоя 15 металла, а стрелка, обозначенная цифрой 19, указывает позицию номинальной спокойной поверхности слоя 16 шлака. Под термином «спокойная поверхность» подразумевается поверхность при отсутствии вдувания газа и твердых материалов в емкость. Обычно температура расплавленной ванны составляет в диапазоне 1400-1550°С.

Емкость 3 оснащена проходящей вниз водоохлаждаемой фурмой 7 горячего воздушного дутья («НАВ»), проходящей в верхнее пространство емкости 3, и множеством водоохлаждаемых фурм 5 для вдувания твердых материалов, проходящих вниз и внутрь через боковую стенку и в шлак. Фурмы 5 проходят вниз и внутрь под углом 30-60° к вертикали через боковую стенку и в слой 16 шлака в расплавленной ванне. Положение фурм 5 выбрано таким, что их нижние концы находятся над спокойной поверхностью 17 слоя 15 металла расплавленной ванны.

При работе титаномагнетит, уголь и шлаковые добавки, захваченные газом-носителем (обычно N₂), вдувают непосредственно в ванну через фурмы 5 для вдувания твердых материалов.

Импульс вдуваемых твердых материалов/газа-носителя заставляет твердый материал и газ проникать в слой 15 металла. Уголь подвергается выходу летучих и тем самым дает существенные объемы газа в слое 15 металла. Углерод частично растворяется в металле и частично остается в виде твердого углерода. Оксиды железа в титаномагнетите плавятся до расплавленного металла, и в результате реакции плавки образуется газообразный монооксид углерода. Газы, перенесенные в слой 15 металла и образовавшиеся за счет выхода летучих и плавки, вызывают значительный, обусловленный плавучестью подъем расплавленного металла, твердого углерода, непрореагировавшего твердого материала в титаномагнетите (преимущественно TiO₂) и шлака (втянутых в слой 15 металла следствие вдувания твердых материалов/газа) из слоя 15 металла, что создает движение вверх брызг, капель и струй расплавленного металла и шлака и захваченного непрореагировавшего титаномагнетита, и эти брызги, капли и струи захватывают шлак по мере своего продвижения через слой 16 шлака.

Обусловленный плавучестью подъем вышеописанного материала вызывает существенное перемешивание в слое 15 металла и слое 16 шлака, в результате чего слой 16 шлака расширяется в объеме и имеет поверхность, обозначенную стрелкой 30. Степень перемешивания такова, что имеет место довольно равномерная температура в областях металла и шлака - обычно 1400-1550°С, с отклонением температуры порядка 30° в каждой области.

Кроме того, движение вверх вышеописанного материала простирается в верхнее пространство 31 емкости 3, находящееся над расплавленной ванной в емкости, и:

(а) формирует переходную зону 23; и

(b) выбрасывает некоторое количество расплавленного материала (преимущественно шлака) за пределы переходной зоны на секцию боковой стенки емкости 3, находящуюся над переходной зоной 23.

В общих чертах слой 16 шлака представляет собой сплошной объем жидкости, с твердым материалом и газовыми пузырьками, а переходная зона 23 представляет собой сплошной объем газа с брызгами, каплями и струями расплавленного металла и шлака. В качестве альтернативы слой 16 шлака может быть описан как суспензия твердого материала в жидкой фазе с дисперсией газовых пузырьков в жидкой фазе.

Позицию фурмы 7 для кислородосодержащего газа и расход газа через фурму 7 выбирают так, что кислородосодержащий газ проникает в центральную область переходной зоны 23 и оставляет по существу свободное от металла/шлака пространство (не показано) вокруг конца фурмы 7. Фурма 7 включает в себя узел, который вынуждает кислородосодержащий газ вдуваться в емкость при вихревом движении.

Дутье кислородосодержащего газа через фурму 7 дожигает реакционные газы СО и Н₂ в переходной зоне 23 и в свободном пространстве вокруг конца фурмы 7 и создает высокие температуры порядка 2000°С или выше в газовом пространстве. Это тепло передается поднимающимся и опускающимся брызгам, каплям и струям материала из слоя металла, а затем тепло частично передается слою 15 металла, когда материал падает вниз в слой 15 металла.

