BR112018010072B1

BR112018010072B1 - METHOD FOR PREPARING A PRE-REDUCED ILMENITE ORE FOR Smelting

Info

Publication number: BR112018010072B1
Application number: BR112018010072-2A
Authority: BR
Inventors: Kabwika Bisaka; Xolisa Goso; Itumeleng Thobadi
Original assignee: Mintek
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2021-12-21
Also published as: RU2018118796A; CA3005810C; CA3005810A1; CN108699624B; RU2018118796A3; AU2016355732A1; RU2720788C2; WO2017087997A1; EP3377659A1; BR112018010072A2; SA518391616B1; AU2016355732B2; CN108699624A; EP3377659B1; ZA201803241B

Abstract

processo melhorado de fundição de ilmenita. um método para preparar um minério de ilmenita pré-reduzido para fundição, em que os óxidos metálicos contidos no minério são seletivamente reduzidos em reações de estado sólido sobre óxido de titânio, o método incluindo a etapa de pré-redução de grãos à base de carbono do minério.improved ilmenite smelting process. a method for preparing a pre-reduced ilmenite ore for smelting, wherein the metal oxides contained in the ore are selectively reduced in solid state reactions over titanium oxide, the method including the carbon-based grain pre-reduction step of the ore.

Description

FUNDAMENTALS OF THE INVENTION

[0001] A presente invenção refere-se a um processo consolidado para a preparação de grãos de ilmenita à base de carbono, a redução de estado sólido dos mesmos e a subsequente fundição dos mesmos em um forno elétrico.[0001] The present invention relates to a consolidated process for the preparation of carbon-based ilmenite grains, their solid state reduction and subsequent smelting of them in an electric furnace.

[0002] A fundição de ilmenita consome quantidades substanciais de energia elétrica. Adicionalmente, a operabilidade do forno pode ser dificultada devido a efeitos de espumação.[0002] Smelting ilmenite consumes substantial amounts of electrical energy. Additionally, oven operability may be hampered due to foaming effects.

[0003] A alimentação para o forno de fundição é geralmente feita de minério bruto de ilmenita e um redutor carbonáceo sólido. A ilmenita crua, em um processo particular, é substituída por grãos de ilmenita pré-reduzidos. As etapas para o processo de produção desses últimos são preparar grãos de ilmenita usando bentonita e pré-reduzir os grãos em um forno rotativo na presença de um redutor carbonáceo sólido em excesso. A fundição dos grãos de ilmenita pré-reduzidos é assim realizada em um forno de AC (corrente alternada). A escória de TiO2 produzida dessa forma é, no entanto, contaminada com a bentonita, que é um aglutinante inorgânico.[0003] The feed to the smelter is generally made from raw ilmenite ore and a solid carbonaceous reductant. Raw ilmenite, in a particular process, is replaced by pre-reduced ilmenite grains. The steps for the production process of the latter are to prepare ilmenite grains using bentonite and pre-reduce the grains in a rotary kiln in the presence of an excess solid carbonaceous reductant. The smelting of the pre-reduced ilmenite grains is thus carried out in an AC (alternating current) furnace. The TiO2 slag produced in this way is, however, contaminated with bentonite, which is an inorganic binder.

[0004] Um objetivo da presente invenção é fornecer um processo alternativo para pré-redução de um minério visando essencialmente à metalização de óxidos de ferro contidos no minério.[0004] An objective of the present invention is to provide an alternative process for pre-reduction of an ore essentially aiming at the metallization of iron oxides contained in the ore.

SUMMARY OF THE INVENTION

[0005] A invenção fornece um método para preparar um minério de ilmenita pré-reduzido para fundição em que os óxidos metálicos, tais como óxidos de ferro, cromo e manganês contidos no minério são seletivamente reduzidos em reações de estado sólido sobre óxido de titânio, o método incluindo a etapa de pré-redução de grãos à base de carbono do minério.[0005] The invention provides a method for preparing a pre-reduced ilmenite ore for smelting in which metal oxides, such as oxides of iron, chromium and manganese contained in the ore are selectively reduced in solid state reactions over titanium oxide, the method including the carbon-based grain pre-reduction step of the ore.

[0006] Os óxidos metálicos, com exceção dos óxidos de titânio, nos grãos podem ser pré-reduzidos em uma extensão máxima, ou seja, essencialmente na totalidade ou podem ser parcialmente pré-reduzidos.[0006] Metal oxides, with the exception of titanium oxides, in the grains can be pre-reduced to a maximum extent, that is, essentially entirely or they can be partially pre-reduced.

[0007] Os grãos podem ter um tamanho inferior a 6 mm e, de preferência, situam-se no intervalo de 2 mm a 5 mm.[0007] The grains may have a size of less than 6 mm and are preferably in the range of 2 mm to 5 mm.

