Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ШИХТЫ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ ТИТАНОВЫХ ШЛАКОВ В РУДНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к получению металлического титана из титановых шлаков, получаемых при восстановительной плавке ильменитовых концентратов, в частности к подготовке шихты для выплавки титановых шлаков в рудно-термической печи.

Известны способы получения топливных брикетов путем смешивания угольного топлива со связующим - либо с сухими лигносульфонатами, либо с полиэтиленом, либо со смесью лигносульфонатов с нефтяной спекающей добавкой (см. пат. РФ №2078794, опубл. 10.05.2007, №2181752, опубл. 27.04.2002, №2373261, опубл. 20.11.2009, №2130047, опубл. 10.05.1999) с последующим прессованием и получением брикетов, их термообработку и охлаждение. Это позволяет получить механически прочное и атмосфероустойчивое топливо с повышенной плотностью тепловой энергии, пригодного для транспортировки и хранения.

Недостатком указанных способов получения угольных брикетов является то, что они применяются в угольной промышленности, в частности для приготовления брикетированного топлива для бытовых нужд. Применение таких брикетов в качестве углеродистого восстановителя в технологии выплавки титановых шлаков в рудно-термической печи нежелательно из-за низкой реакционной способности угольного восстановителя и низкой степени восстановления титансодержащего сырья.

Известен способ приготовления шихты для выплавки титановых шлаков в рудно-термической печи (пат. РФ №2361940, опубл. 20.07.2009), включающий смешивание ильменитового концентрата и углеродистого восстановителя, измельчение шихты до размера частиц 70-73 мкм, изготовление сырых окатышей с использованием связующего, их сушку при температуре 200-400°C, металлизацию в трубчатой печи при температуре 1100-1300°C, плавку окатышей в электрической печи и разливку расплава титанового шлака. В качестве ильменитового концентрата используют железотитановые концентраты с содержанием диоксида титана 50-55 мас. %, в качестве углеродистого восстановителя используют металлургический кокс, пековый кокс, нефтяной кокс, каменный уголь с содержанием активного углерода не менее 80% и в качестве связующего при изготовлении сырых окатышей используют органические, например лигносульфонаты, или синтетические реагенты в количестве 0,46-3,9% от массы шихты. Способ позволяет получить титановый шлак с содержанием диоксида титана не менее 90 мас. %.

Недостатком известного способа является то, что шихту для выплавки шлаков готовят в виде окатышей, это требует создания специальных переделов, что приводит к дополнительным затратам на приготовление шихты и удорожанию продукции.

Известен способ приготовления шихты для выплавки титановых шлаков в рудно-термической печи (пат. РФ №2492262, опубл. 10.09.2013, бюл. 25), включающий подачу шихты, состоящей из ильменитового концентрата и углеродистого восстановителя, в расходные бункеры при давлении сжатого воздуха 0,4-0,6 мПа. Из расходных бункеров ильменитовый концентрат и углеродистый восстановитель с помощью дозаторов подают на транспортер, смешивают в процессе транспортировки и загружают в печные карманы рудно-термической печи для выплавки титановых шлаков. Все это позволяет при правильном подборе компонентов шихты увеличить срок службы печи.

Недостатком указанного способа приготовления шихты для выплавки титановых шлаков в рудно-термической печи является то, что шихту в виде ильменитового концентрата и углеродистого восстановителя подают в печь во влажном состоянии. При загрузке в высокотемпературный расплав из влажной шихты испаряется вода с выделением пара и газа. Выделяющиеся при этом в большом количестве реакционные газы совместно с паром поднимают уровень расплава в печи, расплав вытекает из шахты печи, вызывая аварийную ситуацию. Это приводит к нарушению технологического режима плавки, повышению опасности работы обслуживающего персонала и к нарушению техники безопасности. Кроме того, в процессе подготовки углеродистого восстановителя появляется большое количество угольных отходов, которые выбрасывают в окружающую среду, приводя к загрязнению природные ресурсы.

