Процесс восстановления руды и продукт металлизации оксида титана и железа
Изобретение относится к обогащению руд, содержащих оксиды титана, а именно к энергосберегающему процессу на вращающемся поде для извлечения легко отделяемых металлического железа и оксидов титана из продуктов восстановления низкосортных руд. Способ включает стадии: (а) обеспечение руды, содержащей оксид железа (III) и оксид титана, при температурах окружающей среды, (b) смешивание руды с источником углерода с формированием агломератов, (с) введение агломератов на углеродный слой печи с подвижным подом. На углеродном слое осуществляют (d) нагревание агломератов до 1300-1800°С для восстановления оксида железа (III) до оксида железа (II) и плавления агломератов с образованием богатого оксидом железа (II) расплавленного шлака. Причем количество источника углерода, использованного на стадии (b), является таким, что количество углерода недостаточно для металлизации более чем 50% оксидов железа (III) и железа (II) на стадиях (d) и (е). На стадии (е) агломераты нагревают на углеродном слое до максимальной температуры свыше 1500°С для достижения желательной степени металлизации за счет реакции с углеродным слоем, так что богатый оксидом железа (II) расплавленный шлак становится богатым оксидом титана шлаком, содержит большие капли железа. Охлаждают (f) богатый оксидом титана шлак до затвердевания с содержанием твердых гранул металлического железа, и (g) механически отделяют твердые гранулы металлического железа от богатого оксидом титана шлака. Причем стадии (с), (d) и (е) происходят в единственной печи с подвижным подом. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Эта заявка притязает на преимущество предварительной заявки на патент США № 60/712556, поданной 30 августа 2005 г., и предварительной заявки на патент США № 60/788173, поданной 31 марта 2006 г., каждая из которых включена сюда во всей своей полноте путем ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Раскрытие относится к процессу обогащения руд, содержащих оксиды титана. Более конкретно, раскрытие относится к процессу восстановления такой руды в печи с подвижным подом для образования отделяемых металла железа и оксидов титана. Дополнительно, раскрытие относится к продукту металлизации титана и железа и продукту процесса обогащения руд, содержащих оксиды титана. Более конкретно, раскрытие относится к продуктам металлизации оксидов титана и железа, изготовленному посредством процесса восстановления руды в печи с подвижным подом с образованием отделяемых металла железа и оксидов титана.
Описание уровня техники
Были описаны печи с подвижным подом для использования при восстановлении оксида железа. Восстанавливаемый оксид железа загружается в печь с вращающимся подом вместе с источником углерода, где шихта подвергается воздействию восстановительных условий для образования продуктов восстановления, содержащих железо и шлак.
При использовании загрузки относительно чистого оксида железа предметом беспокойства может быть способность расплавленного шлака оксида железа реагировать с внутренними поверхностями печи. В результате, эта технология имеет тенденцию к использованию количеств углерода, достаточных для твердофазного восстановления, при котором происходит быстрая и по существу полная металлизация оксида железа до образования, если таковая имеет место, расплавленной фазы. В результате, если и когда продукт твердофазного восстановления плавится, в нем может присутствовать только относительно небольшая доля оксида металла, доступного для образования компонента шлака. Кроме того, так как металл железо представляет собой большую часть продукта восстановления, образуются большие и легко извлекаемые гранулы железа.
Для защиты пода от контакта с реагирующей шихтой может быть предусмотрен углеродный слой. Так как содержание углерода в шихте является достаточным для обеспечения быстрой металлизации, любая незначительная доля оксидов железа(II), которые могут остаться подлежащими реакции с углеродным слоем, была бы случайной и незначительной частью процесса.
Вместо использования процесса на вращающемся поде для восстановления по существу чистого оксида железа, был предложен процесс на вращающемся поде для восстановления низкосортных руд, таких как ильменит, которые содержат оксид железа, высокие уровни диоксида титана и примеси оксидов металлов, для производства продуктов восстановления, содержащих металлическое железо и высокосортные оксиды титана, такие как синтетический рутил. Однако восстановление низкосортной руды, такой как ильменит, которая содержит высокие уровни диоксида титана и примеси оксидов металлов, в процессе на вращающемся поде представляет технологические сложности, с которыми не сталкивались при восстановлении относительно чистого оксида железа.
