» » Использование бедных по NiO2 титаномагнетитов в качестве рудной составляющей шихты современных доменных печей
03.02.2015

В нашей стране титаномагнетиты нашли широкое применение на заводах Урала в качестве сырья для производства ванадиевых чугунов. В ближайшей перспективе они станут основным сырьевым источником черной металлургии Среднего Урала. В этом фактически новом для производства чугуна технологическом процессе образуются титанистые шлаки, содержащие 5-10% TiO2 (табл. 67), а в перспективе с переходом на использование титаномагнетитовых руд Качканарского месторождения и месторождений Кытлымской группы содержание диоксида титана возрастет до 15-19%.
Разработанные уральскими учеными научные основы плавки титаномагнетитов допускают возможность получения доменных шлаков с содержанием более 40% TiO2. В этом случае доменным процессом можно перерабатывать богатые титаномагнетиты Копанской группы месторождений.
В современном доменном процессе используются титаномагнетитовые руды Гусевогорского и Первоуральского месторождений.
Использование бедных по NiO2 титаномагнетитов в качестве рудной составляющей шихты современных доменных печей

Использование бедных по NiO2 титаномагнетитов в качестве рудной составляющей шихты современных доменных печей

Гусевогорское месторождение представлено несколькими самостоятельными залежами. Главная, Северная, Западная и Промежуточная I залежи сосредоточили в своих недрах более 70% общих запасов месторождения. Остальная часть запасов сосредоточена в Промежуточных II и III, Восточной, Южной и других более мелких залежах. Вкрапленные титаномагнетитовые руды Гусевогорского месторождения разрабатываются и обогащаются Качканарским горно-обогатительным комбинатом. Опыт создания и развития Качканарского ГOKa — это исторические этапы постепенного признания титаномагнетитов в качестве металлургического сырья. Потребовались большие усилия уральских ученых, чтобы доказать экономическую целесообразность добычи, обогащения, окускования и переработки титаномагнетитов в промышленных масштабах.
В прошлом большинство металлургов сомневалось в эффективности разработки месторождений с низким содержанием железа, но производственный опыт обнаружил скрытые преимущества переработки бедного сырья, которые проявились на пути комплексного их использования с извлечением железа и ванадия. Все это способствовало постоянному и неуклонному наращиванию мощностей Качканарского ГОКа.
Накопленный ныне большой производственный опыт по разработке месторождения и обогащению руд подтвердил правильность технических и научных решений, принятых в начале освоения месторождения на основе комплексного использования титаномагнетитов. Этот опыт имеет не только большое народнохозяйственное, но и большое познавательное значение. Его надо изучать, ибо в нем отражено будущее металлургии вообще и Урала особенно, поскольку титаномагнетиты составляют надежную сырьевую базу черной металлургии в этом регионе.
На комбинате в состав рудоподготовительного комплекса входят дробильная, обогатительная и агломерационная фабрики и фабрика окатышей, участок шихтоподготовки и рудоиспытательная лаборатория. Добыча руды производится на трех карьерах: Главном, Западом и Северном. Поступающая руда, довольно однородная по содержанию железа, подвергается усреднению но текстурным характеристикам, которые определяют естественный гранулометрический состав титаномагнетита в пустой породе и обогатимость руды (табл. 68).
Использование бедных по NiO2 титаномагнетитов в качестве рудной составляющей шихты современных доменных печей

