Войти  |  Регистрация
Авторизация

Теоретические основы процесса рудотермической плавки



Титановое производство основано на переработке различных железотитановых концентратов на богатые диоксидом титана шлаки в рудно-термических электропечах. В результате рудно-восстановительной плавки получается титановый шлак и железо, близкое по составу к чугуну.
О возможности протекания химических реакций восстановления различных соединений титана можно судить, в первом приближении, по изменению их термодинамического потенциала. Как известно, чем больше изменение энергии Гиббса при протекании реакции, тем выше химическое сродство, т.е, способность веществ вступать в химическое взаимодействие.
Данные об изменении энергии Гиббса химических реакций получают в результате расчета с применением законов термодинамики. При этом используют значения теплоемкостей исходных веществ и продуктов реакции, теплот образования химических соединений и энтропии всех компонентов:
ΔGT = ΔHT0 — ΔST0,

где ΔGT — изменение энергии Гиббса в зависимости от температуры T; ΔHT0 и ΔST0 — изменение энтальпии и энтропии реакций соответственно с температурой.
Из нескольких возможных реакций предпочтительнее та, для которой абсолютное отрицательное значение изменения энергии Гиббса больше.
Продуктами восстановления железо-титановых соединений (титана-тов) могут быть различные сложные вещества. При достаточной полноте протекания реакций такими веществами являются главным образом Ti2O3, TiO2 и металлическое железо.
Приводимые ниже уравнения изменения энергии Гиббса, Дж/моль, в зависимости от температуры, К, для реакций восстановления метатитаната железа углеродом, оксидом углерода и водородом рассчитана, исходя из протекания реакции с получением различных конечных продуктов:
Теоретические основы процесса рудотермической плавки
Теоретические основы процесса рудотермической плавки

Роль газовых восстановителей в процессе восстановления монатитаната железа может быть оценена го значениям констант равновесия и равновесному составу газовой фазы, которые рассчитывают по величине термодинамического потенциала этих реакций. Если взять реакции (17) и (19), то для температур 1000 и 1500 К значения констант равновесия и равновесный состав газовой фазы будут следующими:
Теоретические основы процесса рудотермической плавки

Термодинамический анализ реакций восстановления соединений титана позволяет установить следующее:
1) реакции восстановления титанатов железа с образованием металлического железа, диоксида титана, а также низших оксидов титана Ti3O5 и Ti2O3 термодинамически возможны;
2) в области температур образования шлаков (1500—2000 К) наиболее предпочтительно протекают реакции восстановления твердым углеродом;
3) при использовании газообразных восстановителей CO и H2 равновесная газовая смесь содержит 85—98 % восстановителя. Это указывает на то, что такие реакции термодинамически маловероятны (их константы равновесия значительно меньше единицы), однако на практике они могут иметь место при большом избытке газообразного реагента и выводе газообразного продукта реакции.
Восстановительная плавка концентратов при периодическом процессе протекает следующим образом: исходные материалы, поступающие в электропечь, опускаясь вниз, непрерывно пронизываются горячими отходящими газами и постепенно нагреваются. При температуре 900 °C и выше начинается заметное восстановление оксидов железа углеродом (рис. 9). Сначала восстанавливаются свободные оксиды — гематит и магнетит, восстановление оксидов железа, входящих в титанаты, начинается при более высоких температурах и протекает с большой трудностью, по сравнению с восстановлением свободных оксидов и в твердой фазе, и в расплаве. Так, например, при 1000 °C степень восстановления оксида железа до металла из концентратов за 1 ч не превышает 10 %, в то время как степень восстановления Fe2O3 в этих условиях составляет 85 % (см. рис. 9). Большая трудность восстановления обусловлена термохимическими свойствами исходных концентратов и титановых шпаков, которые образуются при выплавке (оксид железа в обоих случаях входит в кристаллическую решетку минерала или химического соединения титанового шлака). Приемлемые скорости восстановления достигаются при 1150 °C и выше.
Теоретические основы процесса рудотермической плавки

Наряду с восстановлением оксидов железа при 1150 °C и выше происходит восстановление диоксида титана TiO2 до низших оксидов Ti3O5, Ti2O3, TiO, которое начинается раньше окончания процесса восстановления оксидов железа (рис. 10). Степень восстановления TiO2 дo Ti3O5 сопоставима со степенью восстановления FeO до металла. Суммарный восстановительный процесс упрощенно можно представить следующими уравнениями:
- для ильменитовых концентратов
3(FeO - TiO2) + 4С = 3Fe + Ti3O5 + 4СО;

- для концентратов оксидного типа Fe2O3 + nTiO2
3(Fe2O3 + nТiO2) + 10С = 6Fe + nTi3O5 + 10CO.

С повышением температуры процесс протекает с нарастающей скоростью. С момента начала первичного шлакообразования скорость восстановления с увеличением температуры снижается.
Восстановление ильменита протекает через дититанат FeO*2TiO2. При восстановлении концентратов типа Fe2O3 + nTiO2 образуется ильменит. Таким образом, ильменит является исходной ступенью при восстановлении ильменитовых концентратов и промежуточной — при восстановлении концентратов типа Fe2O3+nTiO2. Это можно выразить следующей схемой:
(Fe2O3 + nTiO2) → FeO * TiO2 → FeO * 2ТiO2 → Fe + Ti3O5.

Восстановление диоксида титана также протекает через ряд промежуточных соединений:
TiO2 → Ti3O5 → Ti2O3 → TiO → TiC.

На последней стадии между TiO и TiC образуются твердые растворы типа Ti (О, С).
Низшие оксиды титана при восстановлении железо-титановых концентратов появляются в результате восстановления свободного диоксида титана (рутила), который присутствует в некоторых концентратах, а также в результате восстановления дитината железа:
3(FeO * 2TiO2) + 5С = 3Fe + 2Ti3O5 + 5СО,

который получается в результате восстановления ильменита по реакции:
2 (FeO * TiO2) + C= Fe + FeO * 2TiO2 + CO.

В зависимости от количества углерода в шихте образуются титановые шлаки с различным соотношением низших оксидов. При избытке углерода возможно образование карбида титана.
О сложности и многостадийности физико-химических процессов, протекающих при восстановительной плавке, можно судить по диаграмме состояния системы FeO — TiO2 (рис. 11).
Теоретические основы процесса рудотермической плавки

Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent