Способ переработки титаномагнетита

Изобретение относится к переработке железо-титанового сырья, главным образом титаномагнетита, и может быть использовано для вовлечения в рентабельное промышленное производство низкосортных железотитановых концентратов с получением товарных стали и титанового продукта. Формируют однородную по составу шихту, состоящую из титаномагнетита, углеродсодержащего восстановителя и связующего, которую гранулируют и подвергают термическому восстановлению. Завершают восстановление при температуре, обеспечивающей переход шлаковой фракции в вязкопластичное состояние, преимущественно 1330-1400°С, с получением частично восстановленного продукта, содержащего металлическую фракцию и шлаковую фракцию. Частично восстановленный продукт измельчают до размера частиц шлаковой фракции менее 0,2-0,25 мм, от которой отделяют металлическую фракцию. Шлаковую фракцию подвергают электроплавке, в ходе которой ее довосстанавливают, и образовавшийся расплав разделяют по плотности с получением шлакового компонента и металлического компонента, содержащего остаточную часть железа. Затем металлическую фракцию объединяют с полученным металлическим компонентом, образуя металлическую смесь, которую подвергают очистке от примесей с получением стали. Шлаковый компонент измельчают и обогащают с получением титанового продукта. Техническим результатом является снижение затрат электроэнергии на операции электроплавки до 1020-1080 кВтч/т шлака при обеспечении степени извлечения железа 91-92% и получении титанового продукта с содержанием диоксида титана 96-98%. 2 з.п. ф-лы.

 

Настоящее изобретение относится к способам переработки железо-титанового сырья, преимущественно титаномагнетита, и может быть использовано для вовлечения в рентабельное промышленное производство низкосортных железотитановых концентратов с получением товарных стали и титанового продукта.

Известен способ переработки титаномагнетита (см. Дмитровский Е.Б., Резниченко В.А. Бесфлюсовая электроплавка Пудожгорского титаномагнетитового концентрата. // Процессы производства титана и его двуокиси. - М., Наука, 1973. - С.25-30), согласно которому формируют однородную по составу шихту из титаномагнетита и углеродсодержащего восстановителя, загружают ее в электропечь и ведут термическое восстановление шихты в процессе ее плавки в течение около 3 часов с получением чугуна и титанового продукта, которые раздельно выгружают из печи. Извлечение железа в чугун составляет не более 88%, получаемые титановые шлаки содержат ≥60% TiO₂.

Основными недостатками этого одностадийного способа являются его периодичность, использование негранулированной шихты, в результате чего имеет место большой пылеунос, значительные потери тепла по причине медленного протекания процессов восстановления и, как следствие, низкая производительность печей и повышенные энергозатраты. Все это делает нерентабельной переработку титаномагнетита по данному способу.

Известен также способ переработки титаномагнетита (см. Манохин А.И., Резниченко В.А., Соловьев В.И. Электротермический способ переработки титаномагнетитовых руд Кольского полуострова. // Финско-Советская комиссия по экономическому сотрудничеству. Кольский проект: Симпозиум, 12-13 дек. 1985 г. - М., 1985. - докл.14), включающий формирование однородной по составу шихты, состоящей из титаномагнетита, углеродсодержащего восстановителя и связующего, брикетирование или окомкование шихты в виде углеродсодержащих окатышей и ее термическое восстановление во вращающей трубчатой печи или печи кипящего слоя при температуре 1100-1250°С. При этом оксиды железа восстанавливаются на 65-95%, а диоксид титана почти не восстанавливается. Затем осуществляют электроплавку частично восстановленного продукта с довосстановлением оксидов железа и разделением продукта по плотности на металлический и шлаковый компоненты, которые раздельно выпускают из печи. Полученный металлический компонент - чугун подвергают десульфурации, дефосфорации и деванадации, а полученный шлаковый компонент измельчают и обогащают с выделением тяжелой фракции - товарного титанового продукта. Удельный расход энергии в данном двухстадийном способе составляет 1860 кВтч/т шлака. Извлечение железа в чугун не превышает 92%. Получаемые титановые шлаки содержат 67,3% TiO₂.