Разновидности руд внешне определяются по их текстурным характеристикам, которые положены в основу технологической классификации руд.
Усреднение руды достигается определенной схемой выемки руды на основе данных технологического картирования отдельных рудных залежей. Дробление руды производится в несколько стадий: с фракции 1300(1200) мм до фракции 25 мм. В таком виде она направляется на обогащение, которое включает сухую и мокрую магнитные сепарации. В процессе сухой магнитной сепарации производится вывод части пустой породы в виде товарного продукта щебня, а также достигается сокращение затрат на измельчение руды. В процессе мокрой магнитной сепарации образуется титаномагнетитовый концентрат для агломерации (измельчение от 0,074 до 70—75%) и грануляции (того же класса — 95%). Измельчение магнитного продукта производится в несколько стадий. На первой — в стержневых, на второй и третьей — в шаровых мельницах, последние работают в замкнутом цикле с гидроциклонами. Мокрая магнитная сепарация производится на сепараторах с различной конструкцией ванн, отвечающих различным стадиям обогащения. Процессы измельчения и обогащения протекают при самотеке основного количества пульпы от стержневых мельниц до насосных станций, выбрасывающих хвосты в шламохранилище. Обезвоживание концентрата производится первоначально на сгустителях, а затем на дисковых вакуум-фильтрах во влажности в среднем 9,5%.
Титаномагнетиты обладают повышенной магнитной жесткостью, поэтому они первоначально намагничиваются, а затем их подвергают размагничиванию. Технологическая оценка титаномагнетитовых руд включает определение обогатимости текстуры и металлургической ценности руды. Обогатимость оценивается по извлечению железа. Теоретически возможное извлечение железа при сложившейся технологии обогащения этих руд определяется содержанием железа в титаномагнетите (11 из 16% железа в руде). Значительное количество железа в руде связано с силикатами и ильменитом. В отходах обогащения силикатного и ильменитового железа — 4,5—5,5% и в хвостах обогатительной фабрики — 6,4—6,7%. Текстурная характеристика руды выражается величиной вкрапленности титаномагнетита во вмещающейся породе, а также структурами срастания. Среди них различаются структуры сидеритоплезитовая и распада твердого раствора. В случае наличия в руде первой структуры при измельчении образуется большое количество сростков, а второй — обособление титаномагнетита, представляющего собой тесное прорастание ильменита в магнетите. Текстурная классификация руды положена в основу технологической классификации руд. Важнейшие технические показатели обогащения гусевогорских руд на Качканарском ГОКе следующие: извлечение железа в концентрат — 66,1%, ванадия — 65,8%, выход титаномагнетитового концентрата —17,23%,среднее содержание железа в концентрате — 61,45%, отвальные хвосты — 6,56% Feобщ. При обогащении выделяется два вида концентратов: для агломерации с содержанием железа 60—60,5% и окомкования — 62—62,1% Feобщ.
Металлургическая ценность титаномагнетитового концентрата определяется достаточно высоким содержанием в нем железа, высокой естественной основностью и низким содержанием серы и фосфора. При обогащении с повышением содержания железа основность практически не меняется, но снижаются отношение SiO2:Al2O3 и сумма шлакообразующих оксидов по отношению к титану и магнезии. Это увеличивает вязкость шлаков при плавке концентратов, что неблагоприятно сказывается на процессе.
Таким образом, механическим обогащением гусевогорских руд, содержащих небольшое количество железа, в зависимости от структуры и тонины помола получены концентраты с содержанием от 60 до 66% Fe, Этот опыт, внедренный на Качканарском ГОКе, показал возможности и преимущества использования титаномагнетитов, которые относят, по существующим представлениям, к бедным железным рудам. Этот путь является общим для всех бедных по диоксиду титана титаномагнетитов, которые перерабатываются и будут перерабатываться методами доменной плавки, и прежде всего для Качканарского месторождения и других месторождений этой, а также Кытлымской группы, которые следует рассматривать как перспективу обеспечения уральской черной металлургии местным сырьем.
Наряду с Гусевогорским месторождением Первоуральским рудоуправлением эксплуатируется Первоуральское месторождение (участки II и III Магнитки). Обогащение руды производится методом сухой магнитной сепарации. Выход концентрата — 7,2%. Отходы обогащения — щебень, выход которого 68%.
В перспективе намечено к разработке Среднеуральским ГОКом Качканарское месторождение. Здесь предполагается перерабатывать руду с получением офлюсованных окатышей. Горнотехнические возможности Качканарского месторождения весьма благоприятны. Добыча руды на месторождении будет осуществляться с использованием современной высокопроизводительной техники. Дробление руды до 400 мм будет производиться в одну стадию и измельчение — в две. Обогащение — мокрая магнитная сепарация с получением концентрата (класс 0,074 мм, выход 97%) с содержанием железа 63%. Полученный концентрат будет подвергаться окомкованию.
Подготовка сырья к доменной плавке. Продувка сырья осуществляется методом агломерации и окомкования. Агломерации подвергается шихта, содержащая до 100% тонкоизмельченного концентрата с получением офлюсованного агломерата. Известняк и коксик измельчаются до крупности 3—0 мм, дозируются автоматически к концентрату. Смешение и окомкование осуществляется в двух барабанных окомкователях. В шихту добавляется возврат. Спекание окомкованной шихты осуществляется на аглолентах площадью 204 м2, на которую однослойно загружается шихта на постель из агломерата высотой 20—25 мм. Технологические газы очищаются в электрофильтре (по три на агломашину). Агломерационный спек подвергается дроблению, рассеву и охлаждению в чашевых охладителях.
Для успешной агломерации шихты из тонкоизмельченных концентратов применяется подогрев ее теплом горячего возврата, что увеличило производительность агломашин в среднем на 60%. Производимый Качканарским ГОКом агломерат содержит 56,6% Feoбщ, имеет основность 1,29 и содержит мелочи (5—00 мм) 10—12%.
Использование бедных по NiO2 титаномагнетитов в качестве рудной составляющей шихты современных доменных печей