[0008] Os grãos podem ser preparados a partir de uma blenda de proporções requeridas do minério, finos de carvão de -106 micrômetros e um aglutinante orgânico adequado.[0008] Grains can be prepared from a blend of required proportions of ore, coal fines of -106 micrometers and a suitable organic binder.

[0009] A razão do carvão para o teor de óxido metálico pode ser determinada de forma prática. Por exemplo, pode ser usada uma razão estequiométrica para a redução total de ferro no minério.[0009] The ratio of coal to metal oxide content can be practically determined. For example, a stoichiometric ratio for the total reduction of iron in the ore can be used.

[0010] O teor de aglutinante orgânico pode estar no intervalo de 0 a 1%. Esse teor pode ser ditado pelas propriedades físicas dos grãos resultantes, principalmente a resistência dos grãos em um estado verde e em um estado seco ou endurecido ao ar. Os grãos podem ser endurecidos ao ar durante pelo menos 4 dias. Esse período é geralmente adequado para garantir que os grãos sejam suficientemente fortes para permitir seu manuseio seguro e eficiente aos reatores de pré-redução subsequentes. A resistência mecânica dos grãos é de preferência superior a 600N. Os grãos também devem ter um comportamento aceitável em um ambiente de reator quente para evitar a decrepitação devido ao inchaço excessivo.[0010] The content of organic binder can be in the range of 0 to 1%. This content can be dictated by the physical properties of the resulting beans, particularly the strength of the beans in a green state and in a dry or air-hardened state. The beans can be air-hardened for at least 4 days. This period is generally adequate to ensure that the beans are strong enough to allow them to be safely and efficiently handled by subsequent pre-reduction reactors. The mechanical strength of the grains is preferably greater than 600N. The grains must also perform acceptable in a hot reactor environment to avoid decrepitation due to excessive swelling.

[0011] Um aglutinante único ou uma mistura de aglutinantes pode ser usado. A invenção não é limitada a esse respeito.[0011] A single binder or a mixture of binders can be used. The invention is not limited in this respect.

[0012] Os grãos pré-reduzidos são avaliados com base na extensão da redução dos óxidos de ferro contidos no minério. De preferência, o óxido de ferro deve estar presente em uma quantidade inferior a 10% do teor inicial. No entanto, um rendimento consistente de pré-redução deve ser um alvo principal durante uma operação normal e estável.[0012] The pre-reduced grains are evaluated based on the extent of reduction of the iron oxides contained in the ore. Preferably, the iron oxide should be present in an amount of less than 10% of the initial content. However, consistent pre-reduction performance should be a prime target during normal, stable operation.

[0013] Os grãos podem ser submetidos a um processo de redução térmica ou a um processo de redução híbrido de estado sólido.[0013] The grains can be subjected to a thermal reduction process or a solid state hybrid reduction process.

[0014] Os grãos, secos e endurecidos ao ar, podem ser aquecidos em um reator de leito fixo em um tempo de residência ideal que pode situar-se em um intervalo de 0,5 a 4 horas.[0014] The grains, dried and air-hardened, can be heated in a fixed bed reactor at an ideal residence time that can be in a range of 0.5 to 4 hours.

[0015] Se uma etapa de pré-redução térmica for adotada, os grãos podem ser aquecidos a uma temperatura no intervalo de 1100 a 1200°C.[0015] If a thermal pre-reduction step is adopted, the beans can be heated to a temperature in the range of 1100 to 1200°C.

[0016] Se a etapa de pré-redução híbrida em estado sólido for adotada, então, os grãos podem ser aquecidos a uma temperatura no intervalo de 900 a 1000°C em uma atmosfera controlada de um gás redutor.[0016] If the solid state hybrid pre-reduction step is adopted, then the beans can be heated to a temperature in the range of 900 to 1000°C in a controlled atmosphere of a reducing gas.

[0017] O gás redutor pode compreender um ou mais dos seguintes: CO, gás de síntese (CO + H2), gás natural e hidrogênio.[0017] The reducing gas may comprise one or more of the following: CO, synthesis gas (CO + H2), natural gas and hydrogen.

[0018] Se um reator de leito fixo é usado, então o gás redutor pode ser filtrado através de uma carga quente no reator. A vazão de gás redutor deve ser selecionada para obter um rendimento de redução adequado dos óxidos de ferro no minério, bem como o desempenho aceitável da operação do reator.[0018] If a fixed bed reactor is used, then the reducing gas can be filtered through a hot charge in the reactor. The flow rate of reducing gas must be selected to obtain an adequate reduction yield of iron oxides in the ore, as well as acceptable performance for reactor operation.

