Жидкофазное разделение продуктов твердофазного восстановления железо-ванадиевых концентратов

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 железо-ванадиевом концентрате, получаемом из титаномагнетитовых 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 графитированных 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 °C и засыпали в графитовый тигель. Тигель поместили в разогретую до температуры 1500... 1550 °C 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 железованадиевого концентрата выход чугуна и шлака составил соответственно 46,87 и 12,81 % мае. от массы шихты (табл. 1).

Таблица 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 JSM-

6460LV. Кроме того, шлак подвергали рентгенофазовому анализу на дифрактометре ДРОН-4. Состав металла и шлака представлен на рис. 1 и в табл. 2.

Таблица 2

Состав металла, % мае.					Состав шлака, % мае.
Ti	Ее	С	V	Сг	TiO2	FeO	А12О3	SiO2	СаО	MgO	МпО	Сг20з	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

Состав металла и шлака

Асанов А.В., Рощин А.В., Рощин В.Е.

Жидкофазное разделение продуктов твердофазного восстановления железо-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,S3 % 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 б % 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

Рис. 3. Неметаллические фазы в металле (а) и в шлаке (б)

Таблица 3

Состав неметаллических фаз чугуна и шлака

Точка	Содержание элементов, % мае.
анализа	О	Mg	Al	Si	Са	Ti	V	1 Cr |	| Мп |	1 Fe 1	С	S
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, CaAl2Si40i2, CaSiO3, Ca(Ti,Mg,Al)(Si,Al)2O6, Mg2A14Si50i8.

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.