Производство окатышей осуществляется на шихте, состоящей из бентонита (связка), известняка и титаномагнетитового концентрата. Последние в измельченном состоянии и заданном соотношении дозируются и смешиваются. В таком виде шихта поступает на окомкование в чашевые окомкователи диаметром 5,5 м с производительностью 36—40 т каждый. Сырые окатыши подвергаются упрочнению на агрегатах конвертерного типа — обжиговых машинах с полезной площадью спекания 432 м2. Обожженные окатыши разгружаются в чашевые охладители, где охлаждаются прососом воздуха. Охлажденные окатыши подвергаются грохочению и направляются на плавку. На комбинате разработан и внедрен интенсивный нагрев окатышей в слое высотой до 550 мм, что улучшило их металлургические свойства и повысило технико-экономические показатели доменной плавки.
Плавка титаномагнетитов в доменных печах ко-панского и кусинского типов была осуществлена в небольших доменных печах. Наиболее обнадеживающие результаты были получены при внесении в качестве флюса в шихту щелочесодержащих веществ и хлористого натрия. Характеристика доменных титанистых шлаков представлена на рис. 11. Щелочи в доменной печи, как и многие другие вещества, находятся в состоянии рециркуляции (испарение—конденсация), что способствует накоплению щелочей в зоне их конденсации. При определенных температурных условиях щелочи разрушают метатитанат железа (ильменит) с образованием титаната натрия. Развитие этого процесса облегчает восстановление оксидов железа, стабилизирует первичное шлакообразование и тормозит восстановление диоксида титана. В результате этого в горн поступают хорошо прогретые и восстановленные материалы. Восстановление титана в нем ограничивается испарением щелочей. Внесение щелочей обеспечило ровный ход доменных печей и получение титанистых шлаков, содержащих до 35% TiO2, и ванадиевого чугуна, при окислительной плавке которого образовывались ванадиевые шлаки — сырье для производства пентаоксида ванадия и феррованадия для легирования сталей ванадием. Однако использование бедных чусовогорских и первоуральских титаномагнетитов, содержащих до 3% TiO2, не вызывало необходимости добавки в шихту щелочей. Сейчас эта технология внедрена на современных печах Нижне-Тагильского металлургического комбината. При этом технико-экономические показатели работы доменных печей не уступают показателям на передельный чугун (табл. 69). При плавке титаномагнетитов был достигнут расход кокса на 13 кг/т ниже по сравнению с плавкой передельного чугуна, природного газа — на 11,6%, а кислорода — в 2,3 раза.
Использование бедных по NiO2 титаномагнетитов в качестве рудной составляющей шихты современных доменных печей