Когда обычная технология восстановления на вращающемся поде используется для извлечения металлического железа и оксидов титана из низкосортных руд, таких как ильменит, отделение небольших вкраплений металла железа, которые распределены по всему шлаку с относительно высоким содержанием, является проблемой. Для решения этой проблемы отделения был описан первый этап предварительного восстановления для металлизации большей части оксида железа, за которым следует этап плавления, обычно в электрической плавильной печи или промежуточной подовой печи, для образования более легко отделяемого расплавленного железа, которое является относительно свободным от пустой породы и шлака, который имеет высокое содержание оксидов титана. Однако этот многоэтапный процесс является дорогостоящим и энергозатратным решением.
Механическое отделение многочисленных небольших вкраплений металла железа, распределенных по всему шлаку, является непрактичным, потому что эти вкрапления металла железа имеют тенденцию быть менее 50 микрон в диаметре. Так как 50 микрон - это самый нижний практический предел для разделения просеиванием, причем большинство мелких сит имеет 400 проволок на квадратный дюйм, что является пределом для просеивания частиц диаметром 50 микрон, просеивание таких многочисленных и небольших вкраплений металла железа не является практичным процессом разделения. Небольшие вкрапления железа могут быть отделены химически, но химическое отделение привносит значительные дополнительные затраты.
Существует необходимость в энергосберегающем процессе на вращающемся поде для извлечения легко отделяемых металлического железа и оксидов титана из продуктов восстановления низкосортных руд.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раскрытие направлено на процесс производства отделяемых (разделяемых) железа и оксидов титана из руды, содержащей оксид титана и оксид железа(III), обычно - низкосортной руды, богатой оксидами титана и оксидом железа(III), еще более типично - ильменита, включающий в себя:
(a) формирование агломератов, содержащих материалы на основе углерода и руду, причем количество углерода в этих агломератах является достаточным для, при повышенной температуре, восстановления оксида железа(III) до оксида железа(II) и образования богатого оксидом железа(II) расплавленного шлака;
(b) введение агломератов на углеродный слой печи с подвижным подом;
(с) нагревание агломератов в печи с подвижным подом до температуры, достаточной для восстановления и плавления агломератов с получением богатого оксидом железа(II) расплавленного шлака;
(d) металлизацию оксида железа(II) в расплавленном шлаке посредством реакции оксида железа(II) и углерода из углеродного слоя при температуре печи, достаточной для поддержания шлака в расплавленном состоянии;
(e) затвердевание шлака после металлизации оксида железа(II) с образованием матрицы богатого оксидом титана шлака с множеством распределенных по нему гранул металлического железа; и
(f) отделение гранул металлического железа от шлака, причем шлак содержит более 85% диоксида титана в расчете на общую массу матрицы после отделения металлического железа.
В одном варианте реализации восстановление и плавление агломератов происходит одновременно. Кроме того, металлизация может осуществляться при условиях, достаточных для того, чтобы небольшие капельки расплавленного металла железа, образовавшиеся в расплавленном шлаке, слились в большие капли расплавленного металла железа.
Кроме того, раскрытие направлено на продукт металлизации богатого оксидом железа(II) расплавленного шлака, содержащий матрицу богатого оксидом титана шлака с множеством распределенных по нему гранул металлического железа, причем гранулы металлического железа являются механически отделяемыми от матрицы оксида титана, причем эта матрица содержит более 85% оксидов титана в расчете на общую массу матрицы после механического отделения механически отделяемой части металлического железа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой вид сверху печи с вращающимся подом для восстановления богатых титаном руд и производства металла железа и высокосортных оксидов титана.
Фиг.2 представляет собой упрощенную схематическую диаграмму процесса согласно данному раскрытию.
Фиг.3 представляет собой электронный микроснимок шлакового продукта размером 75 микрон из примера 1. Ширина всего кадра составляет 115 микрон.
Фиг.4 представляет собой фотографическое изображение отделенных гранул железа продукта из примера 3.
Фиг.5 представляет собой электронный микроснимок шлакового продукта размером менее 75 микрон после отделения гранул железа из примера 3. Ширина всего кадра составляет 115 микрон.