Известен способ приготовления шихты для выплавки титановых шлаков в рудно-термической печи (см. кн. Металлургия титана. - Сергеев В.В. и др. - М.: Металлургия, 1971, с. 32-41), по количеству общих признаков принятый за ближайший аналог-прототип. Способ предусматривает приготовление шихты из ильменитового концентрата и углеродистого восстановителя. Углеродистый восстановитель поступает от производителя со средним размером частиц 13-150 мм, поэтому его дробят до крупности кусков 5 мм. Далее углеродистый восстановитель дозированно смешивают с ильменитовым концентратом с получением шихты, которую транспортируют в бункеры рудно-термической печи и загружают равномерно по всему объему рудно-термической печи для выплавки титановых шлаков. Степень извлечения титана из концентрата составляет 90-92%. Для приготовления брикетированной шихты ее нагревают до температуры 80-90°C, сушат при перемешивании в течение 15-20 минут, добавляют связующее - сульфитно-целлюлозный щелок, прессуют на валковом прессе с получением брикетов овальной формы.

Недостатком указанного способа приготовления шихты для выплавки титановых шлаков в рудно-термической печи является то, что сушку шихты проводят только для приготовления брикетированной шихты. Для снижения затрат последнее время шихту не брикетируют, а компоненты шихты подают в рудно-термическую печь в виде порошка, дозированно смешивая их при транспортировке в печь. Учитывая, что ильменитовый концентрат и углеродистый восстановитель поступают от потребителя с разной влажностью, произвести сушку шихты до заданных технологическим регламентом параметров влажности не удается, и шихту подают в печь во влажном состоянии. При загрузке влажной шихты в высокотемпературный расплав вода начинает интенсивно испаряться из шихты с выделением пара и газа. Выделяющиеся при этом в большом количестве реакционные газы совместно с паром поднимают уровень расплава в печи, расплав вытекает из шахты печи, вызывая аварийную ситуацию. Это приводит к нарушению технологического режима плавки, к повышению опасности работы обслуживающего персонала и к нарушению техники безопасности. Кроме того, в процессе подготовки углеродистого восстановителя появляется большое количество угольных отходов, которые выбрасывают в окружающую среду, приводя к загрязнению природные ресурсы.

Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и позволяет улучшить безопасность работы рудно-термической печи, снизить себестоимость титановых шлаков на 5-10% за счет добавки в шихту для выплавки титановых шлаков угольных отходов после их извлечения с фильтров при очистке газов с процесса подготовки углеродистого восстановителя. Кроме того, заявленный способ позволяет уменьшить выбросы в окружающую среду угольных отходов производства.

Задачей, на которую направлено изобретение, является снижение аварийной ситуации работы рудно-термической печи, уменьшение себестоимости титановых шлаков и исключение выбросов отходов производства в окружающую среду.

Технический результат достигается тем, что в предложенном способе приготовления шихты для выплавки титановых шлаков в рудно-термической печи, включающем дробление углеродистого восстановителя, дозирование и смешивание его с ильменитовым концентратом с получением шихты, транспортировку и загрузку шихты в бункеры рудно-термической печи, новым является то, что после дробления углеродистый восстановитель сушат до массового содержания остаточной влаги не более 5 мас. % и добавляют в него брикетированные угольные отходы после их извлечения с фильтров при очистке газов с процесса подготовки углеродистого восстановителя при массовом соотношении брикетированные угольные отходы: углеродистый восстановитель, равном 1:(15-25), при этом предварительно угольные отходы загружают в смеситель, куда подают жидкое связующее при массовом соотношении Т:Ж, равном (3-7):1, перемешивают с получением пастообразной массы, которую формуют в виде брикетов и сушат, брикетированные угольные отходы смешивают с углеродистым восстановителем и полученную смесь смешивают с ильменитовым концентратом для получения шихты для выплавки титановых шлаков.

Кроме того, в качестве жидкого связующего для получения пастообразной массы используют 9-15 мас. % раствора лигносульфонатов.

Кроме того, в качестве жидкого связующего для получения пастообразной массы используют 25-35 мас. % раствора термопласта СВ.