Основным недостатком известного способа является то, что на электроплавку направляется весь объем частично восстановленного продукта как металлической, так и шлаковой фракций, что приводит к повышенному расходу электроэнергии. При этом отделение металлической фракции осуществляют энергетически невыгодным методом - путем ее расплавления и перегрева во время электроплавки. Это не позволяет снизить долю энергозатрат в структуре себестоимости продукции при переработке титаномагнетита.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи снижения энергоемкости способа переработки титаномагнетита за счет снижения объема частично восстановленного продукта, подвергаемого электроплавке, при обеспечении высокой степени извлечения железа и получении качественного титанового продукта.

Технический результат достигается тем, что в способе переработки титаномагнетитового концентрата, включающем формирование однородной по составу шихты, состоящей из титаномагнетита, углеродсодержащего восстановителя и связующего, гранулирование шихты, ее термическое восстановление с получением частично восстановленного продукта, состоящего из металлической 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, согласно изобретению, 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.

Технический результат достигается также тем, что термическое восстановление завершают при температуре 1330-1400°С.

Технический результат достигается также и тем, что 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.

Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют следующие функции и соотносятся с результатом таким образом.

Завершение термического восстановления шихты, состоящей из титаномагнетита, углеродсодержащего восстановителя и связующего, при температуре, обеспечивающей переход шлаковой фракции в вязкопластичное состояние, обусловлено необходимостью качественного разделения металлической и шлаковой фракций. Вязкопластичное состояние шлаковой системы имеет место в температурном интервале между температурой плавления эвтектического состава и температурой ликвидуса. Частично восстановленный продукт, полученный в процессе термического восстановления шихты, при температуре ниже минимальной температуры плавления сплава Fe-C (≤1147°С) представляет собой металлизованный спек и состоит из двух взаимопроникающих друг в друга металлического и шлакового каркасов с очень развитой поверхностью контакта. Основу металлического каркаса составляет сплав Fe - 3,5-4,5% С с температурой плавления в интервале 1147-1250°С. Основу шлакового каркаса представляет оксидная система FeO -TiO₂ с температурой плавления эвтектики, находящейся в интервале значений от 1330 до 1390°С в зависимости от содержания примесей в титаномагнетите. При температуре, превышающей температуру плавления чугуна, элементы металлического каркаса под действием силы поверхностного натяжения начинают коагулировать с образованием частиц сферической или близкой к ней формы. Для того чтобы элементы шлакового каркаса не оказались внутри металлических частиц, что приведет к снижению качества разделения металлической и шлаковой фракций, последнюю необходимо перевести в вязкопластичное состояние. Это позволяет обеспечить высокую степень извлечения железа и получение качественного титанового продукта.

Измельчение частично восстановленного продукта с отделением металлической фракции от шлаковой позволяет выделить металлическую фракцию из состава восстановленного продукта и не направлять ее на электроплавку вместе со шлаковой фракцией. Это возможно в силу того, что качество металлической фракции по содержанию примесей отвечает требованиям, предъявляемым к качеству металлического компонента - продукта электроплавки. Поскольку масса металлической фракции составляет около половины массы частично восстановленного продукта, то затраты электроэнергии на операции электроплавки - основной энергоемкой операции способа - снижаются почти вдвое и составляют около 1000 кВтч/т шлака.

Направление на электроплавку только шлаковой фракции с получением металлического компонента, содержащего остаточную часть железа, и шлакового компонента позволяет, как сказано выше, снизить энергоемкость способа. Кроме того, возрастает примерно вдвое объем перерабатываемого в электропечи материала в пересчете на титан в течение межремонтного срока работы печи, что также улучшает экономические показатели процесса.

Объединение металлической фракции с полученным металлическим компонентом позволяет получить металлическую смесь, включающую практически все железо, содержащееся в титаномагнетите. Эту смесь и подвергают очистке от примесей, например в конвертерах, с получением товарной стали.

Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата изобретения, заключающегося в снижения энергоемкости способа переработки титаномагнетитового концентрата за счет снижения объема частично восстановленного продукта, подвергаемого электроплавке, при обеспечении высокой степени извлечения железа и получении качественного титанового продукта.

В частных случаях осуществления изобретения предпочтительны следующие конкретные операции и режимные параметры.

