способ переработки шлаков, содержащих оксид титана

Формула изобретения

1. Способ переработки шлаков, содержащих оксид титана, включающий расплавление в плавильной камере плавильного агрегата металлической подложки, приведение подложки во вращение электромагнитным полем МГД-устройства плавильного агрегата, образование в подложке лунки параболической формы, подачу в лунку порции шлака и его расплавление электромагнитной энергией, передаваемой шлаку через подложку, восстановление металлов из оксидов в шлаке металлическим восстановителем, сплавление этих металлов с металлом подложки, слив из плавильного агрегата металлической фазы, слив конечного шлака, отличающийся тем, что из расплава порции шлака с использованием в качестве металлического восстановителя алюминия или ферроалюминия восстанавливают титан из его оксида и все другие металлы из оксидов, у которых свободная энергия образования меньше, чем у алюминия, и этими металлами пополняют металлическую подложку, в плавильный агрегат вводят дополнительную порцию шлака, из которого титаном из подложки восстанавливают металлы из оксидов, у которых свободная энергия образования меньше, чем у титана, восстановленные титаном металлы сплавляют с металлической подложкой и сливают установленное количество металлической подложки из плавильного агрегата, остаток металлической подложки пополняют титаном, который из шлаковой фазы восстанавливают алюминием, полученную титансодержащую лигатуру в установленном количестве сливают из плавильной камеры плавильного агрегата, после чего, при сохранении вращения оставшейся в камере лигатуры, раскрывают центральную летку плавильного агрегата и удаляют весь конечный шлак, после перекрытия летки вращение остатка лигатуры прекращают, в летке образуют металлическую пробку и регламентировано подают новую порцию шлака с одновременным постепенным раскручиванием жидкой металлической подложки до образовывания в ней лунки параболической формы, из расплавляемой порции шлака титаном восстанавливают часть кремния из его оксида и операции повторяют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве шлака используют доменные шлаки Нижне-Тагильского металлургического комбината, Чусовского металлургического завода.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при восстановлении титана и других металлов из оксидов используют ферроалюминий, в котором содержание железа до 30%, при этом металлическую фазу пополняют железом, а шлаковую фазу - оксидом алюминия.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что слив металлической подложки и слив лигатуры осуществляют в количествах, составляющих 60-90% от наличия подложки и лигатуры, которые были к моменту начала слива в плавильном агрегате.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при пополнении остатков подложки титаном, который из шлаковой фазы восстанавливают алюминием, в шлаковую фазу вводят дополнительное количество оксида титана.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что дополнительное количество оксида титана вводят в составе концентрата ильменита.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к переработке доменных шлаков, содержащих оксид титана.

В России в доменных печах на двух металлургических предприятиях - Нижне-Тагильском металлургическом комбинате (НТМК) и Чусовском металлургическом заводе (ЧМЗ) - перерабатывают агломерат и окатыши, полученные на Качканарском ГОКе из титаномагнетитового сырья. Содержание в агломерате и окатышах оксида ванадия 0,55-0,57%, а оксида титана - 2,4-2,6% [1, табл.2.2, стр.50].

Большая часть ванадия из оксида при доменной плавке на НТМК и ЧМЗ переходит в чугун, а затем, после конвертерного переплава чугуна дуплекс-процессом, - в ванадиевый конвертерный шлак (КВШ). Оксид титана же практически полностью переходит в доменный шлак и из него не извлекается, а его там до 12%. Если будут вовлечены в переработку более богатые по содержанию оксида титана титаномагнетитовые руды, например руды Медведевского и Капанского месторождений титаномагнетитов на Южном Урале, то содержание оксидов титана в шлаках может повыситься до 30-40% [2]. На одном из металлургических предприятий Китая содержание оксида титана в доменном шлаке доходит до 23-24% [1].

Шлак с высоким (70-80%) содержанием оксида титана (TiO ₂) расходуют на производство титановой губки, пигмента и ферротитана. При сравнительно низком содержании TiO ₂ в шлаке его переработка на указанные продукты становится неэффективной, хотя технологические приемы извлечения TiO ₂ из таких шлаков разработаны, но они пригодны лишь в доменных печах малого объема [2].

Предлагаемый способ переработки доменных шлаков может быть реализован в разработанном плавильном агрегате [3], названном многофункциональным плавильным агрегатом (МПА), поскольку предназначен для реализации ряда новых металлургических технологий, в том числе и для технологий, по которым предлагается перерабатывать титаносодержащее сырье [4, 5].

МПА включает два энергетических узла - тигельный узел для нагрева металлической фазы и шлака до температуры 1800°С мощностью до 6 МВт и узел МГД-техники для обеспечения вращения расплава в плавильной камере агрегата мощностью до 0,6 МВт.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков и назначению является патент RU 2206630 [6], в котором раскрыт способ переработки шлаков, содержащих оксид титана, включающий расплавление в плавильной камере плавильного агрегата металлической подложки, приведение подложки во вращение электромагнитным полем МГД-устройства плавильного агрегата, образование в подложке лунки параболической формы, подачу в лунку порции шлака и его расплавление электромагнитной энергией, передаваемой шлаку через подложку, восстановление металлов из оксидов в шлаке металлическим восстановителем, сплавление этих металлов с металлом подложки, слив из плавильного агрегата маталлической фазы, слив конечного шлака.

