Патент на изобретение №2311469

(54) СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТИТАНОСОДЕРЖАЩЕЙ ПРОДУКЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к переработке ильменитового концентрата на ферротитан, на высокотитанистый шлак, пригодный для производства или титановой губки, или пигмента, и на безуглеродистое железо, пригодное для сплавления с металлическим хромом в сплав, из которого может быть получена трубная или листовая нержавеющая металлопродукция. Технический результат заключается в сокращении расхода энергии, создании безотходной технологии. Способ включает образование в плавильном агрегате жидкой металлической подложки, приведение ее во вращение электромагнитным полем с образованием лунки параболической формы, подачу в лунку порции титаносодержащей шихты, плавку шихты на шлак энергией электромагнитного поля, восстановление металлов из оксидов шлака восстановителем, сплавление восстановленных металлов с подложкой и пополнение шлака оксидом восстановителя и сливы из плавильного агрегата металлической и шлаковой фаз. Подачу порции титаносодержащей шихты производят двумя частями, первую часть порции подают в лунку на металлическую подложку, образованную из ферроалюминия, причем при подаче этой части в лунке расплавляют порцию плавикового шпата для восстановления металлов из оксидов первой части порции шихты алюминием подложки и сплавляют их с металлической подложкой, которая обедняется по алюминию, а образующийся оксид алюминия растворяют в плавиковом шпате до возможного предела растворения при температуре расплава плавикового шпата 1600-1700°С. Плавиковый шпат с растворенным оксидом алюминия из плавильного агрегата сливают в ковш, охлаждают до 1450°С с переводом оксида алюминия в твердую фазу, которую отделяют от жидкого плавикового шпата с оставшейся в нем той части оксида алюминия, которая соответствует пределу растворимости для этой температуры. После слива плавикового шпата с растворенным оксидом алюминия на измененную по химическому составу металлическую подложку подают вторую часть порции шихты и ее расплавляют, титаном подложки восстанавливают оксиды металлов во второй части порции шихты, у которых свободная энергия образования оксидов меньше, чем у оксида титана, с образованием высокотитанистого шлака, 70-80% обедненной по титану металлической фазы из плавильного агрегата сливают. В оставшемся в плавильном агрегате шлаке алюминием восстанавливают титан из оксида, который сплавляют с оставшейся металлической фазой, а образующийся при восстановлении титана оксид алюминия сплавляют с плавиковым шпатом, который подают в плавильный агрегат вместе с восстановителем. Затем плавиковый шпат с растворенным оксидом алюминия сливают из плавильного агрегата полностью, после чего полностью сливают пополненную титаном металлическую фазу, сразу создают в плавильном агрегате подложку из ферроалюминия и повторяют операции способа. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.3,0 г/см³, то масса подложки из FeAl должна составить порядка 1805 кг. На указанную приведенную во вращение жидкую подложку из FeAl и следует постепенно подавать 4 т концентрата ильменита.

Температура подложки должна быть не менее температуры плавления ильменита. Начальную температуру рекомендуется иметь порядка 1250-1300°С.

Регламент подачи ильменита на плавку должен быть таким, чтобы при подаче шихты подложка всегда была расплавленной.

Сразу после расплавления ильменита алюминий начнет восстанавливать оксиды, в первую очередь оксид железа, а затем и оксид титана, причем реакции такого восстановления экзотермические, т.е. с выделением тепла. Тепло, следовательно, будет поступать как от тигельной части МПА, так и за счет экзотермических реакций. Восстановление оксидов будет сопровождаться вводом в шлаковую фазу оксида алюминия (Al₂О₃), что потребует за собой увеличение температуры шлаковой фазы. Как только температура шлаковой фазы будет повышена до 1450-1500°С, следует вместе с продолжением подачи концентрата ильменита начинать подачу на плавку плавикового шпата (CaF₂), температура плавления которого 1418°С.

К моменту переработки первой части порции шихты в шлаковый расплав необходимо ввести столько CaF₂, сколько в нем будет Al₂О₃, а температура расплава должна быть порядка 1650°С. Фактически расплав будет содержать 2556 кг CaF₂ и 2556 кг Al₂О₃, в сумме 5112 кг.

