NO309659B1 - Fremgangsmåte ved reduksjon av ilmenitt for å oppnå et titanrikt slagg og råjern - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte ved reduksjon av ilmenitt for å oppnå et titanrikt slagg og råjern, og mer spesielt angår den en fremgangsmåte ved hvilken det er mulig å forbedre kvaliteten til produktet som blir oppnådd ved prosessering av ilmenitt, men muligens mer viktig, hvorved produksjonskostnadene kan bli redusert i det minste i områder hvor kostnadene av elektrisk energi er betydelige.

Bakgrunn for oppfinnelsen.

Naturlig rutil har på grunn av sitt høye titaninnhold og lave nivåer av problematiske urenheter, tradisjonelt vært foretrukket som råmateriale for fremstillingen av titantetraklorid som et mellomprodukt for fremstillingen av titandioksyd. Naturlig rutil har blitt sjeldnere, og følgelig dyrere, og den alternative fremgangsmåten som benytter ilmenitt har blitt mer favorisert.

Ilmenittkonsentrater har et relativt lavt titaninnhold (vanligvis omkring 50$ titandioksyd sammenlignet med omkring 95$ for rutil) og det høye forurensningsinnholdet i balansen gjør ilmenitt generelt upassende for direkte klorering til titantetraklorid som er tilfellet for rutil. Følgelig har ilmenitt blitt benyttet som råmateriale for fremstilling av pigment ved sulfatprosessen som det stadig blir økende miljømessig motstand mot.

Alternativet til sulfatveien, nemlig kloridveien, har et hovedproblem forbundet ved at den direkte klorineringen av ilmenitt resulterer i at det blir produsert store mengder ferriklorid med et forbundet avfallsdeponeringsproblem. Kloridproduksjonen av pigment er imidlertid foretrukket i forhold til sulfatveien, fordi den krever mindre proses-seringsenergi og gir et pigment med bedre kvalitet.

Generelt er produsenter av mellomproduktet titantetraklorid ikke økonomisk istand til å bearbeide råmateriale som inneholder mindre enn 80% TiOg, og har i tillegg strenge grenser for noen urenheter, spesielt kalsium og magnesium. De to siste grunnstoffene er uønsket i virvelsjiktklorintorer, da de danner klorider med høyt kokepunkt som har en tendens til å klumpe seg både i selve virvelsjiktet og gasskanalene som fører fra reaktoren. Den vanlige spesifikasjonen benyttet for kalsium og magnesium, er at summen av oksydene av disse to elementene ikke må overskride 1,2 vekt-%.

På grunn av ilmenittets manglende evne til å bli benyttet direkte i kloridprosessen, har prosesser som omfatter termisk reduksjon av ilmenitt for å produsere et titanrikt slagg såvel som en prosess som omfatter kombinert for-reduksjon og kjemisk lutingsprosedyrer for å danne et syntetisk rutil, blitt foreslått og benyttet.

Av disse gir den termiske reduksjonstilnærmingen et produkt som har et lavere titaninnhold, men den har fordelen ved å produsere jern i en direkte igjenvinnbar tilstand.

Konvensjonell vekselstrømsmelte med åpen bue av forskjellige typer ilmenittårer, blir nå utført. Råmaterialene blir tilført en konvensjonell seks-parallells åpen bue-smelter via flere råmaterialeporter (typisk mer enn 20 råmaterialeporter blir benyttet) hvorav de fleste er plassert nær sideveggene av ovnen for å beskytte ovnens sidevegger for varme-erosjon. Denne typen råmateriale gjør prosesskontroll ekstremt vanskelig, og som et resultat blir det til tross for sofistikert datamaskinkontroll som kan bli montert på slike ovner ved at det periodisk blir produsert over-redusert slagg i områder, noe som gir et skummende slagg. Dette blir sett på som tap av kontroll, og korrektive tiltak som må bli gjort reduserer den termiske effektiviteten og tilgjengeligheten av ovnen.

En begrenset mengde testbearbeidelse omfattende smelting av ilmenitt i 1ikestrømsoverførings-bueplasmaovnen ved en 50 kW skala, er blitt beskrevet av A.D. Brent i Mintek rapport nr.

