Влияние химического состава и температуры на вязкость высокотитанистых шлаков

Ранее проводились исследования свойств шлаков флюсовой плавки титаномагнетитовых руд в РВП, содержащих около 60 % ТЮ2. Шлаки бес-флюсовой плавки содержат до 90 % ТЮ2. Свойства этих шлаков не исследовались.

В данной работе изучали свойства шлаков содержащих от 55 до 95,5 % ТЮ2.

Для определения влияния компонентов шлака на вязкость и температуру затвердевания и нахождения уравнений связи свойств шлака с его составом в виде полинома в работе был применен метод полного факторного эксперимента (ПФЭ) [3]. Для выполнения ПФЭ была составлена матрица планирования. Базой для составления матрицы служил химический состав шлака, полученный в результате расчета материального баланса процесса переработки железотитанового концентрата по двухстадийной схеме и в результате лабораторных экспериментов по реализации двухстадийной схемы [2].

При расчете материального баланса и в лабораторных экспериментах использовался медведевский железотитановый концентрат, содержащий 58 % Fe_o6ny 12,6 % ТЮ₂, 0,8 % V₂O₅, 3,0 % SiO₂, 0,15 % CaO, 1,8 % MgO, 0,2 % MnO, 0,3 % Cr₂O₃, 2,6 % A1₂O₃ и челябинский коксик. При расчете материального баланса считали (и это было подтверждено лабораторными экспериментами), что при твердофазном восстановлении степень восстановления железа и ванадия 100%, а титана 0 %. Шлак, получаемый при жидкофазном разделении металлизированного концентрата содержит 5,0 % FeO, 15,0 % SiO₂, 10,0 % CaO, 10,0 % А1₂О₃, 2,0 % MgO, 58,0 % ТЮ₂.

Изменяющимися добавками при составлении матрицы планирования являлись содержания оксидов FeO, CaO, SiO2, А12О3 в расплаве. Матрица ПФЭ содержит 16 опытов плана (таблица).

Химический состав опытных шлаков

Номер шлака	Содержание компонентов, %
	FeO	SiO2	CaO	А12О3	MgO	ТЮ2
1	5	15	10	10	2	58
2	0,5	15	10	10	2	62,5
3	5	2	10	10	2	71
4	0,5	2	10	10	2	75,5
5	5	15	0	10	2	68
6	0,5	15	0	10	2	72,5
7	5	2	0	10	2	81
8	0,5	2	0	10	2	85,5
9	5	15	10	0	2	68
10	0,5	15	10	0	2	72,5
11	5	2	10	0	2	81
12	0,5	2	10	0	2	85,5
13	5	15	0	0	2	78
14	0,5	15	0	0	2	82,5
15	5	2	0	0	2	91
16	0,5	2	0	0	2	95,5

Рис. 1. Влияние температуры на вязкость опытных шлаков. Цифры у линий - номера шлаков в таблице

Для исследования вязкости опытных шлаков в работе использовали вибрационный вискозиметр [4].

Опытные шлаки составлялись из химически чистых оксидов TiO2, Fe2O3, СаО, MgO, SiO2, А12О3.

Результаты определения вязкости приведены на рис. 1. Характер зависимости вязкости от температуры свидетельствует о том, что опытные шлаки короткие с высокой кристаллизационной способностью, вязкость их при охлаждении резко увеличивается в узком температурном интервале. Для обработки полученных данных была применена методика полного факторного эксперимента. Это позволило получить математическую зависимость вязкости от его состава для температуры 1800 °C. Она имеет вид:

А Ч = - 0,58 (%FeO) + 0,05 (%SiO2) -

- 0,28 (%СаО) + 0,1 (%А1₂0з).

Вязкость опытных шлаков уменьшается при увеличении в них содержания СаО, SiO2, FeO, а увеличение содержания А12О3 приводит к повышению вязкости шлаков.

Для анализа полученных в экспериментах результатов при помощи программного комплекса «TERRA»[5] был выполнен термодинамический анализ процессов, протекающих в жидком шлаке при температуре 1500... 1850 °C и общем давлении в системе равном 1 атм. Установлено, что в исследованном температурном интервале в шлаке могут присутствовать TiO2, Ti3O5, Ti4O7, Ti2O3 и туго плавкие титанаты алюминия и магния (рис. 2). Температура плавления А12О3 ТЮ2 - 1860 °C, MgO TiO2 - 1680 °C, MgO Ti2O3 - 1658 °C [6].

Рис. 2. Влияние температуры на содержание в шлаке ТЮ2 (1), AhTiOs (2), Ti3O5 (3), Ti4O7 (4), Ti2O3 (5), МдТЮ3 (6), MgTi2Os(7)

Вязкость титановых шлаков определяется присутствием в расплаве титанокислородных анионов [7]. Соотношение эффективных ионных радиусов Ti+4 (0,64 А) и О-2 (1,32 А) равно 0,485, что отвечает координационному числу 6 . Таким образом, титан в шлаковом расплаве может образовывать комплексный анион TiOg8, который является структурной составляющей химического соединения Ti3O5 (аносовит).

Асанов А.В., Аношкин И.В., Мальков Н.В.,          Влияние химического состава и температуры

Сенин А.В., Рощин А.В.на вязкость высокотитанистых шлаков

Благодаря близости структурных комплексов (TiOg8 ) в жидком и твердом состоянии титановые шлаковые расплавы имеют высокую кристаллизационную способность. Анион (TiO68 ) аналогично

(SiO44 ) является простым структурным образованием в расплаве, что обусловливает низкую вяз кость жидких титановых шлаков.

Аносовит имеет сложный состав. Примеси, содержащиеся в шлаке, находятся в нем в виде твердого раствора. Возможны следующие варианты изоморфизма: Ti+4 + Ti+2 = 2Ti+3; Ti,3<->A1+3, Fe+3, Cr+3; Ti+We+2, Mn+2, Mg+2.

Замена Ti+3 на А1+3 способствует увеличению вязкости расплава. Содержащийся в расплаве А12О3 образует простые и не громоздкие анионы АЮ^9 . Аналогично аниону ТЮ68 они не должны увеличивать вязкость шлакового расплава. Однако при температуре плавкости вязкость высокотитановых шлаков определяется не только наличием сложных структурных комплексов, но и количеством взвеси кристалликов титановых минералов, их размерами, температурой плавления. Примеси, уменьшающие температуру плавления аносовита, будут уменьшать вязкость шлакового расплава (FeO), а примеси, повышающие температуру плавления, будут увеличивать вязкость шлакового расплава (А12О3 и MgO) [7].

Таким образом, в результате выполненной работы исследовано влияние химического соста ва на вязкость синтетических шлаков системы CaO-FeO-Al2O3-SiO2-MgO-TiO2. Получена математическая зависимость вязкости от состава. В результате реализации ПФЭ определено влияние каждого компонента расплава на вязкость сложной системы.