Фиг.6 представляет собой оптическую микрофотографию продукта металлизации процесса, схожего с примером 3, до измельчения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В этом раскрытии использовали низкосортную руду, богатую оксидами титана и оксидами железа. Титан, присутствующий в низкосортной руде, встречается в комплексных оксидах, обычно в сочетании с железом, а также содержащимися оксидами других металлов и щелочноземельных элементов. Титан обычно находят в ильменитах, причем либо в виде песка, либо в виде месторождения твердой породы. Низкосортные богатые титаном руды, такие как ильменитовый песок, могут содержать от примерно 45 до примерно 65% диоксида титана, от примерно 30 до примерно 50% оксидов железа и от примерно 5 до примерно 10% пустой породы. Как сообщается, месторождения твердой породы ильменита содержат от примерно 45 до примерно 50% диоксида титана, от примерно 45 до примерно 50% оксидов железа и от примерно 5 до примерно 10% пустой породы. В процессе согласно этому раскрытию могут использоваться такие богатые титаном руды.
Агломераты, пригодные для использования в качестве шихты в процессе на вращающемся поде, содержат руду и количество углерода, достаточное для первой стадии плавления, на которой происходит восстановление оксида железа(III) до оксида железа(II) при восстановительных условиях. Точное количество углерода будет варьироваться в зависимости от содержания оксида железа в руде и особенно от содержания оксида железа(III). Однако используются менее чем стехиометрические количества углерода (т.е. количества углерода, достаточные для восстановления всех оксидов железа в руде до металлического железа), так что агломераты будут плавиться до второй стадии металлизации, на которой происходит восстановление большей части оксида железа(II) до металла железа. Незначительная степень такой металлизации может произойти на первой стадии и не вредит процессу согласно этому раскрытию.
Когда упоминается количество углерода, оно означает содержание связанного углерода в материале, который обеспечивает источник углерода. Содержание связанного углерода определяется экспресс-анализом твердых видов топлива, таких как уголь, посредством нагревания образца в отсутствие воздуха до 950°С для удаления летучего вещества (которое обычно включает в себя некоторое количество углерода). Углерод, который остается в золе при 950°С, представляет собой содержание связанного углерода.
В случае типичной руды, которая может быть использована в процессе согласно данному раскрытию и которая содержит от примерно 30 до примерно 50% оксидов железа, количество углерода может составлять в диапазоне от примерно 0,5 до примерно 8,0 мас.%, более типично - от примерно 1,0 до примерно 6,0 мас.%, в расчете на общую массу агломерата. В случае ильменита и/или песка, содержащего ильменит, количество углерода может составлять в диапазоне от примерно 1,0 до примерно 8,0 мас.%, более типично - от примерно 2,0 до примерно 6,0 мас.%, в расчете на общую массу агломерата. В случае породных месторождений ильменита количество углерода может составлять в диапазоне от примерно 0,5 до примерно 5,0 мас.%, более типично - от примерно 1,0 до примерно 3,0 мас.%, в расчете на общую массу агломерата.
Обычно количество углерода в агломератах является достаточным для восстановления оксида железа(III), но недостаточным для металлизации более чем примерно 50% оксида железа(II), более типично - недостаточным для металлизации более чем примерно 20% оксида железа(II), в расчете на агломерат.
Источник углерода, пригодный для использования в агломератах, может быть любым углеродистым материалом, таким как, не ограничиваясь перечисленным, уголь, кокс, древесный уголь и нефтяной кокс.
Агломераты формируют смешиванием руды и источника углерода, необязательно вместе со связующим материалом, и формообразованием смеси в окатыши, брикеты, экструдаты или прессовки, которые обычно высушивают при температуре, составляющей в диапазоне от примерно 100 до примерно 200°С. Оборудование, способное перемешивать исходные компоненты и придавать им форму, хорошо известно специалистам в данной области техники. Обычно агломераты колеблются по среднему диаметру от примерно 2 до примерно 4 см для легкости обращения с ними.