[0019] A invenção encontra aplicação particular na preparação de microgrãos de ilmenita pré-reduzidos à base de carbono que devem ser fundidos, por exemplo, em um forno de arco aberto de DC (corrente contínua). No entanto, os princípios da invenção podem ser utilizados para a pré-redução de grãos de minérios titaníferos de magnetita, ferrocromo e ferromanganês para a produção subsequente de escória de titânia, crómio e manganês, respectivamente.[0019] The invention finds particular application in the preparation of pre-reduced carbon-based ilmenite micrograins which are to be melted, for example, in a DC (direct current) open arc furnace. However, the principles of the invention can be used for the pre-reduction of titaniferous ores of magnetite, ferrochrome and ferromanganese for the subsequent production of titania, chromium and manganese slag, respectively.

[0020] Foi feita referência ao aquecimento dos grãos secos ao ar em um reator de leito fixo. Serve apenas de exemplo e não é limitativo. Um leito móvel e um forno rotativo podem ser empregados no lugar do reator de leito fixo, em um estágio de pré-redução. É importante que a abrasão dos grãos seja minimizada e que seja possível separar os finos pré-reduzidos a partir de outro material, por exemplo, através do uso de técnicas magnéticas ou equivalentes.[0020] Reference was made to heating air-dried grains in a fixed bed reactor. It serves as an example only and is not limiting. A moving bed and rotary kiln can be used in place of the fixed bed reactor, in a pre-reduction stage. It is important that grain abrasion is minimized and that it is possible to separate the pre-reduced fines from another material, for example through the use of magnetic or equivalent techniques.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING

[0021] A invenção é ainda descrita a título de exemplo com referência às figuras anexas em que; A Figura 1 ilustra no fluxograma a pré-redução de micropartículas de ilmenita à base de carbono e a sua subsequente fundição; A Figura 2 é um diagrama representando um impacto do tempo de permanência sobre os graus de pré-redução e metalização a 1000°C e 0,5 l CO / min; e A Figura 3 é um diagrama que representa um impacto da vazão de CO nos graus de pré-redução e metalização a 1000°C e 1h de tempo de residência.[0021] The invention is further described by way of example with reference to the accompanying figures in which; Figure 1 illustrates in the flowchart the pre-reduction of carbon-based ilmenite microparticles and their subsequent smelting; Figure 2 is a diagram depicting an impact of residence time on pre-reduction and metallization grades at 1000°C and 0.5 l CO/min; and Figure 3 is a diagram representing an impact of CO flow on pre-reduction and metallization degrees at 1000°C and 1h residence time.

DESCRIPTION OF THE PREFERRED MODALITY

[0022] A invenção é descrita a seguir com referência à pré- redução de microgrãos de ilmenita à base de carbono. Embora esta seja uma aplicação preferencial dos princípios da invenção, é possível adaptar os princípios descritos neste documento para a pré-redução de minérios titaníferos de magnetita, ferrocromo e ferromanganês.[0022] The invention is described below with reference to the pre-reduction of carbon-based ilmenite micrograins. While this is a preferred application of the principles of the invention, it is possible to adapt the principles described herein for the pre-reduction of titaniferous ores of magnetite, ferrochrome and ferromanganese.

[0023] O minério de ilmenita bruto 10 de um tamanho adequado é alimentado a um misturador 12. O misturador também recebe finos de carvão 14 de -106 micrômetros de tamanho e um aglutinante orgânico 16 formado a partir de um único aglutinante ou de uma composição de aglutinante mista.[0023] Crude ilmenite ore 10 of a suitable size is fed to a mixer 12. The mixer also receives coal fines 14 of -106 micrometers in size and an organic binder 16 formed from a single binder or a composition of mixed binder.

[0024] A razão entre o carvão de entrada e a ilmenita é determinada levando-se em conta considerações práticas. Por exemplo, uma razão estequiométrica que consegue uma redução total de ferro no minério de ilmenita pode ser usada. Além disso, a entrada de aglutinante orgânico ou misturas de aglutinantes orgânicos, no intervalo de até 1%, é ditada pelas propriedades físicas dos grãos resultantes, particularmente, as resistências em verde e secas ao ar dos grânulos. Os grãos resultantes também devem ter um comportamento aceitável (subsequentemente) em um ambiente de reator quente para evitar a decrepitação devido ao inchaço excessivo.[0024] The ratio of input coal to ilmenite is determined taking into account practical considerations. For example, a stoichiometric ratio that achieves a total reduction of iron in ilmenite ore can be used. Furthermore, the input of organic binder or mixtures of organic binders, in the range of up to 1%, is dictated by the physical properties of the resulting beans, particularly the green and air-dry strengths of the granules. The resulting grains must also perform acceptable (subsequently) in a hot reactor environment to avoid decrepitation due to excessive swelling.

[0025] O misturador 12 produz microgrãos de ilmenita à base de carbono de 2 mm a 5 mm de tamanho. Esses grãos são então secos ao ar (Etapa 20).[0025] Mixer 12 produces carbon-based ilmenite micrograins from 2mm to 5mm in size. These beans are then air dried (Step 20).