Указанный расплав из плавильного агрегата должен полностью сливаться, и если на объекте нет второго аналогичного МПА, то слив надо осуществлять в ковш, футерованный углеродистым огнеупором, иначе (если будут обычная футеровка из огнеупорного материала) плавиковый шпат быстро разъест эту футеровку. После охлаждения расплава в ковше до температуры порядка 1450°С порядка 2430 кг Al₂О₃ из жидкой фазы выделится в твердую, поскольку растворимость Al₂О₃ в плавиковом шпате при температуре 1450°С составляет всего 5%, и эту твердую фазу (глинозем) из ковша следует удалить. Оставшийся в ковше плавиковый шпат, массой 2556 кг, с растворенным в нем 126-тью кг глинозема, становится пригодным как оборотный материал для использования при переработке следующей части порции шихты из ильменитового концентрата.

Лучше иметь на объекте дополнительный аналогичный МПА и в этот агрегат, на заранее подготовленную вращающуюся подложку, например, из ферроалюминия, через специальный шлакопровод перелить плавиковый шпат с растворенным в нем оксидом алюминия. Вращение подложки позволит иметь в агрегате лунку параболической формы, за счет которой будут предохраняться стенки футеровки МПА от разъедающего действия плавикового шпата. Далее оксид алюминия следует восстановить углеродом так, как это рекомендуется в книге Дигонсского В.В. и др. [7]. Углерод в составе СО уйдет через специальный газопровод на полезное сжигание, а алюминий сплавится с подложкой. Освободившийся от оксида алюминия плавиковый шпат снова может быть готов к употреблению, причем его и образующийся в МПА ферроалюминий можно будет по тому же специальному шлакопроводу, по которому был подан плавиковый шпат с оксидом алюминия, перелить в основной МПА. Переливы из основного МПА в дополнительный и обратно через специальный шлакопровод возможны, поскольку крышки на МПА устанавливаются с возможностью их герметизации, что позволяет в камерах МПА создавать или повышенное давление инертного газа, или необходимое разряжение, или вакуум.

Использование дополнительного МПА, в котором можно будет восстанавливать алюминий из оксида, делает алюминий оборотным, и его не надо будут закупать, причем, оборачиваясь, он может подаваться в основной МПА в виде ферроалюминия, который также может быть получен в дополнительном МПА, если в освободившийся от оксида алюминия плавиковый шпат подать FeO, например, в виде сухой окалины. Плавиковый шпат быстро растворит FeO, углерод заберет кислород, а железо сплавится с алюминием до заданного содержания – 25%.

Конечно, ввод дополнительного МПА повлечет за собой дополнительные затраты на изготовление дополнительного технологического оборудования, но выгода экономического и технологического характера становится настолько существенной, что эти затраты окупятся.

После удаления из МПА жидкой фазы из CaF₂ и Al₂О₃ в МПА остается ферротитан, в котором титана порядка 40% (остальное железо), на подложку из ферротитана подается и расплавляется вторая часть порции шихты из ильменитового концентрата. Задача титана в подложке – полностью восстановить FeO из этой порции и самому уйти в шлаковую фазу, которая будет представлять собой высокотитанистый шлак. Чтобы температура указанного шлака была в пределах не больше 1700-1750°С, рекомендуется дополнительно ввести оксид железа, как это показано на фиг.1, но это надо делать, если весь оксид титана будет далее направлен на производство титановой губки или пигмента. Оксида титана в высокотитанистом шлаке будет порядка 5 т.

После полного слива высокотитанистого шлака в МПА останется около 4 т безуглеродистого железа, которое можно полностью слить и направить на передел в железную металлопродукцию, которая будет иметь высокие антикоррозийные свойства, но прочность будет ниже, чем прочность, например, стали. Лучше это железо в МПА сплавить, например, с 15% металлического хрома, получить 4,7 т сплава и этот сплав направить на производство листовой или трубной нержавеющей продукции.