Необязательный связующий материал может представлять собой, без ограничения перечисленным, органические связующие или неорганические связующие, такие как бентонит или гидратная известь. Подходящие количества связующего составляют в диапазоне от примерно 0,5 до примерно 5 мас.%, обычно от примерно 1 до примерно 3 мас.%, в расчете на общую массу агломератов.
В отличие от процесса восстановления типичной руды, руда в агломератах может использоваться без перемалывания в мелкий порошок. Однако руда может дробиться и/или классифицироваться перед тем, как ее формуют в агломераты, до среднего размера частиц, составляющего в диапазоне от примерно 0,1 до примерно 1 мм, для того, чтобы отделить любые большие куски, которые могут представлять проблемы при обращении. Например, если используют залежи породы, то их обычно дробят или классифицируют для получения частиц руды, средний размер которых составляет в диапазоне от примерно 0,1 до примерно 1 мм.
Агломераты загружают в печь с вращающимся подом, в которой они нагреваются до температуры, достаточной для первой стадии плавления с получением богатого оксидом железа(II) расплавленного шлака. При обычном процессе агломераты загружают посредством загрузочного лотка, который помещает их на слой углеродистого материала, обычно слой угля или частиц кокса. Толщина слоя этого может составлять в диапазоне от примерно 1 до примерно 5 см.
Температуры внутри печи с подвижным подом, достаточные для первой стадии плавления, могут составлять в диапазоне от примерно 1300°С до примерно 1800°С, обычно - от примерно 1400°С до примерно 1750°С, а более типично - от примерно 1500°С до примерно 1700°С. Конкретная температура будет зависеть от состава руды. Период времени для этой стадии плавления может составлять в диапазоне от примерно 1 минуты до примерно 5 минут.
На первой стадии плавления содержание углерода в агломератах является достаточным для восстановления оксида железа(III) до оксида железа(II), но недостаточным для завершения любой значительной металлизации и, кроме того, недостаточным для полного восстановления оксида железа(II) до металла железа.
Богатый оксидом железа(II) расплавленный шлак, который получается в результате первой стадии плавления, контактирует с углеродным слоем при восстановительных условиях. Посредством этого контакта оксид железа(II) затем восстанавливается на второй стадии металлизации с получением продукта - металла железа.
Температура внутри печи с подвижным подом на второй стадии металлизации является достаточно высокой для поддержания шлака в расплавленном состоянии по мере того, как происходит металлизация оксида железа(II). Подходящие для этой цели температуры внутри подовой печи могут составлять в диапазоне от примерно 1500°С до примерно 1800°С, обычно - от примерно 1600°С до примерно 1750°С, а более типично - от примерно 1600°С до примерно 1700°С. Требуемая конкретная температура будет варьироваться в зависимости от состава руды.
При крупномасштабных печах температура внутри печи на первой стадии может быть, по меньшей мере, на примерно 100°С ниже, чем температура на второй стадии.
Период времени для этой второй стадии металлизации может быть длиннее, чем период для первой стадии плавления, и может составлять в диапазоне от примерно 5 минут до примерно 20 минут. Во время первой стадии восстановление оксида железа(III) в присутствии углерода, содержащегося в агломератах, и плавление происходят быстро. Наоборот, на второй стадии, предоставляя богатому оксидом железа(II) расплавленному шлаку достаточно времени для растекания по углеродному слою во время металлизации, можно увеличить производство больших частиц металла, так как капельки железа в расплавленном шлаке будут сливаться в более крупные капли, которые сохраняют свой размер во время охлаждения с образованием твердых частиц металла.
По мере того как протекает вторая стадия металлизации, шлак становится менее текучим и увеличивается концентрация титана в шлаке. Условия, достаточные для поддержания текучести шлака, могут помочь капелькам железа в расплавленном шлаке сливаться друг с другом, что способствует образованию легко отделяемых больших частиц железа.
Шлак затвердевает по мере того, как металлизация приближается к завершению. Предпочтительно, металлизацию осуществляют до, по меньшей мере, примерно 90%-ного завершения в расчете на агломераты, даже более предпочтительно - до, по меньшей мере, примерно 95%-ного завершения. Металл железо, который может быть в форме больших гранул, является легко отделяемым от твердого шлака посредством экономически эффективных процессов. Для отделения металла железа в идеале используют механические процессы. Химические процессы, такие как химическое выщелачивание, не являются необходимыми. Кроме того, не являются необходимыми такие экстенсивные процессы механического разделения, как интенсивное измельчение.