[0026] Os grãos endurecidos secos ao ar são então sujeitos a uma etapa de pré-redução térmica 22 ou a uma etapa de pré-redução híbrida de estado sólido 24. Em cada caso os grãos endurecidos secos ao ar são aquecidos em um reator de leito fixo 26 durante um tempo de residência ideal, geralmente, de 0,5 a 4 horas.[0026] The air-dried hardened beans are then subjected to a thermal pre-reduction step 22 or a solid-state hybrid pre-reduction step 24. In each case the air-dried hardened beans are heated in a fixed bed 26 during an ideal residence time, generally 0.5 to 4 hours.

[0027] Se for feito uso do processo de pré-redução térmica, os grãos são aquecidos no reator 26 a uma temperatura no intervalo de 1100 a 1200°C. Se for feito uso de uma abordagem híbrida, então, os grãos são aquecidos no reator 26 a uma temperatura de 900 a 1000°C em uma atmosfera controlada de um gás redutor 30 que compreende um ou mais de CO, gás de síntese, gás natural e hidrogênio. O gás redutor é filtrado através da carga quente dos grãos no reator 26. A vazão do gás redutor é regulada para se obter um rendimento de pré-redução adequado. A vazão também deve ser regulada para otimizar a operação do reator, principalmente a eficiência térmica e o custo de produção.[0027] If use is made of the thermal pre-reduction process, the beans are heated in the reactor 26 to a temperature in the range of 1100 to 1200°C. If use is made of a hybrid approach, then the beans are heated in the reactor 26 to a temperature of 900 to 1000°C in a controlled atmosphere of a reducing gas 30 comprising one or more of CO, synthesis gas, natural gas and hydrogen. The reducing gas is filtered through the hot grain charge in the reactor 26. The flow of the reducing gas is regulated to obtain an adequate pre-reduction yield. The flow must also be regulated to optimize the reactor operation, mainly the thermal efficiency and the production cost.

[0028] Parâmetros de processo de importância, no que diz respeito à técnica de pré-redução utilizada, incluem: a distribuição granulométrica da ilmenita, a composição dos grãos, os tamanhos dos grãos, a temperatura de operação, o tempo de residência e a vazão do gás redutor.[0028] Process parameters of importance, with regard to the pre-reduction technique used, include: the granulometric distribution of the ilmenite, the composition of the grains, the sizes of the grains, the operating temperature, the residence time and the reducing gas flow.

[0029] Sob condições operacionais consistentes, cada método é capaz de produzir um rendimento consistente de pré-redução. O método híbrido, apesar de operar a uma temperatura mais baixa do que o método de redução térmica, parece oferecer um maior rendimento de pré-redução do que o método térmico.[0029] Under consistent operating conditions, each method is capable of producing a consistent pre-reduction yield. The hybrid method, despite operating at a lower temperature than the thermal reduction method, appears to offer a higher pre-reduction yield than the thermal method.

[0030] Os grãos de ilmenita total ou parcialmente pré-reduzidos 32, emergentes do reator 26, podem ser alimentados, a frio ou a quente, para um processo convencional de fundição de ilmenita 34.[0030] The fully or partially pre-reduced ilmenite grains 32, emerging from the reactor 26, can be fed, cold or hot, to a conventional ilmenite smelting process 34.

[0031] Sem se comprometer com a seguinte explicação, acredita- se que o aglutinante orgânico proporciona um contato mais íntimo entre a ilmenita e os finos de carvão. A característica de tamanho pequeno do grão em uma atmosfera altamente redutora auxilia a transferência de calor e massa na difusão de redutores gasosos, como CO e H2, para os locais de reação. O aglutinante orgânico 16 é queimado na temperatura do processo, uma característica que induz a redução localizada e promove a formação de fissuras e poros nos grãos de minério de ilmenita contidos nos grãos 32. As áreas superficiais específicas dos grãos de ilmenita são assim aumentadas e a taxa de difusão do redutor de gás para os locais de reação é aumentada. Isso, por sua vez, afeta o rendimento de pré-redução. O processo de redução pode ser operado de forma suave e eficiente, apesar da pequena sinterização dos grãos que podem ocorrer em temperaturas elevadas.[0031] Without committing to the following explanation, it is believed that the organic binder provides a more intimate contact between the ilmenite and the coal fines. The characteristic of small grain size in a highly reducing atmosphere aids in the transfer of heat and mass in the diffusion of gaseous reductants, such as CO and H2, to the reaction sites. The organic binder 16 is burned at the process temperature, a feature that induces localized reduction and promotes the formation of cracks and pores in the ilmenite ore grains contained in the grains 32. The specific surface areas of the ilmenite grains are thus increased and the diffusion rate of the gas reducer to the reaction sites is increased. This, in turn, affects pre-reduction throughput. The reduction process can be operated smoothly and efficiently, despite the small sintering of the grains that can occur at elevated temperatures.

