Курсовая работа: Проектирование отделения восстановительной электроплавки ильменитового концентрата
- восстановление концентратов с использованием в качестве восстановителя углерода или его газообразных соединений;
- выделение из титановых концентратов железа и других примесей с помощью выщелачивания.
В работе [7] рассмотрено восстановление водородом при 700-900°С тонко измельчённой механической смеси Fe2 O3 + 3TiO2 (соответствует по составу аризониту) аризонитового и ильменитового концентратов. Результаты исследований показывают, что наиболее легко восстанавливается железо, входящее в состав механической смеси.
Проведены исследования по восстановительному обжигу ильменитовых концентратов различного происхождения и состава с использованием в качестве восстановителя технического водорода. Опыты проводились в кварцевом реакторе при температуре 700-1200°С. Были сделаны следующие выводы: восстановление концентрата, в котором титан находиться в основном виде аризонита протекает лучше с заметной скоростью уже при температуре 700°С, при 900°С и выдержке 2 ч свыше 90% содержащихся в концентрате оксидов железа восстанавливаются до металла. Дальнейшее увеличение температуры и выдержки не оказывают существенного влияния на степень восстановления железа.
В результате восстановительного обжига при указанных условиях магнитная восприимчивость возросла в несколько десятков и сотен раз (в виду разного состава).
При этом присутствующий в концентрате хромит при восстановительном обжиге практически не повышает своей магнитной восприимчивости. Это позволяет достаточно полно отделить его от ильменита в процессе магнитной сепарации.
Указанные обстоятельства представляют особый интерес, так как могут открыть возможность для использования титанового сырья с повышенным содержанием хрома для производства пигментного диоксида титана и металла.
Исследования восстановления ильменита углеродом и его соединениями рассмотрены рядом авторов [4,8,9].
Опыты проводили в вакууме при непрерывной откачке газообразных продуктов. Восстановление ильменита начинается при более высоких температурах и протекает медленнее, чем восстановление оксида двухвалентного железа: при 1150°С и выдержке 15 ч восстановилось до металла только 85% входящей в состав ильменита закиси железа. В присутствии СО и при увеличении её парциального давления скорость восстановления возрастает, причём наиболее заметно при одновременном присутствии твёрдого углерода и СО. Восстановление TiO2 до низших окислов (Ti2 O5 , Ti2 O3 ) наблюдалось только при температуре 1150°С и выше при большом избытке восстановителя.
По результатам этих опытов сделан вывод, что ильменит восстанавливается в основном за счёт взаимодействия с СО без разложения его на TiO2 и FeO. Восстановление FeO ускоряет восстановление, связанной с ним в ильмените TiO2 . Тормозящее влияние на скорость восстановления ильменита оказывают добавки SiO2 , Al2 O3 , Fe3 O4 , что объясняется уменьшением реакционной поверхности материала из-за образования силикатов, алюминатов и ферритов. Соли же щелочных металлов (особенно поташ) активизируют процесс.
Отмечается [8] ступенчатый характер восстановления TiO2 из ильменита до низших оксидов по реакциям:
FeO · TiO2 + C = Fe + TiO2 + CO, ΔG°T = 37900 - 33,88T
3/4FeO · TiO2 + C = 3/4Fe + 1/4Ti3 O5 + CO, ΔG°T = 40106 + 36,39T
2/3FeO · TiO2 + 2CO = 2/3Fe + 1/3Ti2 O3 + 2CO2 , ΔG°T = 42434 - 36,87T
1/2FeO · TiO2 + C = 1/2Fe + 1/2TiO + CO, ΔG°T = 53684 + 37,62T
Образующиеся в процессе восстановления полутораоксид и монооксид титана при повышении температуры растворяются в решётке ильменита с образованием однофазных твёрдых растворов, что осложняет восстановление оксида двухвалентного железа из ильменита.
В лабораторных условиях изучено восстановление индивидуальных ильменита и титаномагнетита оксидом углерода и металлургическим коксом при 800-1100°С [4].
Установлено, что восстановление указанных титанатов оксидом углерода носит сорбционный характер и при 900°С протекает при селективном восстановлении магнетита, входящего в состав титаномагнетита, причём эта селективность сохраняется до достижения степени восстановления железа около 30%.
При восстановлении в тех же условиях титанатов твёрдым углеродом процесс протекает также в широким развитием сорбционных явлений. Однако здесь не наблюдается селективного восстановления магнетита вследствие протекания реакций Будуара с образованием в сорбционном слое газовой фазы с более высоким содержанием СО, что приводит к одновременному восстановлению магнетита и ильменита.
На основании полученных в работе [9] данных об изменении энергии активации процесса сделано заключение, что восстановление титанатов оксидом углерода и твёрдым углеродом протекает в кинетической, переходной и диффузионной областях и что наиболее высокая скорость процесса наблюдается в кинетической области.