Типичные способы отделения металла включают в себя дробление, измельчение, просеивание и магнитное разделение (магнитную сепарацию).
Обычно гранулы железа из этого процесса составляют в среднем диаметре от примерно 0,05 до примерно 10 мм, а более типично - от примерно 0,1 до примерно 5 мм. Термин «гранулы» используется для различения больших кусков металлического железа, производимых посредством процесса согласно данному раскрытию, по сравнению с маленькими частицами металлического железа, получаемыми в результате традиционных процессов.
Обычно твердый шлаковый продукт этого процесса содержит более чем примерно 85% оксидов титана, а более типично - более чем примерно 87% оксидов титана, в расчете на общую массу твердого шлакового продукта после отделения механически отделяемого металлического железа. Термин «оксиды титана» означает TiO2, Ti3O5 и Ti2O3. Твердый шлаковый продукт может также содержать меньшие количества титана в форме TiO, TiC и TiN. Твердый шлаковый продукт может содержать незначительное количество остаточного металлического железа. Остаточное металлическое железо обычно является частью частиц металлического железа с диаметром ниже примерно 50 микрон. Обычно количество остаточного металлического железа составляет менее примерно 6%, более типично - менее примерно 4%, в расчете на общую массу твердого шлакового продукта после механического отделения механически отделяемых гранул металлического железа. В нем могут присутствовать небольшие количества других примесей, таких как FeO и другие оксиды. Количество этих других примесей обычно составляет меньше чем 8%, а более типично - меньше чем 6%, от общей массы твердого шлакового продукта.
Печью с подвижным подом может быть любая печь, которая способна подвергать агломераты воздействию, по меньшей мере, двух температурных зон на слое углерода. Подходящей печью может быть туннельная печь, трубчатая печь или печь с вращающимся подом. В процессе может использоваться установка с единственной печью.
Обращаясь к чертежам и, в частности, к фиг.1, для восстановления шихты используется печь с вращающимся подом. Используется печь 10, имеющая размеры типичной подовой печи, используемой в черной металлургии. Печь с вращающимся подом имеет поверхность 30, которая вращается от зоны 12 подачи материала. Поверхность 30 может быть поверхностью огнеупорного слоя или слоя стекловидного пода, оба из которых хорошо известны в области переработки железных руд в подовой печи. Поверхность вращается от зоны подачи материала через множество зон 14, 16, 17 горелок, реакционную зону, простирающуюся на, по меньшей мере, часть зон горелок, и зону 18 выгрузки, которая содержит охлаждающую плиту 48 и разгрузочное устройство 28. Максимальная температура печи обычно достигается в зоне 17. Первая и вторая стадии процесса согласно данному раскрытию происходят в реакционной зоне. Поверхность 30 вращается повторяющимся образом от зоны 18 выгрузки к зоне 12 подачи материала и через реакционную зону для обеспечения непрерывной работы. Каждая из зон горелок может обогреваться множеством горелок 20 и 22, работающих на топливовоздушной смеси, нефти, угле или с обогащенным кислородом.
Зона 12 подачи материала включает в себя проем 24 и механизм 26 подачи, с помощью которого агломераты загружаются в печь. Слой, содержащий углерод, расположен на, по меньшей мере, большей части поверхности 30, а обычно вся эта поверхность имеет слой, содержащий углерод, на котором размещены агломераты. Слой, содержащий углерод, может размещаться на поверхности с помощью любых подходящих средств, обычно с помощью конвейера 34 твердых материалов. Агломераты могут быть выровнены на полезную высоту над этой поверхностью с помощью выравнивателя 29, который простирается на ширину поверхности 30. Агломераты непрерывно подаются в печь с помощью механизма подачи по мере того, как поверхность вращается вокруг печи и через каждую зону. Скорость вращения контролируется регулированием привода с переменной скоростью.