Новизна заключается в том, что из расплава порции шлака с использованием в качестве металлического восстановителя алюминия или ферроалюминия восстанавливают титан из его оксида и все другие металлы из оксидов, у которых свободная энергия образования меньше, чем у алюминия, и этими металлами пополняют металлическую подложку, в плавильный агрегат вводят дополнительную порцию шлака, из которого титаном из подложки восстанавливают металлы из оксидов, у которых свободная энергия образования меньше, чем у титана, восстановленные титаном металлы сплавляют с металлической подложкой и сливают установленное количество металлической подложки из плавильного агрегата, остаток металлической подложки пополняют титаном, который из шлаковой фазы восстанавливают алюминием, полученную титаносодержащую лигатуру в установленном количестве сливают из плавильной камеры плавильного агрегата, после чего, при сохранении вращения оставшейся в камере лигатуры, раскрывают центральную летку плавильного агрегата и удаляют весь конечный шлак, после перекрытия летки вращение остатка лигатуры прекращают, в летке образуют металлическую пробку и регламентировано подают новую порцию шлака с одновременным постепенным раскручиванием жидкой металлической подложки для образования в ней лунки параболической формы, из расплавляемой порции шлака титаном восстанавливают часть кремния из его оксида, и операции повторяют.

В качестве шлака рекомендуется использовать доменные шлаки Нижнее-Тагильского металлургического комбината (НТМК) и Чусовского металлургического завода (ЧМЗ).

Титан и другие металлы из оксидов рекомендуется восстанавливать ферроалюминием, в котором содержание железа доходит до 30%, при этом железом пополняют металлическую фазу, а оксидом алюминия шлаковую фазу.

Слив металлической подложки и слив лигатуры рекомендуется осуществлять в количествах, составляющих 60-90% от наличия подложки и лигатуры, которые были к моменту начала слива в плавильном агрегате.

При пополнении остатка подложки титаном, который из шлаковой фазы восстанавливают алюминием, в шлаковую фазу рекомендуется вводить дополнительное количество оксида титана, например в составе концентрата ильменита.

Главная задача предлагаемого способа - сначала основную часть кремния в основной и дополнительной порциях доменного шлака (ДТП) отделить от оксида титана и получить высококремнистый товарный ферросилиций, при этом в шлаке останутся оксиды титана, магния, кальция, алюминия, а затем алюминием восстановить возможно большее количество оксида титана и перевести его в металлическую фазу - лигатуру из титана, железа и кремния. Оксиды магния и кальция алюминием восстанавливаться не будут. В конечном шлаке от основной и дополнительной порций ДШ останутся оксиды магния, кальция, алюминия и какая-то часть недовосстановленного оксида титана.

Получаемые товарные продукты по содержанию кремния в ферросилиции и по содержанию титана в лигатуре зависят от того, сколько будет оставлено железа в подложке, в период восстановления кремния из основной и дополнительных порций ДШ, и сколько будет оставлено ферросилиция в плавильном агрегате в период восстановления оксида титана ферроалюминием.

Предлагаемая технология переработки доменного шлака безотходна. Конечный шлак в этой технологии также представляет собой ценный продукт, из которого можно получить или высокоглиноземистый цемент, или глинозем, причем если будет производиться глинозем, то отходом от этого производства будет оксид кальция, который также может представлять собой товарный продукт. При необходимости из конечного шлака может быть извлечен магний, например в ценный периклаз. Рекомендуемый для осуществления способа плавильный агрегат позволяет осуществить операцию по восстановлению оксида магния в газовую фазу, которая после окисления может превратиться в периклаз.

Рекомендация восстанавливать оксиды ДШ ферроалюминием, а не чистым алюминием, имеет ряд положительных моментов. Во-первых, ферроалюминий тяжелее алюминия, его легче вводить в процесс, он меньше окисляется, во-вторых, при восстановлении титана из оксида освободившееся от алюминия железо сразу сплавляется с титаном, что благоприятно сказывается на скорости восстановления оксида титана и на том, что температура плавления получаемого сплава снижается.

Пример.

На чертеже представлена технологическая схема переработки доменного шлака на ферротитан и лигатуру, содержащую титан, кремний и железо. На схеме наглядно показано, какие оксиды содержит доменный шлак (первичный шлак) и как изменяется состав оксидов сначала во вторичном шлаке, а затем в конечном третичном шлаке, причем вновь добавляемые в шлаке оксиды отмечены знаками и . Показано также, как формируются главные продукты способа - ферросилиций и лигатура из Fe, Ti и Si.

