CC BY
64
669.053.2+661.88
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВЯЗКОСТЬ ВЫСОКОТИТАНИСТЫХ ШЛАКОВ
А.В. Асанов, И.В. Аношкин, Н.В. Мальков, А.В. Сенин, А.В. Рощин
Железотитановые руды Южно-Уральских месторождений относятся к среднетитанистым. Отношение Бе/ТЮг в концентратах из этих руд составляет 4...6. В связи с этим получение чугуна из них в доменных печах практически не возможно [1].
Южно-Уральские железотитановые концентраты предлагается перерабатывать по двухстадийной схеме, предусматривающей на первой стадии карботермическую твердофазную металлизацию концентрата, а на второй - жидкофазное разделение продукта металлизации на ванадиевый чугун и титановый шлак [2]. Полнота протекания процесса жидкофазного разделения металла и шлака в значительной степени определяется вязкостью образующегося шлака.
В связи с этим целью данной раздела работы является экспериментальное исследование влияния химического состава и температуры на вязкость шлаков системы ТЮ2-Са0-8Ю2-Ре0-М§0-А120з и получению математической зависимости вязкости шлака от его состава в виде полинома п-й степени:
У^Ьд+^Цх, +^ЬУХ'^
I ^*J
где у - параметр оптимизации шлака (вязкость); х, - процентное содержание компонентов; Ь1 - коэффициенты полинома, характеризующие влияние компонента шлака на параметр оптимизации; Ъ9 - коэффициенты парного взаимодействия компонентов.
Ранее проводились исследования свойств шлаков флюсовой плавки титаномагнетитовых руд в РВП, содержащих около 60 % -ТЮ2. Шлаки бес-флюсовой плавки содержат до 90 % ТЮ2. Свойства этих шлаков не исследовались.
В данной работе изучали свойства шлаков содержащих от 55 до 95,5 % ТЮ2.
Для определения влияния компонентов шлака на вязкость и температуру затвердевания и нахождения уравнений связи свойств шлака с его составом в виде полинома в работе был применен метод полного факторного эксперимента (ПФЭ) [3]. Для выполнения ПФЭ была составлена матрица планирования. Базой для составления матрицы служил химический состав шлака, полученный в результате расчета материального баланса процесса переработки железотитанового концентрата по двухстадийной схеме и в результате лабораторных экспериментов по реализации двухстадийной схемы [2].
При расчете материального баланса и в лабораторных экспериментах использовался медведев-ский железотитановый концентрат, содержащий 58 % Беобщ, 12,6 % ТЮ2, 0,8 % У205, 3,0 % 8Ю2,
0,15 % СаО, 1,8 % М§0, 0,2 % МпО, 0,3 % Сг2Оэ, 2,6 % А12Оэ и челябинский коксик. При расчете материального баланса считали (и это было подтверждено лабораторными экспериментами), что при твердофазном восстановлении степень восстановления железа и ванадия 100%, а титана 0 %. Шлак, получаемый при жидкофазном разделении металлизированного концентрата содержит 5,0 % БеО, 15,0 % БЮг, 10,0 % СаО, 10,0 % А1203, 2,0 % М§0, 58,0 % ТЮ2.
Изменяющимися добавками при составлении матрицы планирования являлись содержания оксидов БеО, СаО, БЮг, А1203 в расплаве. Матрица ПФЭ содержит 16 опытов плана (таблица).
Химический состав опытных шлаков
Номер шлака Содержание компонентов, %
БеО 8Ю2 СаО А1203 МйО ТЮ2
1 5 15 10 10 2 58
2 0,5 15 10 10 2 62,5
3 5 2 10 10 2 71
4 0,5 2 10 10 2 75,5
5 5 15 0 10 2 68
6 0,5 15 0 10 2 72,5
7 5 2 0 10 2 81
8 0,5 2 0 10 2 85,5
9 5 15 10 0 2 68
10 0,5 15 10 0 2 72,5
11 5 2 10 0 2 81
12 0,5 2 10 0 2 85,5
13 5 15 0 0 2 78
14 0,5 15 0 0 2 82,5
15 5 2 0 0 2 91
16 0,5 2 0 0 2 95,5
Температура, °С
Рис. 1. Влияние температуры на вязкость опытных шлаков. Цифры у линий - номера шлаков в таблице
Для исследования вязкости опытных шлаков в работе использовали вибрационный вискозиметр [4].
Опытные шлаки составлялись из химически чистых оксидов ТЮ2, Ре203, СаО, М§0, 8Ю2,
Л1203.
Результаты определения вязкости приведены на рис. 1. Характер зависимости вязкости от температуры свидетельствует о том, что опытные шлаки короткие с высокой кристаллизационной способностью, вязкость их при охлаждении резко увеличивается в узком температурном интервале.
