CC BY
37
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧУГУНА
УДК 669.292.3: 669.054.82 Панишев Н.В., Бигеев В. А.
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОЛУПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ГЛУБОКОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ТИТАНОМАГНЕТИТОВ
Аннотация. Запасы титаномагнетитов Копанского месторождения составляют около 0,1 млрд т. Высокое содержание ТЮ2 накладывает ограничение по объему вовлечения этого сырья в доменную плавку из-за образования малоподвижных шлаков, ухудшающих ход доменного процесса. Наиболее перспективной технологией переработки титаномагнетитов является процесс 1Ттк3. Целью исследования, проведенного в лабораторных и полупромышленных условиях, являлось установление оптимальных технологических параметров процесса 1Ттк3 для получения гранулированного чугуна из титаномагнетитов. Полученные результаты испытаний могут быть использованы при производстве гранулированного чугуна в промышленном масштабе.
Ключевые слова: титаномагнетит, Копанское месторождение, ТЮ2 , доменная печь, 1Ттк3, гранулированный
чугун.
Введение
В России, являющейся нетто-экспортером железорудного сырья, в благоприятных условиях работают металлургические предприятия, расположенные в центральных регионах. В сложном положении находятся предприятия Челябинской области. Например, в ПАО «ММК», производящем 20% металла в стране, доля металла, выплавляемого из местного ЖРС, не превышает 25%.
В Челябинской области Государственным балансом запасов учтены 24 рудных месторождения железа с общим запасом руды 1269 млн т (категории А+В+С1+С2), подавляющая часть которых (995 млн т) представлена шпатовыми железняками (сидеритовыми рудами) Бакальской и Ахтенской групп, а также магнетитовыми и титаномагнетитовыми рудами Магнитогорской и Златоустовской групп (225 млн т). Прогнозные ресурсы железных руд в Челябинской области составляют около 24, млрд т, в том числе 21,2 млрд т низко- и высокотитанистые титаномагнетиты. Запасы титаномагнетитовых руд Челябинской области представлены в табл. 1 и 2 [1,2].
Других месторождений титаномагнетитов с разведанными и утвержденными запасами на территории Челябинской области нет.
Уместно отметить сложившуюся диспропорцию между производственными мощностями по добыче и переработке сырья в УрФО. Мощности по добыче отстают от мощностей по переработке в соотношении 1:2,7.
В сложившейся ситуации становится актуальной проблема вовлечения в металлургический передел
© Панишев Н.В., Бигеев В.А., 2017
первородного, но «неудобного» для традиционной технологии комплексного железосодержащего сырья.
Таблица 1
Титаномагнетитовые руды, учитываемее в Государственном балансе железных
Таблица 2
Месторождения, учитываемые в Государственном
Вследствие высокого содержания нежелательных соединений (М^О в сидеритах и ТЮ2 титаномагнетитах), затрудняющих переработку таких руд по аглодоменному маршруту, отрабатываются только два месторождения в ограниченном объеме: Бакальское - 0,7-0,8 млн т/г, Малый Куйбас - до 0,1 млн т/г. Из приведенных месторождений наибольший интерес представляет Копанское, расположенное в 15 км к востоку от г. Сатки и 30 км к юго-западу от г. Златоуста. Месторождение разведано в 1955-59 гг.
