Принцип выплавки титанового шлака

1. Принцип и технологическая схема выплавки титанового шлака

Основным в электропечной плавке титанового шлака является смешивание ильменита с твердым восстановителем, таким как антрацит (или нефтяной кокс, или кокс), и подача этой смеси в электропечь для восстановительной плавки. В процессе этого процесса оксиды железа в руде селективно восстанавливаются до металлического железа, в то время как оксиды титана обогащаются в шлаке. После разделения шлака и железа получают титановый шлак и побочный продукт - металлическое железо. Титановый концентрат в основном состоит из TiO₂ и FeO, с дополнительными компонентами, такими как SiO₂, CaO, MgO, Al₂O₃ и V₂O₅. Процесс плавки предполагает реакцию оксида железа с углеродом в условиях высокой температуры и сильного восстановления с образованием расплавленного титанового шлака и металлического железа, которые затем эффективно разделяются из-за различий в удельном весе и температуре плавления. Задействованные химические реакции включают:

1. Fe₂O₃ + C = 2FeO + CO

2. FeO + C = Fe + CO

2. Основные особенности электропечной плавки

Титановый шлак характеризуется высокой температурой плавления, сильной коррозионной активностью, высокой электропроводностью и резким увеличением вязкости вблизи температуры плавления. Эти свойства претерпевают значительные изменения в зависимости от изменений состава во время плавки.

2.1 Высокая электропроводность и характеристики плавки открытой дугой

2.1.1 Высокая электропроводность титанового шлака

Ильменит обладает значительной электропроводностью в расплавленном состоянии, в диапазоне от 2,0 до 2,5 кс/м при 1500°C и увеличиваясь до 5,5-6,0 кс/м при 1800°C. По мере продвижения восстановления и плавки состав расплава изменяется, что приводит к снижению содержания FeO и увеличению TiO₂ и низковалентных оксидов титана, что быстро повышает электропроводность. Например, канадский титановый шлак Sorel имеет электропроводность 15-20 кс/м при 1750°C, что значительно выше, чем у обычного шлака (100 с/м при той же температуре) и ионных электролитов, таких как жидкий NaCl (около 400 с/м при 900°C). Изменения температуры оказывают минимальное влияние на электропроводность титанового шлака, что указывает на его характеристики электронного проводника.

2.1.2 Характеристики плавки открытой дугой

Высокая электропроводность титанового шлака определяет его природу плавки открытой дугой в электропечах, где основным источником тепла является тепло дуги между концом электрода и поверхностью расплава, известное как «плавка открытой дугой». Напротив, шлак с высоким сопротивлением полагается на тепловое сопротивление шлака, называемое «плавкой погруженной дугой». Первоначально плавка титанового шлака может демонстрировать кратковременные характеристики погруженной дуги, но по мере продвижения процесса плавка открытой дугой становится доминирующей, при этом тепло дуги составляет до 97% на поздних стадиях.

2.2 Влияние температуры плавления и вязкости на процесс плавки

2.2.1 Температура плавления

Титановый шлак, в основном состоящий из оксида титана, имеет высокую температуру плавления в диапазоне от 1580 до 1700°C, увеличивающуюся с содержанием TiO₂. Высокотемпературная плавка требует концентрированного тепла в зоне восстановления.

2.2.2 Вязкость

Титановый шлак имеет короткую характеристику шлака, с низкой вязкостью при полном расплавлении выше температуры плавления. Однако вязкость резко увеличивается вблизи температуры плавления из-за узкого диапазона температур кристаллизации, что приводит к выпадению кристаллических твердых веществ, которые делают расплав вязким, ухудшая текучесть шлака и его выпуск.

2.3 Высокая химическая активность и воздействие на печь

Титановый шлак, в основном состоящий из TiO₂ со значительным количеством низковалентного оксида титана, обладает высокой химической активностью, вызывая коррозию большинства металлических и неметаллических материалов. Для защиты корпуса печи во время восстановительной плавки на футеровке печи подвешивается слой титанового шлака.

2.4 Кипение расплава титанового шлака

Реакция восстановления в основном происходит на поверхности расплава, но внезапное обрушение твердых зарядов или опускание высокоуглеродистого железа через расплав может вызвать бурные реакции на границе раздела металлическое железо-шлак, генерируя большое количество газа CO, который вызывает кипение и разбрызгивание шлака. Это может погружать электроды, увеличивать мгновенный ток, вызывать короткие замыкания и дестабилизировать плавку. Непрерывная подача и методы закрытой плавки могут смягчить кипение и стабилизировать условия в печи.

2.5 Влияние примесных элементов

Температура плавления титанового шлака увеличивается с содержанием TiO₂ и степенью восстановления (соотношение Ti₂O₃/TiO₂). Оптимальная конечная точка плавки составляет около O/Ti = 1,76, где система имеет самую низкую эвтектическую точку. Примесные элементы, такие как FeO, MgO, CaO, MnO и Al₂O₃, образуют бинарные соединения и эвтектические точки с TiO₂, снижая температуру плавления в определенных диапазонах содержания, действуя как хорошие шлакообразующие агенты. Однако избыточные примеси снижают сорт титанового шлака.