[0032] Os grãos de ilmenita à base de carbono, totalmente ou parcialmente pré-reduzidos, que são alimentados, quentes ou frios, em um forno de arco aberto de DC 34 diminuem o consumo de eletricidade no forno, ajudam a tratar a formação de espumação de escória e resultam em um melhor grau de escória de TiO2 36 produzida pelo forno 34.[0032] Fully or partially pre-reduced carbon-based ilmenite grains that are fed, hot or cold, into a DC 34 open arc furnace decrease the electricity consumption in the furnace, help treat the formation of slag foaming and result in a better grade of TiO2 slag 36 produced by furnace 34.

[0033] Através de testes foi estabelecido que o óxido de ferro nos grãos fosse quase completamente reduzido através da utilização do processo híbrido de pré-redução realizado a uma temperatura de 1000°C e por um tempo de residência de 2 horas. O rendimento de pré-redução foi aumentado à medida que a temperatura, o tempo de residência e a vazão de gás redutor foram aumentados.[0033] Through tests it was established that the iron oxide in the grains was almost completely reduced through the use of the hybrid pre-reduction process carried out at a temperature of 1000°C and for a residence time of 2 hours. The pre-reduction yield was increased as the temperature, residence time and reductant gas flow rate were increased.

[0034] O uso do processo de pré-redução térmica a uma temperatura de 1100 a 1200°C produziu um rendimento de pré-redução de cerca de 85% - um valor que é adversamente afetado com um aumento no tamanho do grão de minério de ilmenita e com um aumento no tamanho dos finos de carvão.[0034] The use of the thermal pre-reduction process at a temperature of 1100 to 1200°C produced a pre-reduction yield of about 85% - a value that is adversely affected with an increase in the grain size of ore ilmenite and with an increase in the size of the coal fines.

[0035] Cerca de 4 toneladas de grãos de ilmenita pré-reduzidos a frio foram fundidas em um forno de arco aberto de DC. O consumo de energia do forno situa-se no intervalo de 0,6 a 0,7 kWh / kg de grãos de ilmenita pré- reduzidos - um valor que representa uma economia de energia elétrica de 30 a 40% em comparação com um processo convencional de fundição de ilmenita. O processo de fundição era estável, sem sinais visíveis de formação de espumação. O produto 36 continha cerca de 95% de TiO2 e cerca de 3% de FeO.[0035] About 4 tons of cold pre-reduced ilmenite grains were melted in a DC open arc furnace. The oven's energy consumption is in the range of 0.6 to 0.7 kWh / kg of pre-reduced ilmenite grains - a value that represents an electrical energy saving of 30 to 40% compared to a conventional process. of ilmenite smelting. The casting process was stable, with no visible signs of foaming. Product 36 contained about 95% TiO2 and about 3% FeO.

[0036] Uma escória de TÍO2 de grau superior (acima de 90%) pode assim ser alcançada, usando-se a matéria-prima convencional de ilmenita em operações de fundição, sem ocorrer formação de espuma. Usando o método da presente invenção, uma ilmenita de baixo grau poderia ser usada como matéria-prima para produzir escória de TiO2 de pelo menos 85% de teor de TiO2.[0036] A higher grade of TIO2 slag (above 90%) can thus be achieved, using conventional ilmenite feedstock in casting operations, without foaming. Using the method of the present invention, a low grade ilmenite could be used as a raw material to produce TiO2 slag of at least 85% TiO2 content.

[0037] A invenção foi descrita com referência ao uso de um redutor gasoso. É possível, no entanto, utilizar um redutor sólido, como antracito ou carvão, em vez do gás redutor 30. Igualmente, o reator 26 que, tipicamente, é um reator de leito fixo, pode ser substituído por um leito móvel ou por uma configuração de forno rotativo, desde que os efeitos de abrasão entre os grãos sejam minimizados. No entanto, deve ser possível separar os grãos pré-reduzidos, por exemplo, utilizando técnicas magnéticas, do outro material emergente do reator.[0037] The invention has been described with reference to the use of a gaseous reductant. It is possible, however, to use a solid reductant, such as anthracite or coal, instead of reductant gas 30. Likewise, reactor 26, which is typically a fixed bed reactor, can be replaced by a moving bed or a configuration. rotary kiln, provided that the effects of abrasion between the grains are minimized. However, it must be possible to separate the pre-reduced grains, for example using magnetic techniques, from the other material emerging from the reactor.

[0038] O redutor sólido carbonáceo adicional pode ser usado em excesso para reduzir o ferro residual na escória para abaixo de 6% sem induzir a espumação na escória.[0038] Additional solid carbonaceous reductant can be used in excess to reduce residual iron in the slag to below 6% without inducing foaming in the slag.