Месторождение Запасы, млн т Содержание, % Способ добычи
Бе V2O5 ^2
Копанское В+С1 103 45,1 0,57 10,89 Карьер
Малый Куйбас С1+С2 9,7 40,0 0,37 11,0-!5,0 Карьер
балансе рудной базы титановой отрасли
Месторождение Медведевское Запасы, млн т Содержание, % Способ добычи
Fe V2O5 ТО2
Титаномагнетиты В+С1 65,0 22,0 0,25 6,59 Карьер
Ильменитовые руды С1+С2 294,3 С2 133,7 40,0 0,14 7,55 Карьер
Титаномагнетитовые руды содержат 5-7% ильменита в виде зерен. Ильменит-титановые руды сложены в основном титаномагнетитом при содержании ильменита в зернах до 16%. Ильменитовые руды сложены в основном ильменитом при содержании титаномагнетита не более 15-20 %. Рудные тела выходят на дневную поверхность и прослежены на 12 км. В месторождении выделены 3 зоны: Зпадная, Главная и Восточная. Основное внимание уделено Главной зоне, которая изучена до категорий В, С1, С2. Подсчет запасов проведен до глубины 300 м. ГКЗ СССР в 1955 г. утверждены запасы титаномагнетитовых руд в количестве 102976 тыс т, пентаксида ванадия - 339 тыс т, диоксида титана -7842 тыс т (протокол N 478) - с содержанием железа -36,5%, диоксида титана - 7,62%, пентаксида ванадия - 0,33%. Запасы остальных руд составляют 751,5 млн т. Месторождение недоизучено и имеет перспективы наращивания запасов до 5-6 млрд т в основном за счет северо-восточного фланга. По соотношению объемов руд и вскрышных пород в перерабатываемой массе Копанское месторождение выгодно отличается от Медведевского (в 1,5-2 раза). По возможному объему производимых железорудных концентратов месторождение может рассматриваться как перспективная местная железорудная база.
Сущность процесса 1Ттк3
С целью вовлечения в металлургический передел местного сырья на основе титананомагнетитов в настоящей работе рассмотрена возможность применения процесса ITmk3 для получения гранулированного чугуна напрямую, минуя аглодоменный маршрут. Сущность процесса ITmk3 заключается в следующем. Гранулированный чугун получают быстрым нагревом подсушенных
Характеристики с
руднотопливных окатышей в печах с вращающимся подом (ПВП) при температурах 1350-1500оС. При этом в качестве восстановителя используется некоксующийся уголь в количестве, обеспечивающем стехиометрические потребности в углероде на прямое восстановление оксидов железа. В необходимых случаях для снижения температуры плавления пустой породы железосодержащего сырья и золы угля в шихту вводят флюсы [3-5]. В процессе термической обработки в течение 9-12 мин в результате процессов восстановления оксидов железа, науглероживания железа и шлакообразования до расплавления металла получаются гранулы металла в виде гальки и шлак в виде лепешек крупностью до 22 мм, которые разделяются друг от друга магнитной сепарацией.
Методика проведения лабораторных экспериментов
Испытания вели с титаномагнетитовым сырьем месторождения Малый Куйбас, химический состав которого близок к характеристикам
титаномагнетитового сырья Копанского
месторождения.
Для этого была отобрана проба руды массой 3 т с указанного месторождения, которую измельчили в обогатительной лаборатории ЦЛК ГОП ПАО «ММК», а затем подвергли обогащению методом мокрой магнитной сепарации в одну стадию.
В исследованиях использовали шихтовые материалы, характеристики которых приведены в табл. 3 и 4.
Таблица 3
ьевых материалов
Материал Содержание, %
Fe FeO ТО V2O5 SiO2 CaO AЮз MgO S P
Руда 31,8 21,6 9,7 0,4 24,7 5,4 8,75 4,15 0,73 0,07
Концентрат 58,6 28,9 6,4 0,67 5,27 1,1 3,26 1,3 0,52 0,02
Хвосты 15,45 14,75 11,3 0,25 36,7 8,23 12,22 5,67 0,7 0,105
Известняк 0,2 51,3 0,03 7,14
Кварцит 0,5 95,6 0,4 0,6
Зола (к-т ГОФ «Коксовая») 13,5 Fe2Oз 0,94 42,2 13,4 17,4 3,74
Зола (к-т ГОФ 0,95 54,92 3,85 23,88 11,7
«Анжерская»)
Таблица 4 Технический состав твердого топлива
Расчетным путем было установлено, что температура плавления пустой породы (первичного шлака) сырой титаномагнетитовой руды месторождения Малый Куйбас находится вблизи 1300оС (область анортита в шлаковых системах [4]). Поэтому на данном этапе шихтовку вели без каких-либо флюсов.