M304 datert 15. juli 1987. Denne prosessen har ikke blitt implementert av industrien på grunn av de følgende ulemper: 1) Prosessen var av diskontinuell natur, og graden av kontroll som er nødvendig for råmaterialene ved kontinuerlig drift med periodisk eller kontinuerlig fjerning av slagg med passende titanrikt innhold og råjern fra ovnen, ble ikke bestemt. 2) Råmaterialene ble ført inn gjennom en enkel port plassert nær sideveggen av ovnen, og ikke direkte i det smeltede bassenget. Denne driftsmåten kunne resultere i tilsvarende problemer som de som ble møtt i konvensjonell vekselstrøms-åpen-bue-smelting i tillegg til problemer med opprettholdelsen av en beskyttende størknet foring. 3) En grafittfSring måtte bli tilpasset, da anvendelsen av en magnesittbasert foring resulterte i fremstillingen av forurensninger på grunn av unøyaktig tilførsel til kraftbalansen, og derfor manglende evne til å gi en beskyttende, størknet fSring. En grafitt-foring kan ikke bli benyttet i praksis, da den vil bli forbrukt av reaksjonen med ovndamp og gasser. I tillegg vil en grafittf6ring resultere i en ukjent tilførsel av reduksjonsmiddel og således påvirke den nødvendige ilmenitt til reduksjonsmiddel-råforholdet og gjøre metallurgisk kontroll av produktkvaliteten vanskelig.

Det er et mål med foreliggende oppfinnelse og fremskaffe en fremgangsmåte for termisk reduksjon av ilmenitt hvor de nevnte ulempene, i det minste til en viss grad, blir unngått.

Oppsummering av oppfinnelsen

Ifølge foreliggende oppfinnelse blir det fremskaffet en fremgangsmåte ved reduksjon av ilmenitt for å oppnå et titanrikt slagg og råjern, som er karakterisert ved at prosessen omfatter tilførsel på kontinuerlig basis av ilmenitt samtidig med et karboninneholdende reduksjonsmiddel i fravær av flussmidler til den sentrale regionen av smeltebadet i en sirkulær ovn av likestrøm-bueovnstypen, hvor én eller flere elektroder anbragt i taket fungerer som katode og smeltebadet fungerer som anode, hvor det blir foretatt en periodisk eller kontinuerlig fjerning av titanrikt slagg og råjern fra ovn, og hvor driften av ovnen blir kontrollert for å opprettholde en størknet fSring mellom smeltebadet og den varmebestandige foringen.

Ytterligere egenskaper ved foreliggende oppfinnelse sikrer at den størknede foringen blir opprettholdt ved passende justering av forholdet mellom råmaterialehastigheten og anvendt kraft, eventuelt i kombinasjon med vannkjøling; elektrodene som er plassert i taket av ovnen er grafitt-elektroder; at det kun er plassert én slik elektrode sentralt; at én eller flere elektroder er hule slik at reaktantene blir tilført til ovnen gjennom hullet i en slik elektrode eller elektroder; at luft hovedsakelig blir ekskludert fra ovnens indre, og at forbedring av ekskludering av luft kan bli oppnådd ved å drive ovnen ved et svakt, positivt trykk; og at ovnen er en plasma-likestrøms-bueovn.

En videre og viktig egenskap ved foreliggende oppfinnelse er at råmaterialet blir for-varmet. I slike tilfeller blir for-varmingen fortrinnsvis oppnådd, i det minste hovedsakelig, ved å benytte den termisk varmegivende verdien av avgassesne fra ovnen, eventuelt etter rensing.

I alle tilfeller blir naturligvis råmaterialehastigheten til materialene og energitilførselen til ovnen justert for å oppnå og opprettholde ønskede tappetemperaturer for både slagg og smeltet metall såvel som den beskyttede, størknede foringen for å sikre produktkvalitet og beskytte ovnforingen mot utstrakt slitasje.

Fortrinnsvis blir det benyttet det karboninneholdende reduksjonsmidlet i mengder i overskudd av den støkiometrisk nødvendige mengdene for å redusere alt jernoksydet som er tilstede i ilmenittkonsentratet til metallisk jern, og sikre at oksygen i avgassene hovedsakelig er i form av karbon-monoksyd, og temperaturen til ovnen blir kontrollert mellom 1650 og 1750°C.

For at foreliggende oppfinnelse bedre kan bli forstått, vil et eksempel på denne nå bli beskrevet i større detalj.

Detaljert beskrivelse av et eksempel av oppfinnelsen I dette eksemplet blir tester utført i en 3,2 MVA-ovn fremstilt av søkeren. Ovnen var av en kjent likestrøms-plasma-bueovntype som benyttet en enkel, hul grafittelektrode lokalisert sentralt over ovnbadet. Likestrømskraftforsyning ble benyttet, slik at i bruk var det smeltede badet anoden, mens grafittelektroden var katoden.

Ovnen som hadde en ytre diameter på 1780 mm og en varmebestandig f oringstykkelse på kun 140 mm, ble foret med varmebestandig materiale hvor MgO-innholdet var omkring 96$. Kjernen var foret med tilsvarende materiale til en tykkelse på 800 mm, og flere myke stålstaver ble benyttet for å danne likestrøms (anode) elektrisk forbindelse fra det smeltede badet gjennom kjernens varmebestandige materialet til anodekabelen. Sprøyte-vannkjøling ble innlemmet på ovnskal-lets sidevegger for å hjelpe til å opprettholde en beskyttende størknet f6ring av slagg. Smeltebadet i ovnen ble oppvarmet til driftstemperaturen på mellom 1650°C og 1750°C med en startmetallfylling.