Завершение термического восстановления при температуре 1330-1400°С обусловлено кинетикой процесса карботермического восстановления оксидов железа и необходимостью реализации таких температурных условий формирования частиц металлической фракции в среде частично восстановленного продукта, которые, с одной стороны, обеспечивают качественное пространственное разделение металлической и шлаковой фракций, а с другой делают возможным выделение металлической фракции, относительно чистой по содержанию оксидов. Вязкопластичное состояние шлаковой системы имеет место в температурном интервале между температурой плавления эвтектического состава и температурой ликвидуса, т.е. от 1330-1390°С до примерно 1700°С. В качестве верхнего предела температуры, при которой завершают процесс термического восстановления титаномагнетита, выбрана температура 1400°С, поскольку она, с одной стороны, является достаточной для реализации условий формирования частиц металлической фазы без оксидных включений, а с другой не ведет к избыточным энергозатратам на осуществление этого процесса.

Измельчение восстановленного продукта до размера частиц шлаковой фракции менее 0,2-0,25 мм обусловлено структурой и морфологией частиц, составляющих частично восстановленный продукт, а также результатами химического и рентгенофазового анализов узких фракций этого продукта. В восстановленном продукте металлическая фракция представлена частицами преимущественно сфероидной формы с металлическим блеском и размером не менее 0,2-0,25 мм, а шлаковая фракция - частицами неправильной формы без металлического блеска. Шлаковая фракция, как более хрупкая, измельчается существенно легче металлической. Поэтому после измельчения шлаковой фракции до размера частиц менее 0,2-0,25 мм металлическая фракция с размером частиц соответственно ≥0,2-0,25 мм может быть отделена от шлаковой фракции. Отделение металлической фракции от шлаковой осуществляют преимущественно путем рассева на ситах. Возможно осуществление разделения этих фракций пневмо- или гидроклассификацией, разделение по плотности путем гравитационной классификации или в тяжелых жидкостях, а также на вибростолах с использованием различия в форме частиц.

Вышеуказанные частные признаки изобретения позволяют осуществить способ в оптимальном режиме с точки зрения энергоемкости переработки титаномагнетитового концентрата при обеспечении высокой степени извлечения железа и получении качественного титанового продукта.

Указанные выше особенности и преимущества предлагаемого способа могут быть проиллюстрированы нижеследующими Примерами 1-3.

Пример 1. Осуществляют переработку титаномагнетита, имеющего следующий состав, мас.%: 16,6 TiO₂, 58,5 Fe. Формируют путем перемешивания в смесителе в течение 15 мин шихту с размером частиц менее 0,2 мм, содержащую, в мас.%: 85,47 титаномагнетита, 13,68 углеродсодержащего восстановителя в виде графита и 0,85 органического связующего. Шихту гранулируют в тарельчатом грануляторе с получением гранул размером 1,0-2,5 мм. Навеску гранулированной шихты в количестве 5 кг помещают в графитовый тигель с крышкой и подвергают термическому восстановлению в печи при температуре печи 1200°С. Завершают термическое восстановление при температуре 1400°С. Шлаковая фракция при этой температуре находится в вязкопластичном состоянии. Полученный частично восстановленный продукт в количестве 3,6 кг после охлаждения до комнатной температуры измельчают до размера частиц шлаковой фракции <0,2 мм. Измельченный продукт помещают на сито с размером ячеи 0,2 мм, при этом шлаковая фракция в количестве 1,91 кг проходит через сито, а металлическая фракция в количестве 1,69 кг (67,6% от массы всего железа, содержащегося в титаномагнетите) с размером частиц ≥0,2 мм остается на сите. Выделенную шлаковую фракцию подвергают электроплавке в высокочастотной печи при температуре около 1700°С с довосстановлением фракции и разделением расплава по плотности на металлический и шлаковый компоненты, которые раздельно выпускают из печи. Получают металлический и шлаковый компоненты в количестве соответственно 0,81 кг и 1,05 кг. Полученную ранее металлическую фракцию объединяют с металлическим компонентом с образованием металлической смеси в количестве 2,5 кг. Извлечение железа в металлическую смесь составляет 91%. Металлическую смесь очищают от примесей путем расплавления при температуре 1500-1600°С и продувки кислородом с получением кондиционной стали в количестве 2,275 кг. Шлаковый компонент имеет химический состав, мас.%: 65,35 TiO₂, 5,1 Fe. Его измельчают и подвергают обогащению путем сернокислотной обработки с получением титанового продукта, содержащего 98% TiO₂. Затраты электроэнергии на операции электроплавки составляют 1020 кВтч/т шлака.

