Разработка технологии комплексной переработки ванадийсодержащих титаномагнетитов

Одними из широко используемых в промышленности химических элементов являются ванадий и титан. Существенное количество их потребления около 90% приходится на черную и цветную металлургию. Основными производителями ванадия являются (2011 г.): Китай – 52%, ЮАР – 16%, Россия – 15%, европейские страны – 8%, США – 6%, остальные страны – 3%. Россия обладает огромными титаномагнетитовых ванадийсодержащих руд – около 50% мировых запасов железных руд этого типа. В структуре общих запасов железа, титана и ванадия они имеют значительную долю: 18% Fe, 59% TiO2 и 92% V2O5.

Наибольшее распространение получила пирометаллургическая переработка ванадийсодержащего титаномагнетитового сырья по коксодоменной или бескоксовой технологических схемам. При этом процессы восстановительной плавки титаномагнетитов с получением чугуна осуществляется соответственно в доменных печах или в рудотермических электропечах.

Существующая схема переработки титаномагнетитов включает получение железорудного титан ванадийсодержащего концентрата; получение из него агломерата и окатышей; проплавка окускованного сырья в доменной печи; переработка чугуна на стальной полупродукт и товарный ванадиевый шлак. Товарный ванадиевый шлак используется для получения пятиокиси ванадия и феррованадия, а стальной полупродукт после дальнейшей обработки идет на получение стального проката. Недостатком существующей схемы является то, что титан, содержащийся в исходном сырье не извлекается и теряется с отходами на различных этапах передела (хвосты, шлаки и др.) Более того, повышенное содержание титана в доменной шихте затрудняет ведение процесса в связи с тугоплавкостью соединений титана.

Все титаномагнетитовые руды России для пирометаллургической переработки требуют обогащения, при этом выделяются магнетитовый (железованадиевый) и ильменитовый концентраты. Существующая переработка руды на ОАО «ЕВРАЗ КГОК» предусматривает получение в результате обогащения концентрата мокрой магнитной сепарации с содержанием железа 61-62%. Минеральный состав данного материала примерно на 90% представлен магнетитом (Fe3O4) и ильменитом (FeTiO3) в виде продуктов распада их твердого раствора. При различных условиях кристаллизации руды могут получать крупнозернистое строение, позволяющее производить разделение титана от железа путем магнитной сепарации, но иногда прорастание бывает настолько тонким, что процесс этот становится трудновыполнимым.

Тем не менее, как ранее известные комбинированные способы обогащения, так и недавно разработанный метод электросепарации позволяют все же разделять магнетит и ильменит при более тонком измельчении концентрата. Метод обогащения подразделяется на две стадии: первая стадия заключается в гравитационном обогащении с получением общего концентрата, а вторая заключается в собственно в селекции общего концентрата методами мокрой магнитной сепарации с получением индивидуальных магнетитового и ильменитового концентратов. Селекция общих концентратов основана на использовании в различном сочетании электромагнитной и электростатической сепарации. Наибольшей магнитной восприимчивостью среди входящих в состав общих концентратов минералов обладает ильменит. Это существенно повышает содержание железа в окускованных продуктах, но увеличивает их себестоимость, а также потери железа. Получаемый же в качестве побочного продукта ильменитовый концентрат не удовлетворяет требования тради- ционных потребителей по содержанию TiO2 и SiO2.

Планируемая разработка Собственно Качканарского месторождения приведет к увеличению содержания в окатышах TiO2 с 2.5 до 4% и в еще большей степени (примерно в 1.8 раза) содержание оксида титана в шлаке (табл. 1). Это значительно снизит металлургическую ценность железорудного сырья для доменного передела.

Таблица 1.

Химический состав общего концентрата из руды, %

Место-рождение	Концентрат
	Feобщ	TiO 2	V2O5	V2O5/ Feобщ	TiO2/(100- Feобщ)
Гусево-горское	60	2.5	0.56	9.06∙10-3	6.54∙10-2
Собственно Качканарское	62.8	4.04	0.58	9.23∙10-3	10.86∙10-2

С другой стороны появляются предпосылки для более рентабельного извлечения титана, что является актуальным в масштабе страны. В России ограниченна собственная сырьевая база – основные поставки титаносодержащего сырья осуществляются из Украины. Объем титансодержащего сырья в России почти в 3 раза меньше, чем в Украине. Внедрение данной разработки позволит снизить импортозависимость от производителей титаносодержащего сырья. В связи отсутствием запасов богатых ванадиевых руд обеспечение ванадием в России достигается только за счет комплексной переработки ванадийсодержащих титаномагнетитовых руд.

Поэтому необходимо вновь рассмотреть целесообразность селективного разделения титаномагнетитового концентрата на магнетитовый и ильменитовый. Такого рода анализ должен осветить два основных аспекта: во-первых, оценка допустимых затрат на дополнительное обогащение, во-вторых, рациональное использование ильменитового концентрата.