Описанный вариант воплощения способа по настоящему изобретению включает регулирование условий процесса так, что расплавленный шлак (а) находится в пределах выбранного диапазона состава с тем, чтобы шлак представлял собой расплавленный шлак, как описано здесь, (b) имеет высокий кислородный потенциал и (с) имеет вязкость в диапазоне 1-5 Пуаз, когда температура шлака составляет в диапазоне 1400-1550°С в расплавленной ванне в емкости 3.

Необходимое регулирование условий процесса может быть достигнуто одним или более чем одним из ряда возможных вариантов, включая, но не ограничиваясь ими, регулирование содержания FeO в расплавленном шлаке для достижения требуемого высокого кислородного потенциала и регулирование содержания CaO в расплавленном шлаке для достижения требуемой вязкости в диапазоне 1-5 Пуаз, когда температура шлака в расплавленной ванне в емкости 3 составляет в диапазоне 1400-1550°С.

Более конкретно в описанном варианте воплощения необходимое регулирование условий процесса включает в себя выбор исходных материалов и рабочих условий так, что расплавленный шлак имеет следующие компоненты в указанном диапазоне 1400-1550°С температур расплавленной ванны:

TiO₂: по меньшей мере 15% масс.,

SiO₂: по меньшей мере 15% масс.,

CaO: по меньшей мере 15% масс.,

Al₂O₃: по меньшей мере 10% масс. и

FeO: по меньшей мере 3% масс.

Более конкретно в описанном варианте воплощения необходимое регулирование условий процесса включает в себя регулирование состава шлака так, что расплавленный шлак является субликвидусным, предпочтительно слегка субликвидусным, для такого состава шлака в указанном диапазоне 1400-1550°С температур расплавленной ванны, так что твердая оксидная фаза выделяется из жидкого шлака в количестве 5-25% от объема шлака. Образующийся расплавленный шлак представляет собой суспензию твердой оксидной фазы в жидкой шлаковой фазе. Выделившаяся твердая оксидная фаза вносит вклад в регулирование вязкости расплавленного шлака, как необходимо для описанного варианта воплощения способа. Кроме того, вязкий расплавленный шлак хорошо подходит для образования защитного покрытия на огнеупорах емкости, находящихся в контакте со шлаком.

Фигура 2 представляет собой тройную фазовую диаграмму трех основных компонентов шлака - оксида кальция, оксида алюминия и оксида кремния - в одном варианте воплощения способа прямой плавки по настоящему изобретению. Более конкретно эта фазовая диаграмма фокусируется на двух основных компонентах пустой породы - оксиде алюминия и оксиде кремния - и флюсующей добавке, а именно оксиде кальция. Источником фазовой диаграммы послужил FactSage 6.1. Фазовая диаграмма иллюстрирует влияние состава шлака на фазы в шлаке. В частности, из фигуры 2 можно определить, что в том случае если требуется шлак более высокой вязкости (т.е. шлак с вязкостью по меньшей мере 2,5 Пуаз), этого можно добиться регулированием состава шлака, например корректировкой добавления оксида кальция, и других условий процесса для выделения мелилитовой твердой фазы из расплавленного шлака.

Фигура 3 представляет собой псевдотройную фазовую диаграмму шлака и отдельные графики ликвидуса шлака для двух отмеченных участков фазовой диаграммы для исходного материала с высоким содержанием оксида титана в одном варианте воплощения способа прямой плавки по настоящему изобретению. Эта фазовая диаграмма фокусируется на (а) трех основных компонентах пустой породы, а именно оксиде алюминия, оксиде магния и оксиде кремния, (b) флюсующей добавке, а именно оксиде кальция, и (с) диоксиде титана. Эта фазовая диаграмма была взята у ученых Квинслендского университета. Такая фазовая диаграмма определяет рабочее «окно» по тем составам шлака, которые обеспечивают требуемые для процесса вязкости шлака 1-5 Пуаз. На фигуре выделены два участка фазовой диаграммы, и эти участки показывают значительное изменение температур ликвидуса по выбранным составам. Из этих выделенных участков особенно очевиден значительный объем выделения твердых фаз и тем самым изменение вязкости шлака в пределах диапазона температур расплавленной ванны 1400-1550°С.

