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].