В случае необходимости иметь ферротитан с высоким содержанием титана высокотитанистый шлак из МПА не сливается, а сливается из него все безуглеродистое железо, и вместо него водится ферроалюминий порядка 3000 кг, в котором будет порядка 2250 кг алюминия, которого хватит на восстановление всего оксида титана из порции шихты. Если весь оксид титана восстановится до металла, то в ферротитане будет порядка 3000 кг титана и порядка 750 кг железа, всего 3650 кг. В этом ферротитане будут 80% титана и 20% железа.

Однако полный слив железа влечет за собой исчезновение в МПА вращающейся металлической подложки, которая предохраняет футеровку от разъедающего действия шлака. Чтобы этого не допустить, из МПА надо слить не все полученное железо, а порцию FeAl, которая сплавится с остатком железа, и Al начнет восстанавливать титан из шлака. Металлическая фаза начнет пополняться титаном в ходе экзотермической реакции, т.е. с выделением тепла.

Чтобы не было перегрева шлаковой фазы, FeAl в МПА надо подавать регламентированно. Когда в шлаке образуется определенное количество оксида алюминия, например порядка 20-30%, также регламентированно следует подавать в МПА CaF₂ для растворения в нем оксида алюминия.

Следует сказать, что операции по регламентированной подаче в МПА FeAl и CaF₂ в твердом виде трудностей представлять не будут, но при подаче в жидком виде могут возникнуть трудности. Если при реализации предлагаемого способа будет применяться предлагаемое устройство, то, во-первых, проведение указанных операций значительно упрощается, и, во-вторых, появляется возможность иметь оборотным не только плавиковый шпат, но и алюминий. Затраты, связанные с воспроизводством алюминия, будут иметь место, но они будут значительно меньше, чем при покупке алюминия.

В случае оставления полученного железа в МПА в пределах 20-30%, как это показано на фиг.1, содержание титана в ферротитане может быть до 70%, и он может предлагаться потребителям по ГОСТу 4761-91.

Известны многие варианты технологического оборудования по переработке ильменитового концентрата. Чаще всего эти варианты включают широко распространенное и освоенное в черной и цветной металлургии оборудование, такое, например, как вращающиеся трубчатые печи и колосниковые конвейеры для ожелезнения в окатышах концентрата ильменита. Для раздельной плавки ожелезненных окатышей на железо или чугун и на титанистый шлак, пригодный для производства из него титановой губки или пигментного диоксида титана, применяют широко известные дуговые электропечи или рудотермические печи и т.д. В публикациях [2, 4] это оборудование представлено достаточно широко. Окатыши из концентрата ильменита производят в специальном цехе, где применяется соответствующее известное оборудование. Переработка ильменитового концентрата на титаносодержащую продукцию задалживает, следовательно, значительное количество технологического оборудования, причем не дешевого.

Известно принятое за ближайший аналог осуществления способа устройство, представляющее собой плавильный агрегат, описание конструкции которого представлено в патенте РФ №2207476 [9]. В известном устройстве имеется устройство для производства продукции цветной металлургии, содержащее многофункциональный плавильный агрегат, состоящий из корпуса, выполненного из охлаждаемых труб с закрепленной на них футеровкой, крышкой с рядом отверстий для подачи через них в плавильную камеру необходимых материалов и отвода газовой фазы, в том числе с центральным отверстием, футерованного огнеупором днища с центральной сливной шлаковой леткой, размещенного на днище МГД-устройства для создания вращения жидкой металлической фазы в плавильной камере и тигельной части для индукционного нагрева жидкой металлической фазы, размещенной вокруг корпуса, и футерованную емкость, сообщающуюся через металлопровод с плавильной камерой и снабженную донной и боковой летками для слива из плавильной камеры металлической фазы и крышкой.

Примеры работы агрегата даны в патентах РФ №№2228967 и 2250271 [5, 12], в которых плавильный агрегат назван многофункциональным плавильным агрегатом (МПА).