В более общих чертах к соответствующим параметрам управления процессом имеют отношение следующие признаки способа, по отдельности или в комбинации.

(а) Регулирование запаса шлака, т.е. глубины слоя шлака и/или соотношения шлак/металл (обычно весовое соотношение металл:шлак составляет между 3:1 и 1:1), чтобы сбалансировать положительное влияние металла в переходной зоне 23 на теплоперенос с отрицательным влиянием металла в переходной зоне 23 на дожигание из-за обратных реакций в переходной зоне 23. Если запас шлака слишком мал, воздействие кислорода на металл слишком сильное, и имеет место пониженный потенциал для дожигания. С другой стороны, если запас шлака слишком велик, фурма 7 окажется утопленной в переходной зоне 23, и будет иметь место пониженное вовлечение газа в свободное пространство 25 и пониженный потенциал для дожигания.

(b) Выбор позиции для фурмы 7 и регулирование скоростей вдувания кислородосодержащего газа и твердых материалов через фурму 7 и фурмы 5 для сохранения по существу свободной от металла/шлака области вокруг конца фурмы 7 и формирования переходной зоны 23 вокруг нижней секции фурмы 7.

(с) Регулирование потерь тепла из емкости в результате выплескивания шлака на секции боковой стенки емкости 3, находящиеся в контакте с переходной зоной 23 или над переходной зоной 23, путем корректировки одного или более из:

(i) запаса шлака; и

(ii) расхода дутья через фурму 7 и фурмы 5.

В описанном выше варианте воплощения настоящего изобретения могут быть проделаны многочисленные модификации без отступления от сущности и объема изобретения.

Изобретение относится к способу прямой плавки, который включает регулирование условий процесса в емкости для прямой плавки таким образом, что расплавленный шлак в расплавленной ванне металла и шлака имеет вязкость в диапазоне 0,5-5 Пуаз, когда температура шлака в расплавленной ванне в емкости составляет в диапазоне 1400-1550°С. Причем условия процесса включают: рабочие условия внутри емкости для прямой плавки, в том числе температуру и давление, и скорости вдувания твердых исходных материалов и кислородосодержащего газа в емкость; состав расплавленной ванны, в том числе состав шлака; и характеристики расплавленной ванны. Изобретение обеспечивает возможность плавить титансодержащие материалы с получением расплавленного железного продукта, который может содержать металлический ванадий, и шлакового продукта, который имеет по меньшей мере 50% оксидов титана в виде TiO₂, который может быть использован в качестве сырья для сульфатного процесса получения пигментного диоксида титана. В частности, изобретение обеспечивает возможность регулировать скорость охлаждения расплавленного шлака, выводимого из процесса, чтобы предпочтительно образовывались микроструктуры, поддающиеся обработке в сульфатном процессе. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

1. Способ прямой плавки, включающий подачу (а) металлосодержащего исходного материала, содержащего оксиды железа и по меньшей мере 3 мас.% оксидов титана, (b) твердого углеродистого исходного материала и (с) кислородосодержащего газа в емкость для прямой плавки, содержащую расплавленную ванну железа и шлака, и прямую плавку металлосодержащего исходного материала в этой емкости и процесс получения выходных потоков расплавленного железа, расплавленного шлака, содержащего оксиды титана, и отходящего газа, отличающийся тем, что регулируют условия процесса так, что расплавленный шлак представляет собой суспензию твердого материала и жидкой фазы, причем твердый материал представляет собой твердую оксидную фазу при температуре шлака в упомянутом процессе, и имеет вязкость в диапазоне 0,5-5 Пуаз, когда температура шлака в расплавленной ванне в емкости для прямой плавки составляет в диапазоне 1400-1550°C, при этом условия процесса включают:
(i) рабочие условия внутри емкости для прямой плавки, в том числе температуру и давление, и скорости вдувания твердых исходных материалов и кислородосодержащего газа в емкость;
(ii) состав расплавленной ванны, в том числе состав шлака; и
(iii) характеристики расплавленной ванны.

