CC BY
89
УДК 669.053.2+661.88
ЖИДКОФАЗНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ПРОДУКТОВ ТВЕРДОФАЗНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗО-ВАНАДИЕВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ
А.В. Асанов, А.В. Рощин, В.Е. Рощин
LIQUID-PHASE SEPARATION OF PRODUCTS OF SOLID-PHASE REDUCTION OF FERRO-VANADIUM CONCENTRATES
A.V. Asanov, A.V. Roschin, V.E. Roschin
Рассматривается возможность получения из южноуральских железо-ванадие-вых концентратов чугуна с низким содержанием титана и шлака с максимально высоким содержанием оксидов титана.
Ключевые слова: жидкофазное разделение, продукты твердофазного восстановления.
Possibility of producing pig-iron with low titanium content and slag with maximally high content of titanium oxides from South Ural ferro-vanadium concentrates is considered.
Keywords: liquid-phase separation, products of solid-phase reduction.
Титаномагнетиты Южного Урала являются перспективным источником железосодержащего сырья и могут быть сырьевой базой для металлургических предприятий Челябинской области. Перспективной является технология разделения руд на железо-ванадиевый и ильменитовый концентраты с последующим использованием двухстадийной технологии переработки концентратов, включающей восстановление железа в твёрдой фазе и плавление продуктов твердофазного восстановления в электропечи для разделения металла и титансодержащего шлака [1].
Обычно одной из задач такой переработки является получение шлаков с высоким содержанием диоксида титана, который можно использовать, например, для нужд лакокрасочного производства. Однако получение высокотитанистых шлаков можно ожидать в том случае, когда отношение ТЮ2 к сумме других оксидов будет выше 2. В же-лезо-ванадиевом концентрате, получаемом из ти-таномагнетитовых руд Южного Урала, отношение ТЮ2 к сумме других оксидов равно 1,3. Таким образом, химический состав железо-ванадиевого концентрата не позволяет рассчитывать на получение высокотитанистых шлаков [2].
Кроме того, отмечается [3], что совместное расплавление восстановленного железа и оксидов титана вызывает их активное взаимодействие, в результате которого железо очень быстро (в течение нескольких минут) оказывается вновь полностью химически связанным с оксидами титана. Поэтому жидкофазное разделение требует длительного времени и значительных затрат энергии.
Установлено [4], что в процессе восстановительного обжига и твердофазного восстановления железо-ванадиевого концентрата происходит вы-
деление частиц чугуна (более 96 % железа, 3...4 % углерода) с незначительной (<0,15 %) примесью титана. При этом остаточная оксидная фаза содержит оксиды титана (42...43 %), оксиды кремния (18...19 %), кальция (17...19 %), магния (7...9 %), алюминия (6...7 %), а также незначительное количество оксидов железа (менее 5 %), хрома (менее 1 %) и ванадия (менее 1 %).
Целью данной работы является оценка возможности разделения продуктов твёрдофазного восстановления с получением чугуна с малым содержанием титана и шлака с максимально высоким содержанием оксидов титана, который можно использовать, в частности, при производстве титансодержащих ферросплавов и лигатур.
Для исследования процессов жидкофазного разделения измельченный концентрат смешали с восстановителем - порошком от размола графи-тированных электродов. Полученную смесь на связке из нитроцеллюлозного лака спрессовали в виде таблеток диаметром 20 мм высотой 10 мм. Таблетки выдержали в течение 1 часа при температуре 1200 °С и засыпали в графитовый тигель. Тигель поместили в разогретую до температуры
1500...1550 °С печь Таммана. Смесь быстро (в течение 5...8 мин) расплавили, при этом в тигле образовался жидкоподвижный расплав. Расплав перемешали, выдержали 3 минуты и вылили на металлическую плиту. Затвердевший металл в виде лепешки и шлак легко отделились друг от друга.
Согласно материальному балансу плавки продуктов твердофазного восстановления железо-ванадиевого концентрата выход чугуна и шлака составил соответственно 46,87 и 12,81 % мае. от массы шихты (табл. 1).