Кроме того, в качестве жидкого связующего для получения пастообразной массы используют стекло натриевое жидкое.

Кроме того, углеродистый восстановитель сушат до температуры не более 600°C.

Кроме того, брикетированные угольные отходы сушат при температуре 80-180°C.

Проведение процесса сушки углеродистого восстановителя до массового содержания остаточной влаги не более 5 мас. % позволяет за счет уменьшения влажности компонентов шихты улучшить безопасность работы рудно-термической печи при загрузке шихты в печь, исключить выплески расплавленного шлака из печи, снизить аварийные ситуации при обслуживании печи и нарушения техники безопасности.

Выбранное соотношение брикетированные угольные отходы: углеродистый восстановитель, равное 1:(15-25), позволяет полностью утилизировать угольные отходы и снизить расход углеродистого восстановителя на выплавку титановых шлаков, снизить затраты на сырье. При меньшем соотношении 1:15 в шихте повышается содержание оксида кремния выше значения, заданного техническими условиями. При большем соотношении 1:25 проводить смешивание углеродистого восстановителя с брикетированными угольными отходами нецелесообразно, так как нет такого количества угольных отходов.

Получение угольных отходов после их извлечения с фильтров при очистке газов с процесса подготовки углеродистого восстановителя в виде брикетов при смешивании их с жидким связующим при массовом соотношении Т:Ж, равном (3-7):1, с последующим формованием пастообразной массы в виде брикетов и их сушкой позволяет уменьшить выбросы в окружающую среду угольных отходов производства. За счет брикетирования угольных отходов исключается вынос угольных отходов с отходящими газами из рудно-термической печи, так как они имеют очень мелкий фракционный состав (менее 0,05 мм).

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе приготовления шихты для выплавки титановых шлаков в рудно-термической печи, изложенных в пунктах формулы изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “новизна”.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию “изобретательский уровень” заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить технические решения, совпадающие с отличительными признаками заявленного способа. В заявленном изобретении угольные отходы после их извлечения с фильтров при подготовке углеродистого восстановителя брикетируют, смешивают с углеродистым восстановителем и добавляют в ильменитовый концентрат с получением шихты для выплавки титановых шлаков в рудно-термической печи. Это позволяет снизить себестоимость титановых шлаков и снизить выбросы в окружающую среду отходов производства, улучшить безопасность обслуживания рудно-термической печи. Задача, на которую направлено изобретение, является новой и заявленные признаки не вытекают явным образом для специалиста, поскольку заявлена новая последовательность действий и новые режимы получения шихты для выплавки титановых шлаков в рудно-термической печи. Из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “изобретательский уровень”.

Промышленную применимость предлагаемого изобретения подтверждает следующий пример осуществления способа приготовления шихты для выплавки титановых шлаков в рудно-термической печи. Компоненты, используемые для приготовления шихты:

1. Концентрат ильменитовый (Иршанский ГОК с массовой долей диоксида титана не менее 54 мас. % ТУ У 14-10-009, максимальный размер кусков 3,0 мм, влажностью 1,5 мас. %; Малышевское месторождение с массовой долей диоксида титана не более 63 мас. % ТУ У 14-10-005, максимальный размер кусков 3,0 мм, влажностью не более 0,5 мас. %) в количестве 415,0 т/сутки.

2. Углеродистый восстановитель - антрацит марки АО ТУ 0321-003-57512346-2010 или антрацит марки AM, АК, АО, АКО, AM с содержанием серы не более 1,5 мас. %, крупностью от 13 мм до 150 мм, влажностью 7,0-10 мас. %, в количестве 26 т/сутки.

3. Брикетированные угольные отходы после извлечения их с фильтров при очистке газов с процесса подготовки углеродистого восстановителя, в количестве 1,4 т/сутки.

