Восстановительная электроплавка титановых концентратов

В качестве сырья для выплавки титановых шлаков используют:

1) ильменитовые концентраты, содержащие 43-65 % ТiO₂, до 30 % FеО, до 20 % Fе₂О₃ и 5-7 % пустой породы;

2) углеродный восстановитель - высококачественный уголь антрацит марки АММ, в котором содержание углерода не менее 85%, золы не более 10%.

Выплавку титановых шлаков осуществляют в электродуговых рудотермических печах при температурах 1650-1750 °С, что создает тяжелые условия для футеровки печи. Кроме того, железо-титановые шлаки являются очень агрессивной средой, поэтому для защиты футеровки служит гарниссаж ~0,5 м из более тугоплавкого титанового шлака, который наращивают на стенках по специальной технологии при пуске печи. Подина защищена постоянным слоем чугуна не менее 0,5 м, причём нижний слой металла находится в твердом состоянии. Особенно тщательно футеруют лётки для выпуска чугуна и шлака, которые находятся на 40-50 см выше пода печи. Электрический ток в плавильное пространство подается при помощи графитированных расходуемых электродов.

В настоящее время выплавку титановых шлаков производят периодическим способом, получая титановые шлаки с содержанием оксида железа FеО менее 5%. Выплавка шлаков включает следующие операции:

1) Загрузка шихты. Для плавки готовят два типа шихты – порошковую и брикетированную. Брикеты теплопроводнее порошка и снижают вынос пыли, но изготовление их обходится дорого, поэтому они составляют до 50 % загрузки. Важным условием успешного проведения плавки является количество восстановителя, чтобы его хватило на восстановление окислов железа до металла и двуокиси титана до Тi₃О₅. Но в начале плавки загружают 70 % угля.

2) Восстановительная электроплавка длится ≈ 4 часов и делится на три периода:

- период нагрева шихты до 900 °С и её плавления, начинают восстанавливаться свободные окислы железа, металл вытекает на дно печи, сверху образуется расплав шлака;

- период восстановления всех окислов железа и частично Ti из концентрата, процесс идёт по реакции

3(FeO*TiО₂) + 4С = 3Fe + Ti₃О₅ + 4СО↑

Температура расплава повышается до 1750 °С, восстановитель израсходовался, содержание FeO становится 8—12 %;

- период доводки шлака - загружают остальную часть угля. Через 20-30 мин. шлак содержит не более 5% FеО. Выплавить шлаки с FeO менее 5% невозможно: они тугоплавки, быстро застывают и выпуск их из печи очень сложен.

3) Совместный выпуск шлака и чугуна производят в прямоугольные чугунные изложницы, футерованные шамотным кирпичом, в первых изложницах остается чугун, имеющий б о льшую плотность, а в последующих — шлак. При раздельном выпуске чугун выливают в футерованные шамотным кирпичом ковши, а шлак — в изложницы.

4) После выпуска шлака и чугуна лётки заделывают пробками из огнеупорной глины специальной пушкой. Затем загружают новую порцию шихты и процесс повторяют.

Автоматически регулируют: охлаждение печного трансформатора, водяное охлаждение свода печи, перепуск электродов, подсводное давление отходящих газов, и другие параметры.

 

Рисунок 1 - Конструкция печи мощностью 5000 кВ*А для выплавки титановых шлаков 1 - металлический кожух; 2 - магнезитовая футеровка; 3 - водоохлаждаемый свод; 4- система подвески и перепуска электродов; 5 - система токоподвода

Рисунок 2- Схема электродуговой печи для выплавки титановых шлаков 1- электроды (третий электрод не показан); 2- шихта; 3- стальной кожух; 4- асбест; 5- магнезитовая крупка; 6 - магнезитовый огнеупорный кирпич; 7 - летка; 8 - чугун; 9 - гарниссаж; 10 - шлак

 

Выплавленный титановый шлак имеет примерный состав, %: TiO₂ 85-90; FeO ≈5; Al₂O₃ 1,5-3; MgO 1-3; СrО 0,5-1,5 и другие оксиды. На одну тонну шлака получается около 600 кг чугуна.

Любой непрерывный технологический процесс всегда эффективнее и экономически выгоднее, чем периодический: меньший расход электроэнергии, б о льшая производительность, его легче автоматизировать и максимально механизировать, что улучшает условия труда персонала. Но при непрерывной плавке получаются титановые шлаки, содержащие 8—15% закиси железа. Для создания высокопроизводительного непрерывного процесса с получением низкожелезистых титановых шлаков (менее 5% FeO), необходимы условия:

- шихту необходимо загружать непрерывно, а выпуск шлака и чугуна производить периодически;

- применять только брикетированную или гранулированную (окатанную) шихту, что требует более тонкого помола сырья и сложного процесса окатывания (грануляции);

- непрерывного контроля качества гранул и процесса их подготовки.

Переход на непрерывный процесс плавки позволит повысить производительность процесса на 15%, снизить расход электроэнергии на ≈ 30 % и значительно увеличить срок службы печи.

Разделка и обработка продуктов плавки. После затвердения слитки шлака извлекают из изложниц и помещают на остывочную площадку, затем остывшие слитки взвешивают и отправляют потребителю. 

В процессе охлаждения шлака происходит декриптация: растрескивание слитка до сердцевины и частичное саморассыпание. Объясняется это тем, что TiO₂, изначально содержащийся в концентрате, во время плавки частично восстановился до низших окислов (TiO, Ti₂O₃, Ti₃O₅). Но при охлаждении низшие окислы вновь окисляются кислородом воздуха до TiO₂, что происходит с уменьшением объемной массы, вследствие чего и происходит саморассыпаемость. Кроме того, в результате окисления, содержание титана в шлаке снижается на 2—5%.

Полученный чугун заливают в дуговую электропечь, рафинируют, обессеривают известью и разливают в слитки или чушку, которые используют в сталелитейном или чугунолитейном производстве. Обычно чугун имеет состав, %: 1,6-2,3 С; 0,05-0,3 Тi; 0,2-0,7 Si; 0,05-0,15 Мn; 0,08-0,3 S; 0,05- 0,30 Р. При плавке некоторых концентратов получают специальный чугун, легированный хромом до 2%, марганцем до 1% и титаном до 1%.

 

Задание 5. Изучить приведённый материал и ответить на вопросы

 

1 Какие виды шихты загружают в печь?

 

 

2 Какой процесс выплавки шлаков применяют – периодический или непрерывный? Почему?

 

 

3  Зачем нужна доводка шлака?

 

 

4 Что получают при восстановительной плавке титановых концентратов?

 

 

5 Что такое декриптация?