Для выравнивания условий теплопередачи пробы исходной руды, концентрата и хвостов обогащения, смешанных с твердым топливом и флюсами (при необходимости) совместным истиранием в фарфоровой ступке, загружали с одной и той высотой слоем с уплотнением в стеклоуглеродистые стаканы. При этом масса титаносодержащего сырья в пробах составляла 8, 10 и 6 г соответственно. Параллельно вели опыты с окатышами из этого же сырья. Окатыши изготовляли вручную с использованием муки из низкосортной пшеничной муки в качестве связующего. Перед обжигом окатыши высушивали в сушильном шкафу.
Термообработку проводили в камерной нагревательной печи «Nabertherm», позволяющей контролировать заданный темп нагрева и требуемую выдержку до 1800оС. Печь вместе с подложкой разогревали до заданной температуры, затем подложку вынимали из печи, располагали на ней исследовательские пробы в стаканах и вновь загружали в печь. Термообработку вели при температурах 1350-1500оС. Продолжительность термообработки составляла от 9 до 12 мин. После термообработки из материала выделяли и провешивали металл, шлак и неусвоенную шихту.
Методика проведения полупромышленных испытаний
С целью имитации реальных условий работы печи с вращающимся подом провели полупромышленные испытания в кузнечной печи ОАО «ММК-Метиз» после реконструкции (для повышения температуры в рабочем пространстве печи). В ходе реконструкции заменили горелочные камни, увеличили толщину футеровки. Сушку футеровки провели в течение 5 сут при температуре окружающей среды (26-28оС). Площадь пода печи
составила 0,6 м2 (до реконструкции - 0,87 м2). Для термической обработки окатышей в атмосфере продуктов горения изготовили 4 тигля-подложки с габаритными размерами 350х400х140 мм из огнеупорного бетона, состоящего из 75% наполнителей (Al2Oз+SiO2) и 25%
высокоглиноземистого цемента (Al2O3+CaO). Тигли имели полости (250х180х40 мм) для размещения в них фанерных ящиков с окатышами, уложенных на слой коксика высотой 10 мм. Окатыши крупностью 15-25 мм и массой 80 кг изготовили с помощью бетономешалки. Шихта для изготовления окатышей состояла, %: концентрат - 75,0; концентрат ГОФ «Коксовая» - 14,9; известняк - 4,5; кварцит - 4,5; мука - 1,1. После просушки окатыши укладывали в фанерные ящики. Для проведения термической обработки окатышей печь нагрели до 1500оС со скоростью 100оС/ч и вывели на непрерывный в течение 52 ч режим работы с целью сохранения футеровки. Печь обогревалась продуктами горения природного газа следующего состава, %: СН4 - 92,5 ; С2Н6 - 2 ; С3Н8 - 0,66 ; С4Н10 - 0,50 ; С5Н12- 0,15 . Тепловая мощность печи составляла 0,51 млн ккал/ч. Печь обогревали двумя инжекционными горелками ГИП 0,7 II при расходе топлива 60 м3/ч. Фанерные ящики с окатышами вместе с тиглями помещали в печь при температуре 1450-1500оС. После термической обработки тигли вынимали из печи и охлаждали вместе с продуктами термообработки в течение 4 мин на воздухе. Полученные продукты термообработки разделывались на щековой и валковой дробилке для последующего отделения металла от шлака. Из полученных продуктов были отобраны пробы на производство химического анализа. Было проведено 53 опыта, получено 20 кг гранулированного чугуна.