DESCRIPTION OF A PILOT TEST OF THE PROCESS OF THE INVENTION

[0039] Uma instalação de forno a arco de 200 kW foi usada para demonstrar a fundição de grãos de ilmenita pré-reduzidos. O forno tinha um revestimento de aço resfriado por pulverização de água de 1 m de diâmetro externo, revestido com uma única camada e três fileiras de tijolos de cromo de magnesita e uma lareira revestida com magnésia maleável. O revestimento refratário resultou no diâmetro interno do cadinho do forno (ID) de 0,656 m. O forno foi equipado com um teto cônico revestido de alumina e um casco aparafusado em uma base abaulada. Um único orifício de torneira foi usado para instalar uma corrente de escória fundida e metal. O forno foi equipado com um eletrodo de grafite único e centralmente localizado, com 40 mm de diâmetro, operando como um catodo, enquanto o ânodo compreendia pinos de aço enterrados na lareira. O sistema de alimentação compreendia alimentadores individuais usados para alimentar antracito e grãos de ilmenita pré-reduzidos através de um tubo de alimentação do forno. O forno foi equipado com um sistema de gás de escape para a limpeza do gás de processo produzido antes da sua liberação na atmosfera.[0039] A 200 kW arc furnace installation was used to demonstrate the smelting of pre-reduced ilmenite grains. The kiln had a 1 m outside diameter, water spray cooled steel cladding, clad in a single layer and three rows of magnesite chrome bricks and a malleable magnesia coated hearth. The refractory lining resulted in a furnace crucible internal diameter (ID) of 0.656 m. The furnace was equipped with an alumina-coated conical roof and a hull bolted to a domed base. A single tap hole was used to install a chain of molten slag and metal. The furnace was equipped with a single, centrally located graphite electrode, 40 mm in diameter, operating as a cathode, while the anode comprised steel pins buried in the hearth. The feeding system comprised individual feeders used to feed pre-reduced anthracite and ilmenite grains through a furnace feed tube. The furnace was equipped with an exhaust gas system for cleaning the process gas produced before it is released into the atmosphere.

[0040] Grãos de ilmenita à base de carbono contendo a ilmenita tal como recebida, quantidade estequiométrica de antracito, foram preparados utilizando um aglutinante orgânico próprio em uma dose requerida. A ilmenita como recebida tinha uma distribuição de tamanho de partícula de D 100 no intervalo de tamanho de 38 μm a 150 μm. O antracito foi moído em um D85 passando 106 μm para facilitar sua incorporação em uma receita de grãos de ilmenita. Os grãos foram preparados em uma unidade de peletização em escala piloto compreendendo uma bandeja giratória inclinada de 985 mm de diâmetro e 170 mm de profundidade. As resistências mecânicas dos grãos foram medidas e verificou-se que variam com o tipo e dosagem do aglutinante utilizado, dentro de um intervalo de 0,01 - 0,03 MPa para grãos verdes e 0,81 - 1,50 MPa para grãos endurecidos em condições ambientes.[0040] Carbon-based ilmenite grains containing the ilmenite as received, stoichiometric amount of anthracite, were prepared using a proper organic binder in a required dose. The ilmenite as received had a particle size distribution of D 100 in the size range of 38 μm to 150 μm. Anthracite was ground in a D85 to 106 μm to facilitate its incorporation into an ilmenite grain recipe. The grains were prepared in a pilot scale pelletizing unit comprising an inclined rotating tray 985 mm in diameter and 170 mm in depth. The mechanical strengths of the grains were measured and found to vary with the type and dosage of the binder used, within a range of 0.01 - 0.03 MPa for green grains and 0.81 - 1.50 MPa for hardened grains. under ambient conditions.

[0041] Lotes de 250 kg cada de grãos endurecidos foram reduzidos em uma mufla aquecida eletricamente operada a uma temperatura controlada de 1100°C. Durante um tempo de queima de três horas, no total 5 kg de CO foram soprados intermitentemente através da carga do reator em intervalos de 10 minutos. Os grãos foram carregados em uma única bandeja de 1700 mm x 900 mm, tendo uma área de carregamento de uma tela de malha atuando como uma câmara de distribuição para o gás redutor.[0041] Lots of 250 kg each of hardened grains were reduced in an electrically heated muffle operated at a controlled temperature of 1100°C. During a burn time of three hours, a total of 5 kg of CO were blown intermittently through the reactor charge at 10-minute intervals. The grains were loaded into a single 1700 mm x 900 mm tray, with a mesh screen loading area acting as a distribution chamber for the reducing gas.

[0042] Tanto os materiais brutos quanto a ilmenita pré-reduzidas em várias condições foram analisados quimicamente; especificamente uma análise dos estados de oxidação do ferro

foi usado para calcular os rendimentos de pré-redução e metalização para os grãos. A redução insignificante dos óxidos de titânio foi assumida ao longo do processo e o rendimento pré-redução foi calculado com base no balanço de massa de oxigênio associado a cada grama de ferro antes e depois da pré-redução. As equações [1] e [2] foram usadas para o cálculo dos rendimentos de pré- redução e metalização, respectivamente.

