Технология выплавки титановых шлаков

Цель восстановительной плавки ильменитового концентрата - отделить оксиды железа путем их восстановления до металла и получить титановый шлак. Процесс плавки может быть периодический (циклический) или непрерывный. В настоящее время выплавку титановых шлаков производят в рудотермических печах периодическим способом, получая шлаки с содержанием оксида железа (FеО) менее 5%. Выплавка шлаков включает следующие операции.

1) Загрузка шихты.

Шихта из приемных бункеров плавильного отделения поступает в дозировочную тележку, а затем в печные бункера, из которых по течкам подаётся в печь между электродами, образуя конус. Скатываясь по конусу, шихта равномерно распределяется между электродами и стенкой печи. Порошковая шихта более легкоплавка, но с большим пылеуносом, поэтому вначале загружают порошковую шихту, а сверху брикеты. Наилучшая работа печи наблюдается при загрузке брикетов, их высокая тугоплавкость и наличие углеродного каркаса повышают восстановимость окислов железа на 25%, но изготовление их обходится дорого, поэтому они составляют около 50 % загрузки печи, дополняемую порошковой шихтой.

2) Восстановительная электроплавка.

При плавке необходимо, чтобы восстановление оксидов железа опережало скорость образования низших оксидов титана, поэтому плавка делится на три периода:

- период расплавления шихты. Происходит восстановление свободных окислов железа, а восстановление концентрата протекает в незначительной степени. Железо вытекает на дно печи, сверху образуется расплав шлака;

- период восстановления. Начинается интенсивное восстановление окислов железа и титана из концентрата. Но восстановление окислов железа сильно осложняется образованием сложных растворов на основе окислов титана. Для облегчения плавки в шихту задают только 2/3 рассчитанного углерода. Процесс сопровождается непрерывным кипением расплава, при этом происходит значительное выгорание восстановителя. Количество углерода в шихте сразу рассчитано на два периода: восстановительный и цикл доводки. По мере уменьшения концентрации (восстановления) FeO и повышения количества низших окислов титана, температура расплава повышается с 1400 до 1600 °С, вязкость его увеличивается, содержание закиси железа становится 8—12 %.

- период доводки шлака. К началу этого периода весь углерод восстановителя израсходовался, но в расплаве шлака еще имеются недовосстановленные окислы железа, поэтому отбирают пробу шлака для точного определения содержания закиси железа. Затем загружают в расплав остальную часть угля. Период доводки считается законченным, если шлак содержит не более 5% закиси железа. После окончания доводки шлак прогревают ещё 10—15 мин. до 1750 °С, что способствует более полному отделению его от чугуна и быстрому выпуску. Опытные металлурги готовность шлака определяют также по его цвету.

Общая продолжительность плавки составляет ≈ 4 ч.

Выплавить шлаки с концентрацией FeO менее 5 % невозможно, так как они тугоплавки и быстро застывают. Повышают скорость восстановления окислов железа введением добавок солей щелочных металлов: NaF, соды и известняка. К тому же, связующим в брикетированной шихте служит сульфитно-целлюлозный щёлок на натриевой основе, и натрий, входящий в его состав, повышает реакционную способность восстановителя. Сочетание брикетов и добавок значительно улучшают технико-экономические показатели плавки: снизить удельный расход электроэнергии и повысить производительности печи.

3) Выпуск шлака и чугуна.

Частота и регулярность выпуска шлака и чугуна оказывают большое влияние на ход плавки. Поэтому для каждой печи устанавливают график выпусков в соответствии с ее мощностью. Например, выпуск шлака на печах мощностью 7500 кВ*А производят через каждые 3,5—4 ч, а чугуна 7—8 ч.

В зависимости от мощности и конструкции, электропечи имеют одну или две лётки, для совместного или раздельного выпуска продуктов плавки. Перед выпуском расплава лётки прожигают током по всему сечению. Совместный выпуск шлака и чугуна производят в прямоугольные чугунные изложницы, футерованные шамотным кирпичом. Их устанавливают под летку каскадом, чтобы расплав мог перетекать из одной изложницы в другую. Количество изложниц определяется объемом выпускаемых из печи шлака и чугуна, при этом в первых изложницах остается чугун, имеющий большую плотность, а в последующих — шлак. При раздельном выпуске чугун выливают в футерованные шамотным кирпичом ковши, а шлак — в изложницы. После окончания выпуска шлака и чугуна лётки заделывают огнеупорными пробками из глины специальной пушкой. Затем в печь загружают новую порцию шихты и процесс повторяют.

Одинаковый выход шлака при каждом выпуске – основной признак нормальной работы печи. Нерегулярные выпуски сигнализируют о наращивании гарниссажа или его расплавлении из-за нарушения теплового баланса печи.

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. Непрерывный имеет меньший расход электроэнергии, большую производительность, его легче автоматизировать и максимально механизировать, что улучшает условия труда персонала. Но при существующем непрерывном процессе выплавляют титановые шлаки, содержащие 8—15 % закиси железа.

Выплавка низкожелезистых (менее 5%) титановых шлаков непрерывным процессом может быть осуществлена только при использовании тщательно подготовленной брикетированной или гранулированной шихты и контроля их качества. Это позволит повысить производительность печи на 10—15 % и снизить расход электроэнергии на 10—30% при одновременном увеличении срока службы печи.