Обсуждение результатов экспериментов
Полученные в ходе исследований результаты и наблюдения позволяют отметить следующие особенности реализации процесса ITmk3. Важнейшую роль в этом процессе играет тщательная подготовка шихты (дозирование компонентов шихты и их смешивание). На первом этапе определяли расход твердого топлива, обеспечивающего стехиометрическую потребность в углероде на прямое восстановление железа и других элементов (табл.5). Благоприятные условия для протекания процессов восстановления и плавления шлака достигаются при температуре плавления шлака ниже 1300-1400оС, то есть до плавления металла. Зная выходы пустой породы и золы, определяли на основе анализа проекций ликвидуса четверной системы СаО-MgO-Al2Oз-SiO2 температуру плавления
Топливо Содержание, %
A V 8 С
К-т ГОФ «Анжерская» 9,9 20,1 0,45 80,96
К-т ГОФ «Коксовая» 9,7 19,5 0,4 83,7
шлакообразующей смеси. В наших опытах шлаки лежали в области анортита [4-6]. Если температура плавления превышала 1400оС, то в шихту вводили флюс в необходимом количестве. Затем все компоненты тщательно перемешивались совместным истиранием.
Таблица 5
Стехиометрический баланс углерода на прямое восстановление
Реакция С/Me
Fe O + C = Fe + CO 0,214
Fe2O3 + 4C = 3Fe + 4CO 0,286
Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO 0,321
V2O5 + 5C = 2V + 5CO 0,589
Восстановительные процессы заметно протекают при температурах выше 1100оС:
C + CO2 = 2CO FeO + CO = Fe = CO2 FeO + C + Fe + CO
(1) (2) (3)
Формирование чугуна и его плавление происходит при температурах выше 1350оС после науглероживания металла:
3Fe + C = Fe3C
3Fe +2 CO = FesC + СО2
(4)
(5)
Результаты химического анализа полученных продуктов в ходе лабораторных и полупромышленных испытаний представлены в табл. 6 и 7.
Таблица 6
Химический состав гранулированного чугуна
Содержание, %
С V Si Ti S Fe
0,067- 0,019- 0,005- 0,004- 0,146- 95,5-
2,61 0,033 0,01 0,012 0,214 98,9
Таблица 7
Химический состав шлака
Содержание, %
Fe СaO SiO2 AI2O Mg V2O TiO2 S
O 3 O 5
7,2- 13,8- 17,21 9,7- 4,03 0,31 7,56 0,09
9,7 23,8 -41,7 14,8 - - - -
3 11,5 1,84 27,1 0,56
Результаты химического состава полученного металла свидетельствуют о возможности
контролировать содержание углерода, ванадия и других элементов изменением состава шихты и температурно-временных параметров термической обработки.
Заключение
В результате проведенных экспериментов доказана принципиальная возможность получения металла из титаномагнетитов по технологии ITmk3 в условиях, максимально приближенных к промышленным (термообработка в атмосфере продуктов горения природного газа). Найдены оптимальные технологические параметры (состав шихты, температурно-временные условия термической обработки) для выполнения проектных работ по аппаратурному оформлению агрегатов процесса получения гранулированного чугуна из титаномагнетитового сырья. Расчетным путем определяли оптимальные составы шихт, обеспечивающих температуру плавления пустой породы, золы твердого топлива и флюсов не выше 1400оС, а также необходимое содержание углерода на прямое восстановление железа и ванадия. Технология позволяет получать два товарных продукта: металл, как заменитель части металлолома в сталеплавильном производстве, и шлак, как сырье в дорожном строительстве, производстве цемента и бетона. Полученные в ходе исследований результаты показали возможность получения металла как из сырого титаномагнетитового сырья, так и из продуктов его обогащения: концентрата и хвостов. А это означает, что можно избежать потерь металла с хвостами, а также затраты на их размещение в хвостохранилищах. С другой стороны, лежалые хвосты в техногенных образованиях отрасли получают перспективу вовлечения в
металлургический передел. Можно отметить и другие положительные стороны по сравнению с другими технологиями:
- пустая порода нагревается один раз;
- устраняются затраты на обслуживание огненно-
жидкого шлака, полученного из пустой породы.