[0042] Both raw materials and ilmenite pre-reduced under various conditions were chemically analyzed; specifically an analysis of the oxidation states of iron

was used to calculate pre-reduction and metallization yields for the grains. The negligible reduction of titanium oxides was assumed throughout the process and the pre-reduction yield was calculated based on the oxygen mass balance associated with each gram of iron before and after pre-reduction. Equations [1] and [2] were used to calculate the pre-reduction and metallization yields, respectively.

[0043] As análises químicas do minério e antracito estão resumidas na Tabela 1 e na Tabela 2, respectivamente. Tabela 1: Composição química em massa da ilmenita bruta (% em massa)

<0,05%: a concentração de analitos não pôde ser quantificada com precisão, pois está abaixo do limite de detecção (LOD) Fe total na amostra é expresso como % de FeO Tabela2: Resumo da composição química em massa do antracito (% em massa)

[0043] The chemical analyzes of the ore and anthracite are summarized in Table 1 and Table 2, respectively. Table 1: Chemical composition by mass of crude ilmenite (% by mass)

<0.05%: the concentration of analytes could not be accurately quantified as it is below the limit of detection (LOD) Total Fe in the sample is expressed as % FeO Table2: Summary of chemical composition by mass of anthracite (% in pasta)

[0044] No total, foram produzidas cerca de 3,6 toneladas de grãos 20 pré-reduzidos. Os grãos foram ensacados em sacos de 1 m3 a partir dos quais foram recolhidas cinco amostras compostas. As análises químicas das 5 amostras compostas são dadas na Tabela 3. Tabela 3: Composições químicas dos grãos pré-reduzidos

[0044] In total, about 3.6 tons of pre-reduced grains were produced. The grains were bagged in 1 m3 bags from which five composite samples were collected. Chemical analyzes of the 5 composite samples are given in Table 3. Table 3: Chemical compositions of pre-reduced grains

[0045] Os graus calculados de pré-redução e metalização para as cinco amostras compostas são apresentados na Tabela 4. Tabela 4: Pré-redução e metalização dos grãos de ilmenita

[0045] The calculated degrees of pre-reduction and metallization for the five composite samples are shown in Table 4. Table 4: Pre-reduction and metallization of ilmenite grains

[0046] As tabelas 3 e 4 mostram que os grãos pré-reduzidos de forma consistente foram produzidos como resultado das condições uniformes de operação do forno.[0046] Tables 3 and 4 show that pre-reduced grains were consistently produced as a result of uniform oven operating conditions.

[0047] Os resultados dos ensaios laboratoriais em um reator 5 tubular de 80 mm de diâmetro mostraram uma característica muito importante deste processo que é apresentado nas Figuras 2 e 3. Testes conduzidos a uma temperatura de 1000°C mostraram que os graus de pré-redução e metalização estão relacionados ao tempo de residência e a vazão de CO. O aumento do fluxo de CO parece afetar positivamente os rendimentos, sugerindo que a 10 difusão de CO teria um papel significativo nesse processo.[0047] The results of laboratory tests in a tubular reactor 5 80 mm in diameter showed a very important feature of this process which is shown in Figures 2 and 3. Tests conducted at a temperature of 1000°C showed that the degrees of pre- reduction and metallization are related to residence time and CO flow. The increase in CO flux appears to positively affect yields, suggesting that CO diffusion would play a significant role in this process.

[0048] Fundição contínua de grãos de ilmenita parcialmente reduzidos (aprox. 70% de rendimento de pré-redução) foi realizado para demonstrar a operação estável do forno, bem como a produção de uma qualidade consistente de escória, em particular, um grau de escória de TiO2 15 acima de 85%. O trabalho de teste também teve como objetivo confirmar o requisito específico de energia do processo. Os resultados de escória são apresentados na Tabela 5. Tabela 5: Análise da escória a partir da operação de fundição estável, em % de massa

*por diferença Tabela 6: Evolução da composição do gusa a partir da operação de fundição estável, em % de massa

[0048] Continuous casting of partially reduced ilmenite grains (approx. 70% pre-reduction yield) was carried out to demonstrate the stable operation of the furnace as well as the production of a consistent quality of slag, in particular a degree of TiO2 slag 15 above 85%. The test work also aimed to confirm the specific energy requirement of the process. The slag results are shown in Table 5. Table 5: Slag analysis from the stable casting operation, in % by mass

*by difference Table 6: Evolution of pig iron composition from the stable casting operation, in % by mass

[0049] Teores de escória de FeO tão baixos quanto 1,3% foram alcançados sem sinais visíveis de espumação de escória. Essa condição foi mantida por um período mais longo durante o qual a operação estável do forno foi demonstrada e escórias de teor consistente de FeO foram produzidas. Os resultados para esse trabalho de ensaio particular sugerem que a fundição de ilmenita parcialmente reduzida e a operação do forno com menor teor de FeO 10 na escória são tecnicamente possíveis.[0049] FeO slag contents as low as 1.3% were achieved with no visible signs of slag foaming. This condition was maintained for a longer period during which stable furnace operation was demonstrated and slags of consistent FeO content were produced. The results for this particular test work suggest that partially reduced ilmenite smelting and furnace operation with lower FeO 10 slag content are technically possible.