Пример 1

Процесс восстановления шихты в виде ильменитового концентрата с углеродистым восстановителем осуществляют в рудно-термической печи полузакрытого типа с получением титанового шлака и железистого чугуна. Шихту для плавки получают путем смешивания концентрата ильменитового (в пересчете на стандартный концентрат при массовом содержании диоксида титана 42 мас. %), углеродистого восстановителя и брикетированных угольных отходов после извлечения их с фильтров при очистке газов с процесса подготовки углеродистого восстановителя, а именно с процесса дробления, сушки и транспортировки углеродистого восстановителя. Концентрат ильменитовый с содержанием в нем массовой доли воды 1,5 мас. % выгружают из вагонов в приемные бункеры и затем из приемных бункеров подают камерными насосами типа ТА-29 по системе пневмотранспорта в расходные бункеры при давлении сжатого воздуха 0,4 мПа в количестве 415 т/сутки. Углеродистый восстановитель - антрацит - поступает в вагонах разной крупностью от 13 мм до 150 мм и с содержанием в нем массовой доли воды 7,0-10,0 мас. %. Углеродистый восстановитель - антрацит - дробят в щековой дробилке типа СМД-108 до размера частиц 5 мм, затем ленточным конвейером ссыпают в приемный бункер противоточной барабанной сушилки. Отходящие газы, образующиеся в процессе дробления в щековой дробилке углеродистого восстановителя, поступают в аспирационно-технологическую установку, где на фильтрах очищаются от угольных отходов. Угольные отходы извлекают из рукавных фильтров аспирационно-технологической установки и складируют в отдельные емкости. Из приемного бункера углеродистый восстановитель автоматическим дозатором марки 4273-ДН с заданной производительностью 63,0 т/час подают в приемный бункер барабанной сушилки. Барабанная сушилка с приемным и разгрузочным бункерами снабжена топкой с газовой горелкой при объемном расходе природного газа не более 200 м³/час. В топке природный газ с воздухом сжигают при температуре 1000°C с получением топочных газов и подают в барабанную сушилку. Углеродистый восстановитель из приемного бункера поступает противоточно топочным газам в барабанную сушилку, где его сушат до температуры 400°. Высушенный углеродистый восстановитель до массового содержания влаги 5 мас. % собирают в разгрузочной камере. В процессе сушки отходящие газы в виде смеси топочных газов и угольной пыли из барабанных сушилок поступают на газоочистку в аспирационно-технологическую установку с рукавными тканевыми фильтрами типа СМЦ 166Б. На тканевых фильтрах улавливают угольную пыль и виде угольных отходов следующего состава: зола - 7 мас. %, сера - 4,0 мас. %, вода - 5 мас. %, летучие - 3 об. %, остальное - углерод. Угольные отходы извлекают из рукавных фильтров и складируют в отдельных емкостях. Затем углеродистый восстановитель перегоняют из разгрузочной камеры в бункеры эжекторными аппаратами, выполненными в виде трубы, в которую подают сжатый воздух и на входе которой создают разрежение. Образующиеся при транспортировке сжатым воздухом углеродистого восстановителя газы также очищают от угольных отходов в фильтрах аспирационно-технологических установок. Уловленные угольные отходы извлекают из рукавных фильтров аспирационно-технологических установок и также складируют в отдельных емкостях. Для приготовления брикетов в непрерывно действующий лопастной смеситель типа СШЗ подают угольные отходы в количестве 1,4 т/сутки и связующее - 10 мас. % раствора лигносульфонатов в количестве 0,288 т/сутки при массовом соотношении Т:Ж, равном 4,86:1. Раствор лигносульфонатов представляет собой смесь солей натрия, натрий-кальциевых и натрий-аммониевых солей лигносульфоновых кислот, полученных из щелоков бисульфитной варки целлюлозы в жидком состоянии, которую получают в соответствии с ТУ 2455-028-00279580-2914 на целлюлозно-бумажных комбинатах. Полученную однородную пастообразную массу подают на формование смеси, например, в пресс брикетировочный валковый серии ПБВ. Полученные брикеты размером 5×5 мм сушат в ленточной сушилке при температуре 100°C и смешивают с углеродистым восстановителем при соотношении 1:18 (1,4 т/сутки брикетированных угольных отходов с 26 т/сутки углеродистого восстановителя). Полученную смесь углеродистого восстановителя с брикетированными угольными отходами дозированно смешивают с ильменитовым концентратом и направляют в приемные бункеры рудно-термической печи на выплавку титановых шлаков. Полученный титановый шлак соответствует ТУ 715-452-05785388 с массовой долей диоксида титана не менее 80-84%, оксидов железа - не более 5-7%.