Принятый за ближайший аналог, в составе устройства для осуществления способа, МПА 1 (см. Фиг.2) содержит следующие основные узлы: корпус 1, выполненный из охлаждаемых труб с закрепленной на них футеровкой; крышку 2 с рядом отверстий для подачи через них в плавильную камеру необходимых материалов и отвода газовой фазы, в том числе с центральный отверстием 3; футерованное огнеупором днище 4 с центральной сливной шлаковой леткой 5; размещенное на днище МГД-устройство 6 для создания вращения жидкой металлической фазы в плавильной камере 7; размещенную вокруг корпуса 1 тигельную часть 8 для индукционного нагрева жидкой металлической фазы; а также дополнительный узел – футерованную емкость 9, сообщающуюся через металлопровод 10 с плавильной камерой 7 и снабженную донной 11 и боковой 12 летками для слива из плавильной камеры 7 металлической фазы, и крышкой 13.

Предлагаемый способ может быть реализован с применением МПА 1 в соответствии с технологической схемой, которая представлена на Фиг.1.

Согласно способу слив плавикового шпата с растворенным в нем оксидом алюминия осуществляется в ковш, футерованный дорогим углеродистым материалом. После охлаждения слива до температуры 1450°С из него выделится глинозем, который необходимо будет удалить из ковша и отправить, как товарный продукт 1, на переработку в электролизный цех лучше того алюминиевого завода, который поставляет алюминий. Плавиковый шпат, освободившийся от оксида алюминия на 95%, становится оборотным, чего нельзя сказать об алюминии.

МПА 1 хотя и пригоден для реализации способа, но в этом МПА переработка ильменитового концентрата не может быть достаточно эффективной, в частности из-за того, что отдельные операции способа выполняются продолжительное время и при этом задалживается вспомогательное оборудование, например, специальные ковши с дорогостоящей углеродистой футеровкой.

Новизна предлагаемого устройства заключается в том, что рядом с главным плавильным агрегатом (МПА 1, Фиг.2) размещен дополнительный плавильный агрегат (ПА 2), который содержит аналогичные узлы и не содержит дополнительного узла, но имеет один общий для двух плавильных агрегатов узел 14, размещенный при соблюдении герметичности относительно центральных отверстий в крышках, причем общий узел внутри содержит выполненный из графитовых труб металлошлакопровод с одним горизонтальным участком 15 и двумя вертикальными участками 16, оси которых совпадают с осями центральных отверстий в крышках; металлошлакопровод снабжен управляемым гидроприводом 17 вертикального возвратно-поступательного перемещения на шаг, равный высоте плавильной камеры агрегата; к крышкам подключены системы, позволяющие в камерах плавильных агрегатов создавать повышенное давление инертного газа или разрежение.

Вертикальные участки металлошлакопроводов соединены с горизонтальным участком через угловые графитовые блоки 18, закрепленные в общем кожухе 19, который соединен с приводом 17 вертикального возвратно-поступательного перемещения, причем гидроцилиндр привода размещен между главным плавильным агрегатом и дополнительным плавильным агрегатом.

Наличие в устройстве для реализации способа ПА2 позволяет:

– создавая в МПА1 давление газа или в ПА2 разрежение и через металлошлакопровод, размещенный в общем узле, сливать из МПА1 плавиковой шпат с растворенным в нем оксидом алюминия не в ковш с графитовой футеровкой, а в ПА2 на вращающуюся металлическую подложку из FeAl, которая предохраняет обычную футеровку в ПА2 от разъедающего действия CaF₂;

– за счет ввода в ПА2 углеродистого восстановителя восстанавливать оксид алюминия, а также оксид железа, из подаваемой в ПА, например, прокатной окалины, и полученные Al и Fe сплавлять с металлической подложкой в необходимый для процесса FeAl, при этом алюминий, так же как и плавиковый шпат, становится оборотным;

– создавая давление в ПА2 или разрежение в МПА1 и устанавливая в определенной позиции вертикальные участки металлошлакопровода, переливать из ПА2 в МПА1 в заданных количествах подготовленные в ПА2 CaF₂ и FeAl.

В предлагаемом способе по переработке ильменитового концентрата вращающаяся подложка рекомендуется из ферроалюминия. В способах по патентам РФ [5] и [12] рекомендуется вести переработку ильменитового концентрата на иных металлических вращающихся подложках. Просчитаны эффективности способов, реализуемых по указанным патентам.