2. Способ по п. 1, включающий регулирование условий процесса регулированием состава шлака и температуры расплавленной ванны таким образом, чтобы она была ниже температуры ликвидуса шлака, так что твердая оксидная фаза выделяется из жидкой фазы, тем самым регулируя вязкость шлака.

3. Способ по п. 1, включающий регулирование условий процесса так, что твердый материал в расплавленном шлаке составляет по меньшей мере 5% расплавленного шлака.

4. Способ по п. 3, включающий регулирование условий процесса так, что твердый материал в расплавленном шлаке составляет по меньшей мере 10% расплавленного шлака.

5. Способ по п. 4, включающий регулирование условий процесса так, что твердый материал в расплавленном шлаке составляет менее 30% расплавленного шлака.

6. Способ по п. 5, включающий регулирование условий процесса так, что твердый материал в расплавленном шлаке составляет 15-25% расплавленного шлака.

7. Способ по п. 1, при этом металлосодержащий исходный материал включает любой один или более одного из титанового магнетита, титаномагнетита и ильменита.

8. Способ по п. 7, при этом, когда металлосодержащий исходный материал включает только титаномагнетит, оксиды титана составляют менее 40 мас.% металлосодержащего исходного материала.

9. Способ по п. 7 или 8, при этом, когда металлосодержащий исходный материал включает только титаномагнетит, оксиды титана составляют менее 30 мас.% металлосодержащего исходного материала.

10. Способ по п. 9, при этом, когда металлосодержащий исходный материал включает титаномагнетит и ильменит, оксиды титана составляют менее 50 мас.% металлосодержащего исходного материала.

11. Способ по п. 1, при этом металлосодержащий исходный материал также включает оксиды других металлов, такие как оксиды ванадия.

12. Способ по п. 11, при этом, когда металлосодержащий материал содержит оксиды ванадия, способ включает получение выходных потоков расплавленных железа и ванадия, расплавленного шлака, содержащего оксиды титана и оксиды ванадия, и отходящего газа.

13. Способ по п. 1, включающий регулирование условий процесса регулированием отношения концентраций железа в шлаке к углероду в металле, составляющего менее 2:1.

14. Способ по п. 1, включающий регулирование условий процесса регулированием отношения концентраций железа в шлаке к углероду в металле, составляющего менее 1,5:1.

15. Способ по п. 1, включающий регулирование условий процесса регулированием отношения концентраций железа в шлаке к углероду в металле, составляющего от 1:1 до 1,3:1.

16. Способ по п. 1, включающий регулирование условий процесса так, что расплавленный шлак имеет высокий кислородный потенциал.

17. Емкость для прямой плавки, используемая для плавки металлосодержащего исходного материала, содержащего оксиды железа и по меньшей мере 3 мас.% оксидов титана, способом прямой плавки на основе расплавленной ванны, причем емкость имеет под, содержащий расплавленную ванну металла и шлака, боковые стенки, которые простираются вверх к своду с ограничением верхнего пространства над расплавленной ванной, копильник для выпуска расплавленного металла и летку для выпуска шлака, фурму для вдувания газа в верхнее пространство и множество фурм для вдувания твердых материалов, простирающихся вниз и внутрь через боковые стенки и в шлак, и при этом расплавленный шлак имеет температуру в диапазоне 1400-1550°C и вязкость в диапазоне 0,5-5 Пуаз.

18. Расплавленный шлаковый продукт, который имеет по меньшей мере 50% оксидов титана в виде TiO₂, полученный способом прямой плавки по любому из пп. 1-16.

19. Сырье для сульфатного процесса получения пигментного диоксида титана, представляющее собой шлаковый продукт, полученный способом прямой плавки по любому из пп. 1-16.