[0050] O forno de arco aberto de 200 kW DC foi operado em um nível de potência no intervalo de 115 - 140 kW e a uma tensão correspondente de 100 - 115 V. Perdas de calor de forno consistentes no intervalo de 60 - 90 kW foram medidas. As temperaturas médias de escoamento medidas usando 15 um pirômetro óptico foram espalhadas dentro de um intervalo entre 1670 e 1780°C. O requisito específico de energia (SER) para a fundição de grãos à base de carbono pré-reduzidos foi medido entre 0,6 e 0,7 kWh / kg de ilmenita pré-reduzida. Uma redução de 30-40% na eletricidade do forno necessária em relação a um processo convencional de fundição pode ser alcançada, supondo 20 que um rendimento de pré-redução de pelo menos 70% possa ser alcançado. As resistividades de arco foram medidas para várias condições investigadas, a fim de prever a estabilidade do arco do forno. Descobriu-se que a resistividade do arco estava no intervalo de 0,0168 e 0,0240 Q.cm, cujo intervalo é próximo de 0,0175 Q.cm, um valor típico para a resistividade de arco em processos de fundição com atmosferas ricas em CO (na ausência de espumação).[0050] The 200 kW DC open arc furnace was operated at a power level in the range of 115 - 140 kW and at a corresponding voltage of 100 - 115 V. Consistent furnace heat losses in the range of 60 - 90 kW were measured. Mean flow temperatures measured using an optical pyrometer were spread over a range between 1670 and 1780°C. The specific energy requirement (SER) for smelting pre-reduced carbon-based grains was measured between 0.6 and 0.7 kWh/kg of pre-reduced ilmenite. A 30-40% reduction in furnace electricity required over a conventional smelting process can be achieved, assuming that a pre-reduction yield of at least 70% can be achieved. Arc resistivities were measured for various investigated conditions in order to predict furnace arc stability. The arc resistivity was found to be in the range of 0.0168 and 0.0240 Q.cm, which range is close to 0.0175 Q.cm, a typical value for arc resistivity in casting processes with rich atmospheres. in CO (in the absence of foaming).

Claims

1. Method for preparing a pre-reduced ilmenite ore (32) for smelting (36), wherein the metal oxides contained in the ore are selectively reduced in solid-state reactions over titanium oxide, the method being characterized by the fact that includes the pre-reduction step (22 and 24) of carbon-based grains (21) of the ore, in which the grains are smaller than 6 mm in size and are prepared from a blend of the ore (10), coal fines (14) and an organic binder (16).

Method according to claim 1, characterized in that the metal oxides, with the exception of titanium oxides, in the grains are pre-reduced to a maximum extent.

3. Method according to claim 1, characterized in that the grains are between 2 mm and 5 mm in size.

4. Method according to claim 1, characterized in that the coal fines (14) have a size of -106 micrometers.

A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the ratio of coal to metal oxide content is determined using a stoichiometric ratio for the total reduction of iron in the ore.

Method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the content of organic binder (16) is in the range of 0 to 1%.

7. Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a single organic binder (16) or a mixture of organic binders (16) is used.

8. Method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the grains are air-hardened (20) for at least 4 days.

Method according to claim 8, characterized in that the mechanical strength of the grains (21) is in the order of 600N.

Method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the iron oxide in the ore (10) is present in an amount of less than 10%.

Method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the grains are subjected to a thermal reduction process (22) or a solid state hybrid reduction process (24).

12. Method according to claim 11, characterized in that the sediments are heated in a fixed bed reactor (26) for a period of time between 0.5 to 4 hours.

Method according to claim 12, characterized in that a thermal pre-reduction step (22) is adopted and the beans (21) are heated to a temperature in the range of 1100 to 1200°C.

Method according to claim 11 or 12, characterized in that a solid-state hybrid pre-reduction step (24) is adopted and the beans (21) are heated to a temperature in the range of 900 to 1000°C.

Method according to claim 14, characterized in that a reducing gas (30) is filtered through a hot charge in the fixed bed reactor (26).

A method as claimed in claim 15, characterized in that the reducing gas (30) comprises one or more of the following: carbon monoxide; synthesis gas (CO+H2); natural gas; and hydrogen.

17. Method according to any one of claims 1 to 16, characterized in that the casting is conducted in a DC-direct current open arc furnace at a temperature between 1650 and 1750°C.