Пример 2

То же, что и в примере 1. Для приготовления смеси, состоящей из угольных отходов после их извлечения с фильтров при очистке газов с процесса подготовки углеродистого восстановителя и жидкого связующего, в емкость в виде лопастного смесителя типа СШЗ загружают в количестве 1,4 т/сутки угольных отходов при перемешивании с помощью мешалки роторного типа и подают жидкое связующее – 30 мас. % водного раствора термопласта СВ (ТУ 5746-062-58042865-2011. Добавка технологическая «Термопласт СВ») в количестве 0,288 т/сутки при массовом соотношении Т:Ж, равном 4,86:1. Раствор термопласта СВ представляет собой смесь натриевых и полиалкеленоксидных производных полиметиленнафталинсульфокислот и производных гликозидов. Полученную однородную пастообразную массу подают на формование брикетов, например, в пресс брикетировочный валковый серии ПБВ. Полученные брикеты размером 5×5 мм сушат в ленточной сушилке при температуре 90°C и смешивают с углеродистым восстановителем при соотношении 1:18 (1,4 т/сутки брикетированных угольных отходов с 26 т/сутки углеродистого восстановителя). Полученную смесь углеродистого восстановителя с брикетированными угольными отходами дозированно смешивают с ильменитовым концентратом и направляют в приемные бункеры рудно-термической печи на выплавку титановых шлаков. Полученный титановый шлак соответствует ТУ 715-452-05785388 с массовой долей диоксида титана не менее 80-84%, оксидов железа - не более 5-7%.

Пример 3

То же, что и в примере 1. Для приготовления брикетов из угольных отходов после их извлечения с фильтров при очистке газов с процесса подготовки углеродистого восстановителя и жидкого связующего, в емкость в виде лопастного смесителя типа СШЗ при перемешивании с помощью мешалки роторного типа подают 1,4 т/сутки угольных отходов и жидкое связующее - в количестве 0,288 т/сутки - стекло натриевое жидкое группы Б (ГОСТ 13078-81 Стекло натриевое жидкое с массовой долей оксида кремния 24,3-31,9%, с массовой долей оксида железа и оксида алюминия не более 0,25%, с массовой долей оксида кальция не более 0,20%, с массовой долей серного ангидрида не более 0,15%, с массовой долей оксида натрия 8,7-12,2%) при массовом соотношении Т:Ж, равном 4,86:1. Полученную однородную пастообразную смесь подают на формование брикетов, например, в пресс брикетировочный валковый серии ПБВ. Полученные брикеты размером 5×5 мм сушат в ленточной сушилке при температуре 90°C и смешивают с углеродистым восстановителем при соотношении 1:18 (1,4 т/сутки брикетированных угольных отходов с 26 т/сутки углеродистого восстановителя). Полученную смесь углеродистого восстановителя с брикетированными угольными отходами дозированно смешивают с ильменитовым концентратом и направляют в приемные бункеры рудно-термической печи на выплавку титановых шлаков. Полученный титановый шлак соответствует ТУ 715-452-05785388 с массовой долей диоксида титана не менее 80-84%, оксидов железа - не более 5-7%.

Таким образом, предлагаемый способ приготовления шихты для выплавки титановых шлаков в рудно-термической печи позволяет снизить затраты на сырье и материалы и тем самым снизить себестоимость продукции на 5-10%. Кроме того, предложенное изобретение позволяет уменьшить выбросы в окружающую среду отходов производства, обеспечить безопасность работы печи и обслуживающего персонала.