Эффективность предлагаемой переработки ильменитового концентрата с применением подложки из ферроалюминия и с применением аналогичного МПА, который позволяет вести плавку в несколько измененных условиях, позволяет утверждать о не меньшей эффективности предлагаемого нового технического решения. Если в: способах по патентам [5] и [12] прибыль от реализации способов определяется суммой до 400 долл. на 1 тонну концентрата ильменита, то по предлагаемому способу, как показывают проверочные расчеты, эта прибыль может быть удвоена и даже утроена (если использовать при реализации способа дополнительный ПА2).

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в следующем:

не менее чем в два раза сокращается расход энергии на переработку ильменитового концентрата, поскольку в процессе при восстановлении металлов из оксидов идут не эндотермические реакции (с поглощением тепла), а экзотермические (с выделением тепла);

используется факт большого содержания оксида титана в ильменитовых концентратах (до 45%), позволяющий вследствие большой ценовой разницы в стоимости титана, с одной стороны, и стоимости Al, с другой стороны, с положительным эффектом использовать сильный металлический восстановитель, каковым является Al, в результате чего в несколько раз сокращается срок окупаемости технологического оборудования, задалживаемого для реализации предлагаемого способа;

реализуется практически безотходная технология, а удаляемая из ПА2 газовая фаза представляет удобное для потребителя газовое топливо.

Реализуется прогрессивная технология жидкофазного восстановления металлов из оксидов в условиях вращения расплава электромагнитным полем, позволяющая при плавке, например: полезно использовать центробежный эффект; ускоренно расплавлять подаваемый на плавку концентрат ильменита и плавиковый шпат, при этом защищать футеровку от агрессивного действия плавикового шпата; ускоренно осуществлять после расплавления массообмен между шлаковой и металлической фазами; упрощать операции по периодическому удалению металлической и шлаковой фаз из плавильной печи агрегата.

В случае производства только ферротитана и безуглеродистого железа проводить плавки только со сливом металлической фазы в товарную продукцию, слива шлаковой фазы не потребуется.

Источники информации

1. Покалов В.Т. Проблемы сырьевой базы легирующих металлов. Журнал Минеральные ресурсы России, №5-6, 2003.

2. Дерябин Ю.А., Смирнов Л.А., Дерябин А.А. Перспективы переработки Чинейских титаномагнетитов. – Екатеринбург: Сред.-Урал. кн. изд-во, 1999, – 368 с.

3. Еднерал Ф.П. Электрометаллургия стали и ферросплавов. М.: Металлургиздат, 1963, с.640.

4. Леонтьев Л.И., Ватолин Н.А., Шаврин С.В., Шумаков Н.С. Пирометаллургическая переработка комплексных руд. М.: Металлургия, 1997, с.432.

5. Патент РФ №2228967.

6. Патент РФ №2228967.

7. Дигонский В.В., Дигонский С.В. Дубинин Н.А. Металлургия будущего. Новосибирск: ВО “НАУКА”, 1993.

8. Трахимович В.И., Шалимов А.Г. Использование железа прямого восстановления при выплавке стали. М.: Металлургия, 1982, 248 с.

9. Патент РФ №2207476.

10. Патент РФ №2250151.

11. Патент РФ №2184327.

12. Патент РФ №2250271.