Обращаясь к фиг.2, там показан процесс, при котором руду вводят в зону 51 перемешивания. Углерод может вводиться в зону 50 уменьшения размеров до ввода в зону 51 перемешивания, в
которой руду и углерод смешивают вместе с любыми необязательными добавками, такими как связующие, и формуют в агломераты. Агломераты вводят в зону 52 печи с вращающимся подом, в которой оксид железа(III) в этих агломератах восстанавливается и металлизируется, как описано здесь. Горячий продукт 42, как показано на фиг.1, охлаждают любыми подходящими средствами. Затем охлажденный продукт просеивают в зоне 53 просеивания, затем измельчают в зоне 54 измельчения для того, чтобы отделить металлическое железо от продукта - высокосортных оксидов титана. Рециркулируемый материал может быть также отделен и введен в зону 51 перемешивания. Продукт в виде металлического железа может быть отформован в брикеты в зоне 55 брикетирования, из которой отводят продукт - металлическое железо.
Альтернативно, в меньших масштабах могут использоваться трубчатые печи обычной конструкции, использующие трубу из оксида алюминия высокой чистоты в качестве муфеля. Эти печи могут быть нагреты до температур от примерно 1500°С до примерно 1700°С и эксплуатироваться в атмосфере азота или аргона.
В другом варианте реализации раскрытия в шихту во время второй фазы металлизации добавляют частицы угля или кокса с тем, чтобы обеспечить более восстанавливающий контакт, таким образом улучшая процесс металлизации.
В еще одном варианте реализации изобретения композиты шлака меньшего размера (синтетического рутила) и железа-синтетического рутила отделяют от продукта оксидов титана и рециркулируют в процесс.
В одном варианте реализации описанное здесь изобретение может быть истолковано как исключающее любой элемент или этап процесса, который существенно не влияет на основные и новые характеристики композиции или процесса. Кроме того, изобретение может толковаться как исключающее любой элемент или этап процесса, не указанный здесь.
Заявители специально включили все содержание всех цитированных документов в это раскрытие. Далее, когда количество, концентрация или другие величина или параметр даны либо как диапазон, либо как предпочтительный диапазон, либо как список верхних предпочтительных значений или нижних предпочтительных значений, это следует понимать как намеренно раскрывающее все диапазоны, образованные из любой пары любого верхнего предела диапазона или предпочтительного значения и любого нижнего предела диапазона или предпочтительного значения, независимо от того, раскрыты ли эти диапазоны отдельно. Там, где в этом документе указан какой-либо диапазон числовых значений, если не отмечено иное, этот диапазон предполагается включающим в себя его конечные точки и все целые и дробные числа в пределах данного диапазона. Не предполагается, что объем изобретения ограничен конкретными величинами, указанными при определении диапазона.
ПРИМЕРЫ
Следующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение. Все части, процентные содержания и пропорции даны по массе, если не указано иное. Размеры частиц менее 75 микрон были определены анализом изображений на электронных микроснимках, в то время как большие размеры определяли просеиванием.
Пример 1
В этом примере агломераты содержали слишком много углерода.
Таблетки приготовили перемешиванием и спрессовыванием вместе при температуре окружающей среды 79,7 процента по массе ильменитовой руды (61% TiO2 в расчете на общую массу руды) и 20,3 процента угля (71% связанного углерода на основании экспресс-анализа) в цилиндры диаметром 20 мм и толщиной 7 мм. Остаточную воду удаляли из этих таблеток сушкой. Высушенные таблетки помещали на слой коксовой мелочи в тигле из оксида алюминия и перемещали в трубчатую печь, которая уже была нагрета до 1600°С в атмосфере азота. Трубчатая печь была обычной конструкции с использованием трубки из оксида алюминия высокой чистоты в качестве муфеля. Температура печи упала по порядку величины на примерно 50°С, когда первоначально вводили таблетки. Температура снова увеличилась до начальной температуры. Спустя 25 минут после того, как ввели таблетки, их извлекли из печи и дали остыть. Таблетки сохранили свою первоначальную форму, и это указывает на то, что они не были расплавлены. Было обнаружено, что металлизация железа составляет по существу 100%. Средний размер частиц металлического железа был примерно 15 микрон. Это железо не могло быть легко отделено от богатой оксидом титана фазы. Гранулометрический состав конечного продукта указывал на то, что их разделение было бы сложным. Попытки отделить частицы железа этого размера измельчением с последующим магнитным разделением были безуспешными из-за малого размера частиц. Компонент оксида титана конечного измельченного и отделенного продукта содержал слишком много железа, в то время как компонент железа содержал слишком много оксида титана.