Råmaterialet bestod av konsentrat av ilmenittmalen og antracitt med sammensetningene som oppgitt i tabell 1. Råmaterialene ble ledet gjennom en enkelt hul grafittelektrode, plassert sentralt i ovnen, og produktene i væskeform ble tappet periodisk under en kontinuerlig kjøring i 11 dager ved 500 kW brutto energitilførsel. Kraften og råmaterialehastigheten ble balansert for å opprettholde en slaggtappingstemperatur på omkring 1650 og 1750°C. En kraftdensitet på 0,2 MW/m<2> basert på skalldiameter, viste seg passende for å opprettholde en beskyttende, stivnet f6rings-tykkelse på omkring 0,15 m.

Resultatene av smeltetestene som viser metall, slagg og støvsammensetningene, er vist i tabell 2.

Alle metalloksydkomponentene ble analysert for det totale metalliske innholdet og uttrykt som oksydet. Ovenfor kan det sees at akseptable grader titandioksyd ble produsert 1 de fleste tilfellene og, som konsekvens av effektiviteten i kontrollen av ovnen av den naturen som er beskrevet over, kan følgelig variablene bli kontrollert for å opprettholde kalsium- og magnesiuminnholdet i titandioksydet innen akseptable grenser. Titandioksydinnholdet selv kan bli opprettholdt over det minimum på 80% som er nødvendig for kloridprosessen og kan bli øket til 90% hvis ønskelig.

Forvarming av råmaterialet har enda ikke blitt testet, men teoretiske beregninger indikerer at omkring 30% besparelse av elektrisk energitilførsel kan bli forventet, dersom varme-overføringsverdien til avgassene blir benyttet for forvarming av råmaterialene. Det er antatt at det forvarmede råmaterialet, eller til og med forhåndsredusert råmaterialer, ikke vil gi noen problemer hva angår opprettholdelsen av de ønskede temperaturer i råmaterialet gjennom et enkelt eller lite antall innslippsarrangementer i motsetning til den konvensjonelle seks-parallellsovnen hvor det er flere innslipp.

Det blir imøtesett at en ekstremt effektiv og økonomisk prosess blir fremskaffet ved foreliggende oppfinnelse, hvis anvendelse vil resultere i den forenklede anvendelsen av ilmenitt som kilde for slagg med høyt titaninnhold for anvendelse som råmateriale til kloridprosessen for fremstilling av titantetraklorid og videre titandioksydpigmenter.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte ved reduksjon av ilmenitt for å oppnå et titanrikt slagg og råjern, karakterisert ved at den omfatter tilførsel på kontinuerlig basis av ilmenitt samtidig med et karboninneholdende reduksjonsmiddel i fravær av flussmidler til den sentrale regionen av smeltebadet i en sirkulær ovn av 1ikestrøm-bueovnstypen, hvor én eller flere elektroder anbragt i taket fungerer som katode og smeltebadet fungerer som anode, hvor det blir foretatt en periodisk eller kontinuerlig fjerning av titanrikt slagg og råjern fra ovn, og hvor driften av ovnen blir kontrollert for å opprettholde en størknet foring mellom smeltebadet og den varmebestandige foringen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at elektrodene som er plassert i taket av ovnen er graf ittelektroder.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det kun er én elektrode i ovnens tak.

4. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 3, karakterisert ved at minst én elektrode er hul, og at reaktantene blir tilført ovnen gjennom hullet i en slik hul elektrode eller elektroder.

5 . Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at den hule elektroden er fremstilt av grafitt.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at luft hovedsakelig blir ekskludert fra ovnens indre.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at ovnen blir drevet ved svakt positivt trykk for å oppnå ekskluderingen av luft.

8. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at ovnen er en plasma-likestrøms-bueovn.

9. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at råmaterialet blir for-varmet før innføringen i ovnsbadet.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at for-varmingen blir utført ved hjelp av avgasser fra ovnen, eventuelt etter rensing.

11. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det karbon-holdige reaksjonsmidlet blir benyttet i mengder som er i overskudd av den støkiometrisk nødvendige mengden for å redusere alle jernoksydene til metallisk jern.

12. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den frosne fSringen blir opprettholdt ved passende justering av forholdet mellom råmaterialehastigheten og tilført kraft.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at ovnen i tillegg er vannavkjølt for å opprettholde den nevnte stivnede foringen.

14 . Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at temperaturen i ovnen "blir holdt mellom 1650°C og 1750°C.