Целью данного исследования является совершенствование обогащения руды, т.е. разделение материала на магнетит и ильменит, получение сплава ферротитана и доменная выплавка ванадиевого чугуна.

На основании результатов исследовательских работ по дополнительному обогащению концентрата из руды Собственно Качканарского месторождения, рассчитаны ожидаемые химические составы получаемых магнетитового и ильменитового концентратов, а также их выходы. Выход магнетитового концентрата составил 81.3%, выход ильменитового – 18.7% (табл. 2). Стоит отметить, что расчетные результаты химического состава магнетитового и ильменитового концентратов подтвердились проведенным лабораторным опытом на магнитном анализаторе.

Таблица 2.

Химический состав концентратов после селективного обогащения, %

Компоненты	Магнетитовый	Ильменитовый
Fe общ	67.81	40.61
FeO	30.3	23.93
Fe2O3	63.2	31.43

V2O5	0.64	0.32
TiO 2	1.24	16.59
CaO	0.5	2.71
MgO	1.01	8.43
SiO 2	0.88	9.2
Al2O3	2.08	6.2
Cr2O3	0.03	0.02
MnO	0.11	1.15
S общ	0.005	0.022
P2O5	0.003	0.015

Поскольку тонина помола при селективном разделении исходного концентрата существенно изменяется, принято, что полученный магнетитовый концентрат будет использоваться только для производства окатышей (табл. 3).

Таблица 3.

Химический состав окатышей, %

Feобщ	FeO	V2O5	TiO 2	CaO	MgO	SiO 2	Al2O3	MnO	S общ	P2O5
65.49	2.0	0.62	1.19	0.49	0.99	1.13	2.08	0.11	0.001	0.003

В результате внедрения в доменное производство данных окатышей, получаем ванадиевый чугун (табл. 4). Также в сопоставлении с существующим процессом, ожидается повышение технико-экономических показателей доменной плавки. Содержание общего железа в шихте увеличится на 6%, снизится эквивалентный расход кокса на 27.2 кг на тонну чугуна, сократится выход шлака на 100 кг на тонну чугуна, увеличится среднесуточная производительность доменного цеха на 7.4%.

Таблица 4.

Химический состав ванадиевого чугуна, %

С	Si	Mn	S	V	Ti	P
4.76	0.09	0.25	0.018	0.5	0.9	0.024

В результате доменного передела получаем также товарный ванадиевый шлак пригодный для получения пятиокиси ванадия и феррованадия (табл. 5). Шлак уходит на дробление, измельчение и отчистку от корольков железа, затем на окислительно-натрирующий обжиг и в конце на водное или кислотное выщелачивание с получением готовой пятиокиси ванадия.

Таблица 5.

Химический состав шлака, %

SiO 2	CaO	MnO	MgO	TiO 2	V2O5	Al2O3	S общ	FeO	Основность
26.34	31.35	0.48	11.18	9.8	0.33	19.02	0.89	0.94	1.19

Полученный ильменитовый концентрат после селективного разделения пригоден для производства ферротитана или титановой губки, например, с добавкой твердого углеродистого восстановителя (антрацита) производится плавка в электропечи с получением титанового шлака и предельного чугуна, затем титановый шлак подвергается хлорированию. Продукт, получаемый после передела, соответствует по химическому составу ГОСТ 4761-91 на ферротитан марки ФТи25 (табл. 6).

Таблица 6.

Химический состав полученного металла, %

Ti	Al	Si	Mn	C	P	S
50.5	22.24	20.45	0.28	0.93	0.004	0.05

Таким образом, Россия обладает огромными запасами титаномагнетитовых руд, в которых сосредоточены основные запасы ванадия и титана. В настоящее время перерабатываются малотитановые руды Гусевогорского и Качканарского месторождений с извлечением железа и ванадия. С будущей разработкой Собственно Качканарского месторождения содержание титана в руде повысится минимум в 2 раза, что позволит использовать селективное разделения и извлекать помимо железа и ванадия еще и титан.

Первоочередными задачами по развитию ванадиевого комплекса России для увеличения объемов производства и наиболее полного извлечения ванадия и титана, снижения себестоимости продукции и улучшение экологической обстановки является дальнейшая реконструкция и модернизация доменного и сталеплавильного производств, ввод новых современных мощностей по переработке ванадиевого шлака.

Наличие в России имеющейся и перспективной сырьевой базы для организации крупномасштабного производства ванадиевых и титановых продуктов, комплексный характер проблем ванадия и титана, высокая эффективность их при- менения вызывают необходимость создания с активным участием государства национальной программы по расширению применения ванадия и титана в различных отраслях промышленности.