Пример 2. Осуществляют переработку титаномагнетита согласно условиям Примера 1. Отличие заключается в том, что термическое восстановление завершают при температуре 1380°С. Шлаковая фракция при этой температуре находится в вязкопластичном состоянии. Полученный частично восстановленный продукт в количестве 3,65 кг после охлаждения до комнатной температуры измельчают до размера частиц шлаковой фракции <0,25 мм. Измельченный продукт помещают на сито с размером ячеи 0,25 мм, при этом шлаковая фракция в количестве 2,084 кг проходит через сито, а металлическая фракция в количестве 1,566 кг (62,6% от массы всего железа, содержащегося в титаномагнетите) с размером частиц ≥0,25 мм остается на сите. Выделенную шлаковую фракцию подвергают электроплавке в высокочастотной печи при температуре до 1700°С с довосстановлением фракции и разделением расплава по плотности на металлический и шлаковый компоненты, которые затем раздельно выпускают из печи. Получают металлический и шлаковый компоненты в количестве соответственно 0,934 кг и 1,05 кг. Полученную ранее металлическую фракцию объединяют с металлическим компонентом с образованием металлической смеси в количестве 2,5 кг. Извлечение железа в металлическую смесь составляет 92%. Металлическую смесь очищают от примесей путем расплавления при температуре 1500-1600°С и продувки кислородом с получением кондиционной стали в количестве 2,275 кг. Шлаковый компонент имеет химический состав, мас.%: 65,0 TiO₂, 5,5 Fe. Его измельчают и подвергают обогащению путем сернокислотной переработки с получением титанового продукта с содержанием TiO₂ не менее 96%. Затраты электроэнергии на операции электроплавки составляют 1080 кВтч/т шлака.

Пример 3. Осуществляют переработку титаномагнетита согласно условиям Примера 1. Отличие заключается в том, что термическое восстановление завершают при температуре 1330°С. Шлаковая фракция при этой температуре находится в вязкопластичном состоянии. Полученный частично восстановленный продукт в количестве 3,7 кг после охлаждения до комнатной температуры измельчают до размера частиц шлаковой фракции <0,2 мм. Измельченный продукт помещают на сито с размером ячеи 0,2 мм, при этом шлаковая фракция в количестве 2,01 кг проходит через сито, а металлическая фракция в количестве 1,69 кг (67,6% от массы всего железа, содержащегося в титаномагнетите) с размером частиц ≥0,2 мм остается на сите. Выделенную шлаковую фракцию подвергают электроплавке в высокочастотной печи при температуре до 1700°С с довосстановлением фракции и разделением расплава по плотности на металлический и шлаковый компоненты, которые затем раздельно выпускают из печи. Получают металлический и шлаковый компоненты в количестве соответственно 0,81 кг и 1,05 кг. Полученную ранее металлическую фракцию объединяют с металлическим компонентом с образованием металлической смеси в количестве 2,5 кг. Извлечение железа в металлическую смесь составляет 92%. Металлическую смесь очищают от примесей путем расплавления при температуре 1500-1600°С и продувки кислородом с получением кондиционной стали в количестве 2,275 кг. Шлаковый компонент имеет химический состав, мас.%: 63,03 TiO₂, 6,2 Fe. Его измельчают и подвергают обогащению путем сернокислотной переработки с получением титанового продукта с содержанием TiO₂ 98%. Масса металлической фракции составляет 67,6% от массы всего железа, содержащегося в титаномагнетите. Затраты электроэнергии на операции электроплавки составляют 1020 кВтч/т шлака.

Как видно из приведенных Примеров, предлагаемый способ переработки титаномагнетита позволяет снизить затраты электроэнергии на операции электроплавки до 1020-1080 квтч/т шлака при обеспечении степени извлечения железа 91-92% и получении титанового продукта с содержанием диоксида титана 96-98%. Заявляемый способ относительно прост и может быть реализован с привлечением стандартного оборудования.

1. Способ переработки титаномагнетита, 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 металлической 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, отличающийся тем, что 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическое восстановление завершают при температуре 1330-1400°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.