В промышленных условиях поддержание реакции в кинетической области может быть достигнуто, в частности, за счёт брикетирования шихты и проведения процесса при быстром её разогреве, особенно в условиях кипящего слоя.
Вопросы, представляющие интерес для изучения процесса восстановительного обжига титановых концентратов, рассмотрены в ряде работ [4,8,9]. Во многих исследованиях отмечается целесообразность окислительного обжига ильменитовых концентратов перед их восстановительным обжигом [4,8]. Предварительный окислительный обжиг концентратов позволяет перевести двухвалентное железо в трёхвалентное и ослабить структуру ильменита, что приводит к повышению его химической активности. Кроме того, в результате окислительного обжига на поверхности зёрен ильменита образуется пористая плёнка, предотвращающая их спекание при последующем восстановительном обжиге. По данным работы [4], окислительный обжиг проводился при 900-950°С и продолжительность выдержки 1,5 ч с использованием в качестве окислителя воздуха с добавкой 10% О. По данным других работ, окисление ильменитового концентрата может осуществляться при 1000°С и выдержке 3 ч с добавлением в шихту около 1% пиролюзита.
В промышленных условиях процессы окислительного и восстановительного обжига ильменитового концентрата, содержащего, %: TiO2 52-56; FeO 16-19; MnO 1,3-1,5. Рентгеновский дифракционный анализ показал, что при окислительном обжиге во вращающейся трубчатой печи при 1000-1030°С образуются оксиды типа FeTi2 O5 , Fe2 TiO5 и MnTiO5 . В процессе восстановления обожённого таким образом материала в аналогичной печи с использованием в качестве восстановителя кокса и прохождения материала в течение 8 ч через температурные зоны печи (<1000, <1100, 1100 и >1100°С) происходит восстановление железа до металла и части TiO2 до низших оксидов титана, образующих при взаимодействии с ильменитом твёрдые растворы [4].
1 Расчёт технологических процессов
1.1 Расчёт материальных потоков, материальный баланс
Химический состав концентрата, (%): TiO2 –52,6; ZiO2 –1,53; Cr2 O3 –3,75; Fe2 O3 –29,4; FeO –3,46; SiO2 –4,46; Al2 O3 –3,9; Mg –0,52; MnO –2,65; V2 O5 –0,14; P2 O5 –0,04; S -0,056.
1. Расчёт выполнен на 100 кг концентрата .
Таблица 1- Распределение компонентов при плавки.
| Компонент | Перейдёт в шлак | Перейдёт в металл | Улетучиться из РТП |
| TiO2 | 97,97 | 0,03 | 2,0 |
| ZiO2 | 98,0 | - | 2,0 |
| SiO2 | 65,0 | 15,0 | 20,0 |
| Al2 O3 | 98,0 | - | 2,0 |
| Cr2 O3 | 86,0 | 11,0 | 3,0 |
| Fe2 O3 | 14,0 | 84,0 | 2,0 |
| MnO | 83,0 | 2,0 | 15,0 |
| MgO | 98,0 | - | 2,0 |
| V2 O5 | 91,0 | 6,0 | 3,0 |
| S | 41,0 | 15,0 | 44,0 |
| FeO | 7,0 | 92,0 | 1,0 |
| P2 O5 | 31,0 | 46,0 | 23,0 |
Таблица 2 - Распределение компонентов по продуктам плавки
| Компонент | Перейдёт в шлак | Перейдёт в металл | Улетучиться из РТП |
| TiO2 =52,6 | 52,6·0,9797=51,532 | 52,62·0,03·0,01=0,016 | 52,62·0,02=1,052 |
| Fe2 O3 =29,4 | 29,4·0,14=4,116 | 29,4·0,84=24,696 | 29,4·0,02=0,588 |
| FeO = 3,46 | 3,46·0,07=0,242 | 3,46·0,92=3,183 | 3,46·0,01=0,035 |
| SiO2 = 4,46 | 4,46·0,65=2,899 | 4,46·0,15=0,669 | 4,46·0,2=0,892 |
| Al2 O3 = 3,9 | 3,9·0,98=3,822 | - | 3,9·0,02=0,078 |
| Cr2 O3 = 3,75 | 3,75·0,86=3,225 | 3,75·0,11=0,413 | 3,75·0,03=0,113 |
| ZiO2 = 1,53 | 1,53·0,98=1,499 | - | 1,53·0,02=0,031 |
| MnO = 2,65 | 2,65·0,83=2,199 | 2,65·0,02=0,053 | 2,65·0,15=0,398 |
| MgO = 0,52 | 0,52·0,98=0,510 | - | 0,52·0,02=0,01 |
| V2 O5 = 0,14 | 0,14·0,91=0,127 | 0,14·0,06=0,08 | 0,14·0,03=0,004 |
| P2 O5 = 0,04 | 0,04·0,31=0,012 | 0,04·0,46=0,018 | 0,04·0,23=0,009 |
| S = 0,056 | 0,056·0,41=0,023 | 0,056·0,95=0,008 | 0,056·0,44=0,025 |