Для обработки полученных данных была применена методика полного факторного эксперимента.
Это позволило получить математическую зависимость вязкости от его состава для температуры 1800 °С. Она имеет вид:
А1? = - 0,58 (%РеО) + 0,05 (%8Ю2) -- 0,28 (%СаО) + 0,1 (%А1203).
Вязкость опытных шлаков уменьшается при увеличении в них содержания СаО, 8Ю2, БеО, а увеличение содержания А12Оэ приводит к повышению вязкости шлаков.
Для анализа полученных в экспериментах результатов при помощи программного комплекса «ТЕЮ1А»[5] был выполнен термодинамический анализ процессов, протекающих в жидком шлаке при температуре 1500... 1850 °С и общем давлении в системе равном 1 атм. Установлено, что в исследованном температурном интервале в шлаке могут присутствовать ТЮ2, Т1305, Т1407, Т1203 и туго-
плавкие титанаты алюминия и магния (рис. 2). Температура плавления А1203 ТЮ2 - 1860 °С, МёО ТЮ2 - 1680 °С, Мё0-Т1203 - 1658 °С [6].
Температура, °С
Рис. 2. Влияние температуры на содержание в шлаке ТЮ2 (1), А12ТЮ5 (2), ТЪ05(3), ТЦОг (4), Т|г03 (5), МдТЮз (6), МдТЬ06(7)
Вязкость титановых шлаков определяется присутствием в расплаве титанокислородных анионов [7]. Соотношение эффективных ионных радиусов ТГ4 (0,64 А) и 0~2 (1,32 А) равно 0,485, что отвечает координационному числу 6 . Таким образом, титан в шлаковом расплаве может образовывать комплексный анион ТЮ^8, который является структурной составляющей химического соединения Т1305 (аносовит).
8
Вестник ЮУрГУ, № 9, 2008
Асанов А.В., Аношкин И.В., Мальков Н.В., Сенин А.В., Рощин А.В.
Влияние химического состава и температуры на вязкость высокотитанистых шлаков
Благодаря близости структурных комплексов (ТЮ^8 ) в жидком и твердом состоянии титановые шлаковые расплавы имеют высокую кристаллизационную способность. Анион (ТЮ68) аналогично (5Ю44 ) является простым структурным образованием в расплаве, что обусловливает низкую вязкость жидких титановых шлаков.
Аносовит имеет сложный состав. Примеси, содержащиеся в шлаке, находятся в нем в виде твердого раствора. Возможны следующие варианты изоморфизма: ТГ4 + Т\2 = 2ТТ1'3; ТГ,3+->А1+3, Ре+3, Сг+3; ТГ2~Ре+2, Мп+2, М£+2.
Замена Тл+3 на А1+3 способствует увеличению вязкости расплава. Содержащийся в расплаве А1203 образует простые и не громоздкие анионы
А1С>69 . Аналогично аниону ТЮ68 они не должны увеличивать вязкость шлакового расплава. Однако при температуре плавкости вязкость высокотитановых шлаков определяется не только наличием сложных структурных комплексов, но и количеством взвеси кристалликов титановых минералов, их размерами, температурой плавления. Примеси, уменьшающие температуру плавления аносовита, будут уменьшать вязкость шлакового расплава (РеО), а примеси, повышающие температуру плавления, будут увеличивать вязкость шлакового расплава (А 1203 и М§0) [7].
Таким образом, в результате выполненной работы исследовано влияние химического соста-
ва на вязкость синтетических шлаков системы Са0-Ре0-А1203-8Ю2-М§0-ТЮ2. Получена математическая зависимость вязкости от состава. В результате реализации ПФЭ определено влияние каждого компонента расплава на вязкость сложной системы.
Литература
1. Пирометаллургическая переработка комплексных руд / Л.И. Леонтьев, Н.А. Ватолин, С. В. Шаврин, Н.С. Шумаков - М.: Металлургия, 1997.-432 с.
2. Рощин, А.В. Селективное восстановление и пирометаллургическое разделение металлов титаномагнетитових руд / А.В. Рощин, В.П. Грибанов, А.В. Асанов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». — 2006.
3. Монтгомери, Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных /Д.К. Монтгомери; пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1980. - 384 с.
4. Верушкин, В.В. Высокотемпературный вискозиметр для исследования вязкости рсплавов тугоплавких шлаков /В.В. Верушкин, В.П. Грибанов.
5. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов/ Г.Б. Синя-рев, Н.А. Ватолин, Б.Г. Трусов, Г.К. Моисеев. - М.: Наука, 1982. - 263 с.
6. Атлас шлаков: справ, изд. / пер. с нем. - М: Металлургия, 1985. — 208 с.
7. Резниченко, В.А. Электротермия титановыхруд/В.А. Резниченко. - М.: Наука, 1969. -207 с.