Новая технология (без участия доменного,
коксохимического и агломерационного производств аналогичной мощности) позволяет существенно снизить экологическую нагрузку на окружающую среды. Так, выбросы углекислого газа, двуокиси серы, оксидов азота снижаются на 30% по сравнению с традиционными металлургическими технологиями.
Список литературы
1. Панишев Н.В., Бигеев В.А., Переработка комплексных руд Южного Урала глубокой металлизацией // Теория и технология металлургического производства. 2016. N 2(19). С. 68-70.
2. Панишев Н.В., Бигеев В.А., Дудчук И.А. Опыт, проблемы и перспективы переработки шпатовых железняков Бакальского месторождения // Теория
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧУГУНА
и технология металлургического производства. 2016. N 1(20). С. 7-15.
3. I. Kobayashi, Y. Tanigaki and A. Uragami. A new process to produce iron directly from fine ore and coal // Iron and Steelmaker. 2001. N 9. Pp. 19-22.
4. Жило Н.Л.,Формирование и свойства доменных шлаков М.: Металлургия, 1974. 120 с.
5. Panishev N.V., Dubrovsky B.A., Starikov A.I., Redin E.V. and Knyazev E.V. Direct Reduction of Ti-V Magnetite via ITmk3 Technology. Proceedings of 4th International Symposium on High-Temperature Metallurgical Processing, San Antonio, Texas, USA, March 3-7, 2013, pp. 45-48.
6. Пат. 2490332 РФ, МПК С 21 В 13/08, С 21 В 11/06.
Способ металлизации железорудного сырья с получением гранулированного чугуна/ Рашников В.Ф., Дубровский Б.А., Галкин В.В., Панишев Н.В., Князев Э.В., Авраменко В.А., Гладских В.И., Кошкалда А.Н., Борисенко В.А., Гаврилов А.В.; заявитель и патентообладатель ОАО «ММК» (Ки). N 2011149500; заявл. 05.12.2011, опубл. 20.08.2013.
Сведения об авторах
Панишев Николай Васильевич - канд.техн.наук, доц. кафедры ТМ и ЛП, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова». Магнитогорск, Россия. E-mail: n.рanishev@,magtu.ru
Бигеев Вахит Абрашитович - д-р техн.наук, проф. кафедры ТМ и ЛП, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова». Магнитогорск, Россия. E-mail: [email protected]
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
LAB SCALE AND SEMICOMMERCIAL RESEARCHES ON DEEP METALLIZATION OF TI MAGNETITES
Panishev Nikolay Vasilyevich - Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected]
Bigeev Vakhit Abdrashitovich-D.Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: v.bigeevl 1 @yandex.ru
Abstracts. The capacity of the Kopanskoe deposit of iron ore bearing Ti magnetite is about 0.1 billion tones. This ore cannot be fully processed via blastfurnace technology because of high content of TiO2. If a lot of TiO2 enters the blastfurnace, slag becomes viscous. The viscous slag is obstacle for stable operation of the blastfurnace. Most perspective technology of Ti magnetite ore processing is ITmk3. The main objective of investigations is to establish optimum operation conditions for the production of iron nuggets from Ti magnetite ore via ITmk3 by means of the lab scale testing as well as the semicommercial research. This preliminary test work provides valuable information which may be used for large-scale testing in a commercially sides rotary hearth furnace.
Keywords: Ti Magnetite, Kopanskoe Deposit, TiO2, Blast Furnace, ITmk3, Iron Nugget.
Ссылка на статью:
Панишев Н.В., Бигеев В.А. Лабораторные исследования и полупромышленные испытания глубокой металлизации титаномагнетитов// Теория и технология металлургического производства. 2017. №4(23). С. 4-8.
Panishev N.V., Bigeev V.A. Lab scale and semicommercial researches on deep metallization of ti magnetites. Teoria i tehnologia metallurgiceskogo proizvodstv. [The theory and process engineering of metallurgical production]. 2017, vol. 23, no. 4, pp. 4-8.