Доменные шлаки НТМК и ЧМЗ имеют следующий состав, %: FeO - 0,6-1,0; CaO - 30-32; MgO - 11-13; Al₂O₃ - 14-15; TiO₂ - 8-10; V ₂O₅ - 0,18-0,30; MnO - 0,5-0,7; SiO ₂ - 28-30 [1, стр.50, табл.2.2].

Далее даются пояснения, связанные с реализацией способа по переработке ДШ на малой доменной печи ЧМЗ (объем печи 257 м куб.).

Оксид титана в доменном шлаке восстанавливать алюминием выгодно. На один кг титана тратится 0,75 кг алюминия. Если в одной тонне шлака будет 100 кг оксида титана, то из него можно восстановить 60 кг титана и затратить на это 45 кг алюминия. За последнее время цена титана повысилась до 20 долл. за кг, цена алюминия - порядка 2 долл. за кг [7]. Из этого следует, что за 45 кг Al надо заплатить 90 долл., а за 60 кг Ti получить 1200 долл. Разница порядка 1100 долл. При восстановлении алюминием в доменном шлаке оксида кремния картина обратная. На восстановление одного кг кремния тратится 1,3 кг алюминия. Чтобы из одной тонны ДШ получить 135 кг кремния, надо затратить порядка 175 кг алюминия. За 175 кг Al надо заплатить порядка 350 долл. Если стоимость кремния принять порядка 1,5 долл. за кг, то за 135 кг Si можно получить порядка 200 долл. Разница порядка 150 долл. В целом разница между доходом, который можно получить за титан и кремний, и расходом на алюминий порядка 850 долл.

Указанный расчет по разнице между стоимостью полученного титана в ферротитане и стоимостью расхода на алюминий не может сказать, какая фактически будет прибыль от реализации предлагаемого способа. Она будут зависеть от ценовых показателей, от расхода энергии, от разного рода других затрат. Однако ориентировочные расчеты показывают, если учесть, что при реализации способа реакции по восстановлению металлов из оксидов идут с выделением тепла, т.к. экзотермические, и то, что будет прибыль еще и от реализации конечного шлака, то в конечном итоге положительная прибыль определяется и в немалом размере. На Чусовском металлургическом заводе, например, действуют две доменные печи, одна объемом 1030 м куб., вторая - 257. Производительность по чугуну при КИПО 0,5 второй доменной печи порядка 500 т/сутки, по шлаку - 225 т/сутки. В год вторая доменная печь может выдать более 80 тыс. т шлака, в котором будет порядка 8 тыс. т TiO₂ и примерно 5 тыс. т Ti. Стоимость такого количества титана до 100 млн. долл. Прибыль при таком количестве титана может быть до 200 долл. на каждую тонну переработанного шлака или до 16 млн. долл. в год. Один предлагаемый для реализации способа МПА может переработать весь шлак, который производит вторая доменная печь ЧМЗ. Окупаемость МПА менее года, т.к. затраты на изготовление МПА не будут превышать 10 млн. долл.

Однако прибыль может значительно увеличиться, если при осуществлении способа к каждой тонне ДШ добавлять какое-то количество другой титаносодержащей шихты, например покупаемых концентрата ильменита или концентрата рутила. Добавка концентрата ильменита или концентрата рутила в количестве порядка 250 кг на каждую тонну ДШ увеличивает прибыль соответственно в два и три раза.

Технический результат от применения способа заключается в следующем.

Поскольку при восстановлении металлов из оксидов доменного шлака используется сильный металлический восстановитель (алюминий) и идут экзотермические реакции (с выделением тепла), имеет место значительное снижение расходов на энергопотребление. Применение сравнительно дорогого восстановителя, каким является алюминий, оправдывается тем, что имеет место большая ценовая разница между титаном и алюминием.

Реализуется практически безотходная технология.

Техпроцесс осуществляется без или почти без выделения газа из расплава, что исключает необходимость иметь громоздкое технологическое оборудование по удалению и очистке газа.

Реализуется прогрессивная технология жидкофазного восстановления металлов из оксидов в условиях вращения расплава электромагнитным полем, позволяющая при плавке, например: полезно использовать центробежный эффект; ускоренно расплавлять подаваемый на плавку доменный шлак и ускоренно осуществлять после расплавления массообмен между шлаковой и металлической фазами; упрощать операции по периодическому удалению металлической и шлаковой фаз из плавильной камеры агрегата.

Источники информации:

1. Дерябин Ю.А., Смирнов Л.А., Дерябин А.А. Перспективы переработки Чинейских титаномагнетитов. - Екатеринбург: Сред.-Урал. кн. изд-во, 1999, 368 с.

2. Леонтьев Л.И. Состояние академической и отраслевой науки. Интервью журналу "Металлург", №3, 2003, с.39-40.

3. Патент Российской Федерации №2207476.

4. Патент Российской Федерации №2228967.

5. Патент Российской Федерации №2250271.

6. Патент Российской Федерации №2206630.

7. Спрос и предложение. Приложение к журналу "Уральский рынок металлов", №4, 2005, с.62-63.