Сопоставление структуры себестоимости ванадиевого и передельного чугунов (табл. 70) показывает, что расходы по переделу в случае получения ванадиевых чугунов даже ниже по сравнению с передельным на 10,9%, но в случае ванадиевого чугуна используется более подготовленная и дорогая шихта. Данные табл. 69 и 70 показывают, что технология ванадиевых чугунов обеспечивает высокие показатели работы доменных печей, не уступающие показателям обычного передельного чугуна. Эта технология создана в результате разработки научных основ плавки титаномагнетитов в доменных печах и их использования на практике. Она основана на крупных достижениях в технологии производства чугуна, таких, как применение высокотемпературного дутья, обогащенного кислородом с добавкой природного газа, и др. Технология основана на высокой стабильности теплового баланса доменных печей с получением химически холодных и физически перегретых чугунов.
Плавка титаномагнетитов в современных доменных печах. Первоначально титаномагнетитовые концентраты использовались в практике Чусовского металлургического завода. С вводом в строй Качканарского ГОКа выплавка ванадиевых чугунов была начата на печах Нижне-Тагильского металлургического комбината. На Чусовском металлургическом заводе был накоплен большой опыт работы на титаносодержащих шихтах. Этот опыт показал, что наибольшее количество шлака и минимальные потери металла наблюдаются при оптимальном содержании кремния в металле (0,3—0,45%). Однако этот опыт Чусовского металлургического завода был недостаточным для плавки агломератов с более высоким содержанием TiO2 (см. табл. 67), который использовался на НТМК. Кроме того, переход на крупные печи объемом 1242, 1517 и 2700 м3 осложнялся спецификой более крупных печей и особенно неравномерностью распределения температур по сечению горна и др.
Использование бедных по NiO2 титаномагнетитов в качестве рудной составляющей шихты современных доменных печей

Использование бедных по NiO2 титаномагнетитов в качестве рудной составляющей шихты современных доменных печей

