Термодинамическое моделирование процесса восстановления металлов из титаномагнетитовых концентратов Суроямского месторождения

Автор: Гамов Павел Александрович, Мальков Николай Васильевич, Рощин Василий Ефимович

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy

Рубрика: Металлургия чёрных, цветных и редких металлов

Статья в выпуске: 2 т.18, 2018 года.

Бесплатный доступ

Прогнозные ресурсы Суроямского месторождения по категории Р1 превышают 2,2 млрд т титаномагнетитовых руд. Это аналог Качканарского месторождения в Свердловской области. Основным элементом является железо, содержание которого составляет 16,5 %, попутно можно извлекать титан, ванадий и фосфор. Переработку концентратов планируется производить по технологии ITmk3. В данной работе с помощью программного комплекса Terra проведен термодинамический анализ, позволяющий оценить влияние температуры на параметры процессов, протекающих в системе «металл - шлак - газ». Проведена оценка влияния температуры на состав металла. Установлено, что при температуре 500…800 °С металлическая фаза состоит из железа, марганца, серы и углерода. При увеличении температуры (выше 800 °С) из шихты в металл восстанавливаются ванадий, фосфор, титан и кремний. Содержание ванадия достигает максимума при температуре 1100 °С, фосфора - 1250 °С, а содержание титана и кремния растет с повышением температуры. Показано влияние температуры на состав шлаковой фазы. Установлено, что в интервале температуры 500…1100 °С содержание FeO уменьшается с 65 до 0 %. Это приводит к увеличению относительной доли других оксидов (SiO2, Al2O3, CaO, MgO и др.). Доля P2O5 достигает максимума при температуре 1000 °С, TiO2 - 1250 °С, SiO2 - 1350 °С. Определены коэффициенты извлечения элементов из шихты в металл. Установлено, что с повышением температуры коэффициент извлечения железа, марганца, ванадия, фосфора, титана и кремния увеличиваются, а серы - уменьшается. В интервале температуры 1350…1400 °С коэффициент извлечения железа, марганца, ванадия, фосфора 1, титана 0,4…0,6, кремния 0,02…0,07 и серы 0,75…0,79.

Еще

Суроямское месторождение, титаномагнетит, моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/147157131

IDR: 147157131   |   DOI: 10.14529/met180203

Текст научной статьи Термодинамическое моделирование процесса восстановления металлов из титаномагнетитовых концентратов Суроямского месторождения

В Челябинской области находится перспективное Суроямское месторождение титаномагнетитовых руд. Прогнозные ресурсы месторождения по категории Р1 превышают 2,2 млрд т титаномагнетитовых руд, а до глубины 300 метров – 6 млрд т. Основным элементом является железо, содержание которого составляет 16,5 %, попутно можно извлекать также титан, ванадий и фосфор [1–7]. Титаномагнетитовые руды с содержанием: железа – 14,3 %, железа магнетитового 9,5 %, диоксида титана – 1,03 %, пентаоксида ванадия – 0,09 %, пентаоксида фосфора – 0,33 %. Мокрая магнитная сепарация исходной руды позволяет получить при конечном измельчении ее до 95…98 % класса 0,074 мм концентраты с содержанием 65,8 % железа, 1,55 % TiO2 и 0,47 % V2О5. Переработку таких концентратов целесообразно производить по технологии ITmk3.

Цель нашей работы – термодинамический анализ влияния температуры на параметры процессов, протекающих в системе «металл – шлак – газ», при получении чугунных гранул по технологии ITmk3 из суроямского титаномагнетитового концентрата и коркинского бурого угля.

Анализ выполнен с помощью программы расчёта термодинамических систем Terra [8– 10]. В качестве расчетной была выбрана трехфазная система, состоящая из двух конденсированных и одной газовой фаз. Конден-

Металлургия чёрных, цветных и редких металлов сированные фазы представляют собой два нерастворимых друг в друге раствора, первый является преимущественно металлическим, второй – оксидным.

Для ра с че т а п ри н ят с л е д у ю щ и й с ос т а в контактирующих фаз.