Материальный баланс двухстадийной переработки концентрата
Поступило Получено
шихты г % продуктов г %
Концентрат 300 81,74 Чугун: слиток корольки Всего 160.5 11.5 172,0 46,87
Углерод графита 67 18,26 Шлак; слиток капли Всего 42 5 47 12,81
Газы 114 31,06
Невязка (потери) 34 9,26
Итого 367 100 Итого 367 100
Из металла и шлака изготовили шлифы. Химический состав продуктов разделения определяли микрорентгеноспектральным методом с помощью электронного растрового микроскопа 18М-
6460ЬУ. Кроме того, шлак подвергали рентгенофазовому анализу на дифрактометре ДРОН-4. Состав металла и шлака представлен на рис. 1 и в
табл. 2.
Fe
Сг
ге
UL
0 1 2 3 4 5 6 7
:u!l Scale 3097 cts Cursor: 0.000 keV
Spectrum 1
19 20
keV
V
Cr
Mn
Ті
Fe
Mg
A!
PI
Сє
К
Spectrum 1
0 1 2 3 4 5
Full Scale 1392 cts Cursor: 0.000 keV
rrrrp-*
10
n™
13
rmrpm
14
rmTn
18
Рис. 1. Энергетические спектры металла и шлака
Таблица 2
Состав металла и шлака
Состав металла, % мае. Состав шлака, % мае.
Ті Fe С V Сг ТЮ2 FeO А120з Si02 СаО MgO МпО Сг203 v2o5
<0,15 96,40 2,74 0,42 0,34 42,37 4,50 6,19 18,40 17,72 8,00 1,50 0,58 0,72
<0,15 96,70 2,60 0,45 0,24 42,00 4,20 6,50 19,00 17,00 8,30 1,70 0,50 0,80
<0,15 96,90 2,83 0,52 - 43,20 4,00 6,80 18,00 18,50 7,50 2,00 0,50 0,85
Асанов А.В., Рощин А.В., Рощин В.Е. _______
Жидкофазное разделение продуктов твердофазного восстановления шелезо-ванадиевых концентратов
Из приведенных данных следует, что в результате жидкофазного разделения продуктов твердофазного восстановления получили легированный ванадием чугун и титанистый шлак.
Особенность окислительно-восстановительных процессов в расплавах продуктов твердофазного восстановления состоит в том, что источником восстановления металлов становится не только свободный углерод, как при одностадийном процессе, но и углерод металлической фазы. Это следует из результатов термодинамического анализа [5], а также результатов анализа содержания углерода в металлической фазе после твердофазной металлизации концентрата (3,5...4 % С [4]) и в металлической фазе после разделения продуктов твердофазного восстановления (2,6...2,83 % С, см. табл. 2). Содержание оксидов железа в шлаке находится в пределах 4,0...4,5 %, а содержание железа в чугуне превышает 96 % (см. табл. 2). Содержание титана в чугуне не превышает 0,15 % мае. В чугун переходит не более 0,85 % титана, основное же его количество остаётся в шлаковой фазе.
Термодинамический анализ показывает [5], что в процессе жидкофазного разделения происходит дальнейшее восстановление титана с образованием его низших оксидов. По-видимому, на содержание титана в чугуне оказывает влияние время пребывания расплавленных шлака и чугуна в тигле. Содержание ТЮ2 в шлаках составляет
42,0...43,2 % мае. при относительно большом содержании оксидов кальция, кремния, алюминия и
магния, что затрудняет переработку такого материала с целью извлечения титана.
Особый интерес представляет поведение ванадия в процессе жидкофазного разделения, поскольку ванадий является ценным легирующим элементом.