3. Основные технологические условия и операции

3.1 Содержание углерода

Теоретическое содержание углерода, рассчитанное на основе преобразования всего Fe₂O₃ в FeO, восстановления 96% FeO до металлического железа, восстановления 30% TiO₂ до Ti₃O₅ и учета 2% науглероживания железа в расплаве, составляет 7,98% от добавленной руды. Преобразованный порошок кокса составляет 9,85% от добавки руды, с фактическим содержанием углерода около 12%.

3.2 Электрические параметры

Из-за несоответствий между электропечью и трансформатором и ограниченным количеством испытательных печей, текущее рабочее вторичное напряжение для плавки установлено на уровне 100 В.

3.3 Операция плавки

Каждая печь загружается 1,49 тонны титанового концентрата, при этом 0,78 тонны добавляется за один раз в виде смеси с асфальтом и порошком кокса и уплотняется. Остальные 0,71 тонны добавляются периодически во время плавки через отверстие для электрода для регулировки сорта и предотвращения переворачивания шлака, образования корки и разбрызгивания. Каждая печь плавится в течение 180 минут, колеблясь от 150 до 240 минут. При выпуске электропитание отключается, и кислород используется для прожига через устье печи. Шлак и железо смешиваются и выпускаются в шлаковый лоток, который имеет отверстие φ100 мм в нижней части для удаления, занимая от 5 до 8 минут. После затвердевания расплавленное железо выливается в песчаный лоток для образования чушек железа весом от 80 до 90 кг. После выпуска выпускное отверстие печи закрывается, и около 60 кг руды и 7 кг порошка кокса добавляются вдоль трех отверстий для электродов, после чего следует трамбовка, добавление материалов, трамбовка молотком, выпуск электродов, закрытие выключателя и подача электроэнергии для плавки следующей печи. Время подачи электроэнергии для второй печи составляет от 10 до 20 минут.

4. Фазовая структура титанового шлака и титановой руды

4.1 Фазовая структура ильменита

Ильменит, с химической формулой FeTiO₃ и теоретическим содержанием TiO₂ 52,6%, обычно встречается в виде FeTiO₃ и выветренного ильменита в природе. Выветренный ильменит образует различные физические фазовые составы, такие как брукит, модифицированный брукит, белый титан и рутил, с увеличением глубины выветривания и содержанием TiO₂. Во время выветривания другие оксидные примеси образуют твердые растворы с FeTiO₃, выраженные общей формулой m((Fe,Mg,Mn).TiO₂).n((Fe,Cr,Al)₂O₃), где m + n = 1.

Титановая руда, имеющая горнодобывающее значение, делится на рудную руду и россыпную. Рудная руда, состоящая из ильменита (FeTiO₃), имеет содержание TiO₂ около 45-53%, с железом в форме FeO, высоким соотношением FeO/Fe₂O₃, высоким содержанием MgO и плотной минеральной структурой. Россыпь, образованная из выветренной рудной руды, имеет высокое содержание Fe₂O₃, низкое соотношение FeO/Fe₂O₃, низкое содержание примесей, рыхлую минеральную структуру и содержание TiO₂ до 95-100% в рутиловой руде.

4.2 Фазовый состав титанового шлака

Титановый шлак, образованный после плавки ильменита в электропечи, состоит из двух основных фаз:

· 

90-95% Псевдо-пластинчатая титановая фаза: Состоит из (FeTi₂O₅)a(MgTi₂O₅)b(Al₂TiO₅)c(MnTi₂O₅)d(V₂TiO₅)e(Ti₃O₅)f, также известная как фаза твердого раствора черного титанита, где a + b + c + d + e + f = 1. Например, типичный состав шлака Sorel: (FeTi₂O₅)0,31(MgTi₂O₅)0,30(Al₂TiO₅)0,06(MnTi₂O₅)0,008(V₂TiO₅)0,012(Ti₃O₅)0,31.

· 

· 

5-10% Силикатная стекловидная фаза: (Ca, Al, Mg, Fe, Ti)SiO₃, с типичным составом SiO₂ 60%, Al₂O₃ 18-20%, CaO 9-10%, MgO 1-4%, FeO 2-4% и TiO₂ 3-4%.

· 

Титановый шлак, выплавленный в электропечи, делится на кислоторастворимый титановый шлак и титановый хлоридный шлак. Кислоторастворимый титановый шлак, выплавленный из титанового концентрата Панчжихуа, используется для производства диоксида титана сернокислотным методом и имеет следующие характеристики:

1. Хорошая кислоторастворимость, со степенью кислотолиза ≥94%.

2. Соответствующее количество сорастворимых примесей FeO и MgO для хорошей реакции кислотолиза.

3. Контролируемое содержание низковалентного титана.

4. Примеси (сера, фосфор, хром, ванадий), вредные для производства диоксида титана, не должны превышать стандарты.

Титановый хлоридный шлак, используемый для производства диоксида титана хлоридным методом, имеет следующие характеристики:

1. Высокое содержание TiO₂, обычно ≥92%.

2. Содержание CaO + MgO, которое образует адгезию во время хлорирования, обычно ≤1%.

3. Распределение частиц по размерам, соответствующее требованиям к псевдоожижению.

Мы являемся профессиональным производителем электропечей. Для получения дополнительной информации или если вам требуются дуговые печи, электродуговые печи, ковшовые печи для рафинирования или другое плавильное оборудование, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам по адресу  susan@aeaxa.com