Раствор S1 (шлак): Al 2 SiO 5 , MnSiO 3 , Cr 2 SiO 4 , FeAl 2 O 4 , CaAl 2 O 4 , F eSiO 3 , SiO 2 , Al 2 O 3 , FeO, MnO, MgO, MgSiO 3 , M g 2 SiO 4 , MgAl 2 O 4 , CaO, CaSiO 3 , Ca 2 SiO 4 .

Раствор S2 (металл): FeSi, S, P, C, Si, SiS, SiC, Al, Fe, FeS, Fe 3 C, Mn, M nS, V, VC, Ti, TiC.

Газовая фаза: Н 2 , Н 2 О, Ar, SO, SO 2 , N 2 , CO, CO 2 .

Исход н а я с ис те ма с ос тоя ла и з 100 к г ж ел е зору д н ого к он ц е н трат а и 108, 15 к г у гля. Р ас ход у гля оп ре де ле н в ре зу льта те ра с ч е та мат ери а льного б ала н са в ос с та н ов и те льн ой п л а в к и с у роямс кого к онцентрата с и с п о льзов ани е м в к аче с тв е в ос с тан ов и те ля к ор к и н с кого бурого угля.

Химический состав концентрата и золы угля приведен в табл. 1.

Бурый уголь Коркинского месторождения содержит 25 % золы, 41,6 % летучих веществ, 1,2 % серы и 32,2 % нелетучего углерода. Высокое содержание серы в восстановителе может привести к получению чугуна с содержанием серы выше требуемого предела.

Фазовый состав руды: FeTiO 3 , Fe 3 O 4 .

Исследования выполнены для интервала температуры 500…1600 °С.

Влияние температуры на состав металлической фазы приведен на рис. 1, 2.

Установлено, что при температуре 500…800 °С металлическая фаза состоит из железа, марганца, серы и углерода. При увеличении температуры (выше 800 °С) из шихты в металл восстанавливаются ванадий, фосфор, титан и кремний. Содержание ванадия достигает максимума при температуре 1100 °С, фосфора – 1250 °С, а содержание титана и кремния увеличивается с повышением температуры.

Таблица 1

Химический состав концентрата и золы угля

Материал

Состав, %

FeO

Fe 2 O 3

SiO 2

Al 2 O 3

CaO

MgO

TiO 2

V 2 O 5

MnO

P 2 O 5

SO 3

Суроямский концентрат

25,96

61,0

3,2

2,4

1,04

2,6

2,65

0,62

0,20

0,33

Зола угля

12,6

47,0

22,7

5,3

3,0

0,9

0,3

4,6

5,6

Рис. 1. Влияние температуры на содержание железа металлического (Fe мет ), карбида железа (Fe 3 C), сульфида железа (FeS), силицида железа (FeSi) и углерода (графита) (C) в металле

Рис. 2. Влияние температуры на содержание серы (S), ванадия (V), фосфора (P), титана (Ti) и кремния (Si) в металле

Хими че ск и й сос та в ме талла д ля температуры 1350…1400 °С п ри в е д е н в та бл. 2.

Полученная металлическая фаза – ванадиевый чугун с высоким содержанием серы и фосфора. Содержание серы в металле при температуре 1350 °С – 1,3…1,5 %, а фосфора – 0,68 %. С повышением температуры содержание серы в металле уменьшается.

Влияние температуры на состав шлаковой фазы приведен на рис. 3. Установлено, что с

Таблица 2

Рис. 3. Влияние температуры на состав шлака (без учета образования ассоциатов)

Химический состав металла

Температура, °C

Содержание, %

Fe

S

Р

С

Si

Мn

V

Ti

1300

86

1, 50

0,68

3,70

0,05

0,25

0,46

0,40

1350

86

1, 40

0,68

3,70

0,18

0,25

0,46

0,80

1400

86

1, 30

0,68

3,70

0,49

0,25

0,46

1,30

Металлургия чёрных, цветных и редких металлов повышением температуры состав шлака непрерывно изменяется. В интервале температуры 500…1100 °С содержание FeO уменьшается с 65 % до 0 %. Это приводит к увеличению относительной доли других оксидов (SiO2, Al2O3, CaO, MgO и др). Доля P2O5 достигает максимума при температуре 1000 °С, TiO2 – 1250 °С, SiO2 – 1350 °С. Доли Al2O3 и MgO увеличиваются при повышении температуры в исследованном интервале.