Формула изобретения

1. Способ производства титаносодержащей продукции, включающий образование в плавильном агрегате жидкой металлической подложки, приведение подложки во вращение электромагнитным полем с образованием лунки параболической формы, подачу в лунку порции титаносодержащей шихты, плавку шихты на шлак энергией электромагнитного поля, восстановление металлов из оксидов шлака восстановителем, сплавление восстановленных металлов с подложкой и пополнение шлака оксидом восстановителя, сливы из плавильного агрегата металлической и шлаковой фаз, отличающийся тем, что подачу порции титаносодержащей шихты производят двумя частями, первую часть порции подают в лунку на металлическую подложку, образованную из ферроалюминия, причем при подаче этой части в лунке расплавляют порцию плавикового шпата для восстановления металлов из оксидов первой части порции шихты алюминием подложки и сплавлении их с металлической подложкой, которая обедняется по алюминию, а образующийся оксид алюминия растворяют в плавиковом шпате до возможного предела растворения при температуре расплава плавикового шпата 1600-1700°С, плавиковый шпат с растворенным оксидом алюминия из плавильного агрегата сливают в ковш, охлаждают до 1450°С с переводом оксида алюминия в твердую фазу, которую отделяют от жидкого плавикового шпата с оставшимся в нем той части оксида алюминия, которая соответствует пределу растворимости для этой температуры, после слива плавикового шпата с растворенным оксидом алюминия на измененную по химическому составу металлическую подложку подают вторую часть порции шихты и ее расплавляют, титаном подложки восстанавливают оксиды металлов во второй части порции шихты, у которых свободная энергия образования оксидов меньше, чем у оксида титана, с образованием высокотитанистого шлака, 70-80% обедненной по титану металлической фазы из плавильного агрегата сливают, в оставшемся в плавильном агрегате шлаке алюминием восстанавливают титан из оксида, который сплавляют с оставшейся металлической фазой, а образующийся при восстановлении титана оксид алюминия сплавляют с плавиковым шпатом, который подают в плавильный агрегат вместе с восстановителем, плавиковый шпат с растворенным оксидом алюминия сливают из плавильного агрегата полностью, после чего полностью сливают пополненную титаном металлическую фазу, сразу создают в плавильном агрегате подложку из ферроалюминия и повторяют операции способа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что образованный высокотитанистый шлак сливают из плавильного агрегата и направляют на производство титановой губки или пигмента, при этом при направлении на производство титановой губки в шлаке обеспечивают содержание 5% оксида железа, а при направлении на производство пигмента в шлаке обеспечивают содержание 10% оксида железа.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что титаносодержащая шихта содержит ильменит.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в лунке расплавляют порцию плавикового шпата соответственно количеству алюминия в подложке из ферроалюминия.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после слива из плавильного агрегата обедненной по титану металлической фазы, представляющей собой безуглеродистое железо, его сплавляют с металлическим хромом до содержания 12-20% и из сплава получают трубную или листовую нержавеющую металлопродукцию.

6. Устройство для производства титановой продукции, содержащее многофункциональный плавильный агрегат, состоящий из корпуса, выполненного из охлаждаемых труб с закрепленной на них футеровкой, крышкой с рядом отверстий для подачи через них в плавильную камеру необходимых материалов и отвода газовой фазы, в том числе с центральным отверстием, футерованного огнеупором днища с центральной сливной шлаковой леткой, размещенного на днище МГД-устройства для создания вращения жидкой металлической фазы в плавильной камере и тигельной части для индукционного нагрева жидкой металлической фазы, размещенной вокруг корпуса, и футерованную емкость, сообщающуюся через металлопровод с плавильной камерой и снабженную донной и боковой летками для слива из плавильной камеры металлической фазы и крышкой, отличающееся тем, что рядом с плавильным агрегатом размещен дополнительный плавильный агрегат, содержащий аналогичные узлы и имеющий один общий для двух плавильных агрегатов узел, герметично размещенный относительно центральных отверстий в крышках и содержащий внутри выполненный из графитовых труб металлошлакопровод с одним горизонтальным участком и двумя вертикальными участками, оси которых совпадают с осями центральных отверстий в крышках, металлошлакопровод снабжен управляемым гидроприводом вертикального возвратно-поступательного перемещения на шаг, равный высоте плавильной камеры агрегата, а к крышкам подключены системы, позволяющие в камерах плавильных агрегатов создавать повышенное давление инертного газа или разрежение.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что вертикальные участки металлошлакопроводов соединены с горизонтальными участками через угловые графитовые блоки, закрепленные в общем кожухе, который соединен с приводом вертикального возвратно-поступательного перемещения, причем гидроцилиндр привода размещен между многофункциональным и дополнительным плавильными агрегатами.

РИСУНКИ