Теоретические основы восстановительной плавки железо-титановых концентратов

О возможности протекания реакций восстановления веществ можно судить по изменению их термодинамического потенциала. Как известно, чем больше изменение энергии Гиббса при протекании реакции, тем выше способность вещества вступать в химическое взаимодействие. С применением законов термодинамики рассчитывают численные значения изменения энергии Гиббса химических реакций. Для расчётов используют известные коэффициенты:

- теплоемкостей исходных веществ и продуктов реакции,

- теплоты образования химических соединений

- энтропии всех компонентов.

ΔG_T = ΔH⁰_T – TΔS⁰_Т

где ΔG_T — изменение энергии Гиббса в зависимости от температуры Т;

ΔH⁰_T — изменение энтальпии в зависимости от температуры;

TΔS⁰_Т — изменение энтропии в зависимости от температуры.

Из нескольких возможных реакций предпочтительнее та, для которой абсолютное отрицательное значение изменения энергии Гиббса больше.

Термодинамический анализ реакций восстановления железо-титановых соединений (титанатов) позволяет установить, что реакции восстановления титанатов железа возможны твердым углеродом при температуре около 2000 К с образованием металлического железа, диоксида титана и низшего оксида титана Ti₂О₃.

Поэтому в промышленности для разделения оксидов титана и железа, входящих в состав железо-титановых концентратов, применяется восстановительная рудотермическая плавка в электропечах большой мощности и производительности. Восстановительная плавка протекает следующим образом:

1) сверху в электропечь загружают шихту, она постепенно нагревается и при 900 °С начинается восстановление углеродом свободных оксидов железа (гематита и магнетита);

2) при 1150-1270 °С начинается восстановление железа из ильменита и частичное восстановление ТiО₂ до низших оксидов:

FeO*TiО₂ + С = Fe + ТiО₂ + СО

3ТiО₂ + С = ТiО₂*Ti₂О₃ + СО = Ti₃О₅ + СО

3) при 1270-1400 °С восстановление ТiО₂ продолжается интенсивнее

2Ti₃О₅ + С = 3Ti₂О₃ + СО

4) при 1400-1600 °С происходит восстановление низшего окисла до более низшего – монооксида титана

Ti₂О₃ + С = 2ТiО + СО

Сложность и многостадийность физико-химических процессов при восстановительной плавке происходят оттого, что все оксиды титана образуют общий раствор ТiО₂ + Ti₃О₅ + Ti₂О₃ + ТiО, в котором растворяются ильменит и оксид железа (FeO). Титан в растворе находится в различных валентных состояниях: Ti⁴⁺, Ti³⁺, Ti²⁺. В результате образуются сложные соединения, кристаллизующиеся при затвердевании шлаков, однако основой шлака является Ti₃О₅.

В результате электроплавки концентратов получают два товарных продукта:

- шлак, куда переходят оксиды титана и часть примесей,

- металл - железо, близкое по составу к чугуну.

Суммарный восстановительный процесс для ильменитовых концентратов представлен уравнением:

3(FeO*TiО₂) + 4С = 3Fe + Ti₃О₅ + 4СО