В и н те рв а л е те мпе ра ту ры 500… 1000 °С о с н овн ос ть ш л а ка с ос та вляе т 0, 17, в и н те рвале 1000…1350 °С ос н ов нос ть шлак а у м ень шаетс я д о 0, 14, за те м с п овыш е н и е м те мп е р а туры до 1600 ° С ос н ов н ос ть ш л а к а у в е ли чи в а ется до 0,25.

Хими че ск и й с оста в ш л а ка д ля те мп е ра туры 1350…1400 °С , оп ре деле н н ый в ре зу льта т е терм оди намическ ого ана ли за , п ри в е д е н в табл. 3.

При п ере с ч е те э той мн о гок омпонентн ой си с те мы н а ч е тырехк омпон е н тн у ю CaO–SiO2– MgO–Al 2 O 3 состав шлака: 50 % SiO 2 , 13 % MgO, 7 % CaO и 30 % Al 2 O 3 . Т е мпе ра ту ра п ла в лен и я та к ого шла ка ок ол о 1400 °С [4]. Основн ость ш л а к а при те мп е р атуре 1350 °С – 0,15.

Влияние температуры на состав газовой фазы представлено на рис. 4.

Содержание СО в составе газовой фазы в интервале температуры 500…1600 °С увеличивается от 5 до 94 %. Содержание воды уменьшается с 50 % при 500 °С до 0 % при 1000 °С. Содержание углекислоты максимально при температуре около 600 °С (570 °С), при температуре 1000 °С и более углекислоты в газовой фазе нет.

Результаты расчета коэффициента извлечения элементов из шихты в металл представлены на рис. 5. Установлено, что с повышением температуры коэффициент извлечения железа, марганца, ванадия, фосфора, титана и кремния увеличиваются, а серы – уменьшается. В интервале температуры 1350–1400 °С коэффициент извлечения железа, марганца, ванадия, фосфора – 1, титана 0,4…0,6, кремния 0,02…0,07 и серы 0,75…0,79.

Таким образом, выполнен термодинамический анализ процессов в системе «металл – шлак – газ» при карботермическом восстановлении компонентов из суроямских тита-номагнетитов. Определено влияние температуры на последовательность и степень вос-

Таблица 3

Химический состав шлака

Температура, °С

Содержание, %

SiO 2

Al2O3

FeO

МnО

V 2 O 3

ТiO 2

МgО

СаО

CaS

Р 2 O 5

КO 2

1300

44,47

24,81

0,08

< 0,01

< 0,01

8,79

11,98

6,42

1,54

< 0,01

1,95

1350

44,94

25,52

0,06

< 0,01

< 0,01

6,87

12,32

6,23

2,07

< 0,01

2,01

1400

44,85

26,65

0,05

< 0,01

< 0,01

4,72

12,86

6,16

2,6

< 0,01

2,1

Рис. 4. Влияние температуры на состав газовой фазы

Рис. 5. Коэффициент извлечения элементов из шихты в металл

ста н ов ле н и я э ле ме н тов и з руды. Оп ре д е ле н сос та в ме талла , ш лак а и га за . Р е зу льта ты р а счетов могут б ыть и с п ол ьзов а н ы д ля к ор ре к ти ров к и те хн оло ги и I T m k 3 п ри п рои зв од с тв е ч угу н н ых грану л, а та к ж е д ля и зу че н и я к и н етики подобных процессов [11– 1 5].