ИМЕТ УНЦ АН России и Нижне-Тагильский комбинат разработали и внедрили технологию плавки титаномагнетитов. В новом технологическом процессе используется хорошо подготовленная шихта, содержащая агломерат и окатыши — искусственное сырье с высокой реакционной способностью, поскольку магнетит — наиболее трудновосстановимая фаза в окатышах и агломератах — разрушается в результате развития окислительных процессов, протекающих в процессе их приготовления (в агломератах отношение Fe2O3:FeO равно 4,27—4,9, в окатышах — 20,85—45,10; табл. 71; магнетита — 2,23). Согласно технологическим требованиям, агломерат и окатыши должны быть полностью офлюсованы, содержать 56—58% Feобщ, обладать высокой прочностью и восстановимостью при низком содержании фракции 0—5 мм. Такое качество сырья позволяло, несмотря на наличие в нем титана, не снизить, как это утверждали металлурги до опыта работы НТМК, а повысить производительность печи и снизить расход кокса при выплавке ванадиевого чугуна. Характеристика доменного сырья HTMK следующая. Химический состав агломерата и окатышей представлен в табл. 71. Содержание мелкой фракции 0—5 мм в агломератах — 10,36%, в окатышах — 3,2%. Кокс содержит 11,8% золы; 0,46% серы и 1,10% летучих; прочность на барабане — 323—326 кг. Применение подготовленной шихты во многом определяет возможность доменной плавки титаномагнетитов; в этом случае улучшается газопроницаемость шихтовых материалов по высоте и сечению доменной печи, что обеспечивает эффективный теплообмен между газом и шихтовыми материалами и восстановление оксидов железа. Все это способствует тому, что к моменту плавления шихтовых материалов их восстановление на уровне заплечиков достигает 90% (рис. 29). Использование подготовленной шихты (агломерат и окатыши) изменило радиальное распределение материалов и газопотоков по сравнению с обычной плавкой. В связи с однородностью гранулометрического состава агломерата и окатышей (фракции 10-25 и 5-10 мм составляют для агломерата 60—70% и для окатышей — до 90%) регулирования хода печи ’’сверху” не представлялось возможным. При использовании 40% окатышей в шихте изменение CO2 по радиусу колошника характеризуется повышением его содержания на периферии, подъемом к центруй резким снижением в осевой зоне. При таком распределении CO2 печь работает при ослабленном периферийном и сильно развитом центральном потоке газов. При использовании близкой к однородной по фракционному составу шихты регулировать газовые потоки не представляется возможным. Изменение прочности агломерата и окатышей приводит к ослаблению периферийного и узкоцентрального потоков в печи, что сопровождается ростом перепада давления и снижением интенсивности плавки по дутью, отрывании шихты и др. При установившемся процессе плавки содержание CO2 в газе достигает 18,8% и температура колошника устанавливается 1220°С. Вдувание природного газа в доменную печь повышает в значительной степени восстановительную способность газов и развитие косвенного восстановления оксидов железа в верхних горизонтах печи. Показатель этого — уменьшение индекса прямого восстановления rd, по М.А. Павлову, до 0,25 при расходе природного газа 100 м3/т чугуна (рис. 30). Это ниже, чем в случае плавки наиболее легковосстановимых руд (обожженные сидериты имеют rd=0,25; бурые железняки — 0,4, гематиты и мартиты — 0,45—0,55. Работа доменной печи на природном газе сопровождается снижением содержания кремния в чугуне до 0,17% и титана до 0,19% при температуре чугуна 1450±10°С (рис. 31). Снижение концентрации указанных элементов благоприятствует более полному разделению чугуна и шлака, поскольку увеличение содержания титана в чугуне повышает вязкость металлического расплава в 20 раз. Природный газ влияет на тепловое состояние горна доменной печи, в котором получает развитие восстановление технологических элементов — кремния, титана, ванадия и других, — протекающее по эндотермическим реакциям. Так как энергетические затраты на восстановление указанных элементов в чугун различные, то, очевидно, изменяя расход природного газа, можно тонко регулировать тепловое состояние горна, снижая уровень теплового состояния печи и тем самым достигая ограниченного восстановления, вплоть до раздельного восстановления указанных элементов. Однако такое снижение на шлаках с основностью 1,1—1,2 приводило к осложнению доменной плавки. Для раздельного восстановления технологических элементов необходимо было понизить температуру в горне локально — в области фурменных очагов. Эти возможности открывают использование в доменном процессе природного газа. При подаче в горн 90—110 м3 газа на 1 т чугуна содержание кремния в чугуне удалось снизить до 0,17% и титана до 0,18% при практически полном восстановлении ванадия в чугун.
Использование бедных по NiO2 титаномагнетитов в качестве рудной составляющей шихты современных доменных печей
Использование бедных по NiO2 титаномагнетитов в качестве рудной составляющей шихты современных доменных печей

С.В. Шаврин выражает взаимосвязь процессов восстановления кремния и титана следующей зависимостью:
Использование бедных по NiO2 титаномагнетитов в качестве рудной составляющей шихты современных доменных печей