В начале процесса жидкофазного разделения отношение концентрации ванадия в шлаке к концентрации его в чугуне характеризуется относительно большой величиной, то есть ванадий концентрируется в шлаке. По мере восстановления железа из шлаковой фазы начинает восстанавливаться и ванадий. При жидкофазном разделении ванадий, согласно результатам расчётов [4], восстанавливается из соединений с оксидами титана. Поскольку восстановление протекает из достаточно прочного соединения, то степень извлечения ванадия в металл составляет 65...70 %. Оставшийся в шлаке ванадий находится, в основном, в соединениях с оксидами титана и кальция (рис. 2).
Ванадий и хром, содержащиеся в чугуне, находятся не только в растворе, но обнаруживаются и в составе комплексных карбидо-сульфидных включений. Содержание ванадия и хрома в этих включениях достигает 18 и 6 % мае. соответственно (рис. 3, а; табл. 3). Степень извлечения хрома в металл составляет 60. ..70 %.
Марганец в условиях эксперимента не восстанавливается и практически полностью переходит в шлак, а его концентрация в нем составляет
1,5...2,5 % мае.
Рис. 2. Карта распределения элементов в шлаке
а) б)
Рис. 3. Неметаллические фазы в металле (а) и в шлаке (б)
Таблица 3
Состав неметаллических фаз чугуна и шлака
Точка анализа Содержание элементов, % мае.
О Mg А1 ві Са Ті V Сг Мп Бе С 8
В неметаллическом включении чугуна
1 18,41 6,00 1,70 32,03 6,68 35,17
2 0,31 10,10 4,48 3,21 43,56 3,23 35,12
В шлаке
1 32,43 0,34 28,19 35,60 0,8 0,42
2 39,86 6,81 6,72 19,93 12,92 4,94 2,39 3,05
Увеличение времени выдержки расплавов в печи не увеличило степень извлечения хрома, ванадия и марганца, но существенно усложнило проведение эксперимента. Шлак начинал «кипеть» и возникли затруднения с разделением металла и шлака, что, по-видимому, обусловлено восстановлением титана и выделением СО.
Рентгеноспектральный анализ фаз в шлаке (рис. 3, б) показал, что шлак состоит из оксидов невосстанавливаемых в условиях эксперимента металлов (магния, кремния, алюминия, кальция) и соединений оксидов титана с кальцием. Титан в небольшом количестве обнаруживается и в силикатной фазе. Данные спектрального анализа подтверждаются и результатами рентгеноспектрального анализа, который выявляет в шлаке присутствие СаТЮ3, СаА128і4012, Са8Ю3, Са(Ті,М§,А1)(8і,А1)206, М§2А148І5018.
Таким образом, в результате твердофазного восстановления и последующего быстрого плавления и жидкофазного разделения удалось практически полностью перевести железо в металлическую фазу и почти полностью сохранить титан в оксидной фазе. При этом ванадий и хром восстанавливаются на 60. ..70 % и переходят в металл, а марганец практически не восстанавливается и остаётся в шлаке.
Литература
1. Рощин, А. В. Оценка возможности пироме-таллургического разделения компонентов тита-номагнетитовых руд / А. В. Рощин, Н.В. Мальков,
B.Е. Рощин 7/ Электрометаллургия. — 2006. — № 8. —
C. 23-28.
2. Пир омет аллургическая переработка комплексных руд 7 Л.И. Леонтьев, Н.А. Ватолин, С.В. Шаврин, Н.С. Шумаков. — М.: Металлургия, 1997.- 431 с.
3. Васютинский Н.А. Титаномагнетитовые шлаки 7 Н.А. Васютинский. - М.: Металлургия, 1972. -208 с.
4. Асанов, А.В. Твердофазная металлизация железо-ванадиевых концентратов 7 А.В. Асанов, А.В. Рощин, В.Е Рощин 77 Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». — В настоящем номере.
5. Термодинамический анализ окислительно-восстановительных процессов в расплавах продуктов твердофазного восстановления Южно-Уральских титаномагнетитов / А.В. Асанов, В.Е. Бухарина, Н.В. Мальков и др. 77 Современные проблемы электрометаллургии стали: материалы меж-дунар. конф. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007-Ч. 1. - С. 138-141.
Поступила в редакцию 15 января 2010 г.