Список литературы Термодинамическое моделирование процесса восстановления металлов из титаномагнетитовых концентратов Суроямского месторождения

  • Kapelyushin, Y. Beneficiation of Vanadium and Titanium Oxides by Using Selective Extraction of Iron in Low-Titanium Magnetite Concentrate/Y. Kapelyushin, V. Roshchin, A. Roshchin//Solid State Phenomena. -2017. -Vol. 265. -P. 913-918 DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.265.913
  • Formation of a Network Structure in the Gaseous Reduction of Magnetite Doped with Alumina/Y.E. Kapelyushin, Y. Sasaki, J. Zhang et al.//Metallurgical and Materials Transactions B. -2017. -Vol. 48, no. 2. -P. 889-899 DOI: 10.1007/s11663-016-0897-1
  • Studying microstructure and phase composition of a new complex calcium containing alloy/I. Bartenev, A. Issagulov, A. Baysanov et al.//Metalurgija. -2016. -Vol. 55, no. 4. -P. 727-729.
  • Role of a silicate phase in the reduction of iron and chromium and their oxidation with carbide formation during the manufacture of carbon ferrochrome/V.E. Roshchin, A.V. Roshchin, K.T. Akhmetov, S.P. Salikhov//Russian Metallurgy (Metally). -2016. -Vol. 2016, no. 11. -P. 1092-1099 DOI: 10.1134/S0036029516090123
  • Effect of Alumina on the Gaseous Reduction of Magnetite in CO/CO2 Gas Mixtures/Y.E. Kapelyushin, X. Xing, J. Zhang et al.//Metallurgical and Materials Transactions B. -2015. -Vol. 46, no. 3. -P. 1175-1185 DOI: 10.1007/s11663-015-0316-z
  • In-Situ Study of Gaseous Reduction of Magnetite Doped with Alumina Using High-Temperature XRD Analysis/Y.E. Kapelyushin, Y. Sasaki, J. Zhang et al.//Metallurgical and Materials Transactions B. -2015. -Vol. 46, no. 6. -P. 2564-2572 DOI: 10.1007/s11663-015-0437-4
  • Effects of Temperature and Gas Composition on Reduction and Swelling of Magnetite Concentrates/Y.E. Kapelyushin, Y. Sasaki, J. Zhang et al.//Metallurgical and Materials Transactions B. -2016. -Vol. 47, no. 4. -P. 2263-2278 DOI: 10.1007/s11663-016-0719-5
  • Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 920054 Российская Федерация/Б.Г. Трусов; МГТУ им. Н.Э. Баумана; РосАПО. -1992.
  • Трусов, Б.Г. Программная система ТЕРРА для моделирования фазовых и химических равновесий при высоких температурах/Б.Г. Трусов//III Международный симпозиум «Горение и плазмохимия». -Алматы: Казак университетi, 2005. -С. 52-57.
  • Гамов, П.А. Термодинамический анализ распределения серы при ЭШП стали 12Х1МФ под доменным шлаком/П.А. Гамов, Н.В. Мальков//Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». -2017. -Т. 17, № 4. -C. 32-37 DOI: 10.14529/met170403
  • Дрозин, А.Д. Алгоритм математической обработки информации, снимаемой с поверхности микрошлифов при исследовании загрязненности стали неметаллическими включениями/А.Д. Дрозин, Н.М. Япарова, Е.Ю. Куркина//Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». -2018. -Т. 18, № 1. -С. 124-132 DOI: 10.14529/ctcr180115
  • Математическое описание кристаллизации методом виртуальных объемов/М.В. Дудоров, А.Д. Дрозин, В.Е. Рощин и др.//Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика». -2012. -№ 11 (270). -С. 78-88.
  • Model for nanocrystal growth in an amorphous alloy/P.A. Gamov, A.D. Drozin, M.V. Dudorov, V.E. Roshchin//Russian Metallurgy. -2012. -Т. 2012, № 11. -С. 1002-1005 DOI: 10.1134/S0036029512110055
  • Модель роста нанокристаллов в аморфном сплаве/П.А. Гамов, А.Д. Дрозин, М.В. Дудоров, В.Е. Рощин//Металлы. -2012. -№ 6. -С. 101-106.
  • Япарова, Н.М. Метод решения некоторых многомерных обратных граничных задач параболического типа без начальных условий/Н.М. Япарова//Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». -2015. -Т. 15, № 2. -С. 97-108 DOI: 10.14529/ctcr150211
Еще
Статья научная