Стабильное тепловое состояние горна определяет не только постоянство состава чугуна по технологическим элементам, но и получение физически горячих и хорошо прогретых чугунов с температурой 1450±10°С (рис. 33). Снижение содержания титана и кремния в чугуне увеличивает межфазное натяжение на границе шлак—чугун, что способствует коагуляции капель металла и более полному отделению его от шлаковой фазы. Увеличение содержания указанных элементов повышает вязкость чугуна и их общую гетерогенность за счет карбидов и оксикарбонитридов титана в металле (до 12%). Последние, накапливаясь на границе металл—шлак, снижают межфазное натяжение и тем самым способствуют формированию малоподвижных неплавких масс. Указанные массы нарушают дренажную способность и непрерывность доменного процесса. Однако их образование имеет не только физическое, но и химическое объяснение. Изучение природы химической связи в титанатах показало, что восстановление Ti4+ → Ti3+ → Ti2+ сопровождается формированием в низших оксидах титана и шлаковых фазах на их основе металлической связи, которая в объеме титанатной фазы может быть представлена атомами одного вида -Ti-Ti-Ti- или разнородными атомами -Ti-Ti-Fe- на границе металл-шлак, что способствует развитию процесса греналеобразования и ухудшает разделение металл—шлак.
Лабораторные исследования показали, что длительная выдержка титанового шлака и чугуна в восстановительных условиях сопровождается уменьшением четко отликвированной металлической фазы. После длительной выдержки эта фаза как ликвационная прослойка полностью исчезает и образуется одна общая ’’неплавкая” масса, в которой металл образует флюидальные потоки в шлаковом объеме. При плавке титаномагнетитов в доменной печи обнаруживается определенная корреляционная связь между содержанием кремния и титана в чугуне, дренажной способностью горна и потерей железа со шлаком, причем оптимальное содержание кремния в чугуне составляет 0,35—0,45% (рис. 32). Шлаковый режим обеспечивал условия фильтрации расплава в горне доменной печи, выпуск его через шлаковую и чугунную летки, минимальные потери металла и ванадия и содержание серы в чугуне, равное 0,03%, Этому отвечали шлаки повышенной основности 1,1—1,2 с содержанием 10—12,5% MgO. Исследованиями установлена целесообразность внесения в шлак до 1,65% CaF2, однако дефицитность и высокая стоимость плавикового шпата препятствует его практическому использованию.
Использование бедных по NiO2 титаномагнетитов в качестве рудной составляющей шихты современных доменных печей

Рост содержания железа в шихте до 57—57,5% и уменьшение выхода шлака до 330—370 кг/т чугуна способствовали увеличению извлечения ванадия до 86%, росту содержания диоксида титана в шлаке и снижению коэффициента распределения серы. Выпуск чугуна и шлаковый режим находятся в тесной связи. Более частые выпуски чугуна благоприятно сказываются на процессе плавки, поэтому от 9-разового выпуска через одну летку постепенно перешли на 11-разовый выпуск через две чугунные летки. Это позволило увеличить производительность печи на 5,8%. Дутьевой режим плавки ванадиевого чугуна основе обобщения плавки его в печах различной мощности был принят равным 2,1—2,3 м3/мин на 1 м3 объема доменной печи. При плавке на малокремнистый чугун (0,22% Si) в печах большой мощности с введением в шихту 30—40% окатышей КГОКа, расходом природного газа 85—90 м3/т чугуна и перепаде фурма — колошник 0,145 мПа достигнута интенсивность дутья 1,8—1,85 м3/мин на 1 м3 доменной печи.
Температура дутья при плавке титаномагнетитов достигла 1100°C при снижении его влажности до 1%. Это способствовало экономии кокса и повышению производительности доменной печи. Имеется полная убежденность возможности повышения температуры дутья до 1200—1300°С. Применение природного газа в количестве 50 м3/т чугуна способствовало увеличению производительности на 3% и расхода кокса на 8,4%, при этом возрастало восстановление ванадия в чугун и повышалось качество чугуна. Оптимальным расходом природного газа следует считать 90 м3/т. Добавка кислорода в дутье до 26% при ограниченной возможности увеличения расхода природного газа (до 100 м3/т чугуна) оказалась неэффективной, так как это приводило к неровному сходу шихты, повышению расхода кокса и затруднениям с отработкой продуктов плавки. Следовательно, обогащение дутья кислородом должно сопровождаться соответствующим увеличением расхода природного газа и увеличением числа выпусков продуктов плавки.
В результате совместных работ HTMK и ученых Урала внедрена на печах объемом 1242—1513 м3 эффективная технология доменной плавки титаномагнетитовых агломерата и окатышей Качканарского ГОКа. Получены ’’химические холодные” чугуны со средним содержанием (в %): 0,25 — Si; 0,28 — Ti; 0,45 — V; 0,028 — S, Технико-экономические показатели доменных печей, выплавляющих ванадиевый чугун, практически не уступают показателям при плавке передельного чугуна (см. табл. 70).