Электронный микроснимок с шириной всего кадра в 115 микрон продукта из данного примера после измельчения показан на фигуре 3 (частицы измельченного продукта заделали в смолу, порезали, отполировали и сняли их изображения на электронном микроскопе, так что остаточные частицы железа выглядят светлыми, а богатый оксидом титана материал выглядит серым). Как показано на фиг.3, матрица шлака содержала много маленьких (менее 10 микрон) частиц металлического железа, которые не могли быть эффективно удалены посредством процессов обычного измельчения и разделения просеиванием.
Пример 2
В этом примере температура внутри печи была слишком низкой. Таблетки приготовили перемешиванием и спрессовыванием вместе при температуре окружающей среды 95,5 процента по массе ильменитовой руды (61% TiO2 в расчете на общую массу руды), 3 процентов угля (71% связанного углерода) и 1,5 процента связующего на основе пшеничной муки в цилиндры диаметром 20 мм и толщиной 7 мм. Небольшое количество связующего было необходимо из-за более низкого содержания углерода в этих таблетках. Остаточную воду удаляли из таблеток сушкой. Высушенные таблетки помещали на слой коксовой мелочи в тигле из оксида алюминия и перемещали в трубчатую печь, которая уже была нагрета до 1600°С в атмосфере азота. Температура печи упала по порядку величины на примерно 50°С, когда первоначально вводили таблетки. Температура постепенно увеличилась до начальной температуры. Спустя 25 минут после того, как ввели таблетки, их извлекли из печи и дали остыть. Искаженный и стекловидный внешний вид говорил о том, что таблетки были расплавлены и затвердели вновь. Было обнаружено, что металлизация железа составляет менее 60%. Средний размер гранул металлического железа был примерно 75 микрон. Хотя металлизированное железо могло быть отделено, значительное количество неметаллизированного железа осталось тщательно смешанным с оксидами титана.
Пример 3
Таблетки приготовили перемешиванием и спрессовыванием вместе при температуре окружающей среды 93,5 процента по массе ильменитовой руды (61% TiO2), 5,5 процента угля (71% связанного углерода) и 1 процента связующего на основе пшеничной муки в цилиндры диаметром 20 мм и толщиной 7 мм. Остаточную воду удаляли из этих таблеток сушкой. Высушенные таблетки помещали на слой коксовой мелочи в тигле и перемещали в печь, которая уже была нагрета до 1675°С в атмосфере аргона. Температура печи упала по порядку величины на примерно 50°С, когда первоначально вводили таблетки. Температура постепенно увеличилась до начальной температуры. Спустя 25 минут после того, как ввели таблетки, их извлекли и дали остыть. Искаженный и стекловидный внешний вид говорил о том, что таблетки были расплавлены и затвердели вновь. Было обнаружено, что металлизация железа составляет более 95% на основании количественного рентгенодифракционного анализа. Средний размер гранул металлического железа был более 500 микрон с 95% от общего количества отделенных гранул более 75 микрон. Почти все железо могло быть удалено из более тонкой, богатой оксидом титана фазы дроблением и просеиванием на сите 200 меш. Элементный анализ посредством атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой определил, что богатая оксидом титана фаза содержала 87% оксида титана (содержание титана приведено как TiO2, и сумма с оставшимся металлом железом и концентрациями оксидов других металлов нормализована до 100%). Рентгенодифракционный анализ показал, что титан в основном присутствовал в виде Ti3O5 с некоторым количеством Ti2O3.
Фиг.4 представляет собой фотографическое изображение (ширина всего кадра 12,5 мм) гранул железа, которые были механически отделены от продукта, изготовленного согласно примеру 3.
Фиг.5 представляет собой электронный микроснимок (ширина всего кадра 115 микрон) шлакового продукта менее чем 75 микрон после измельчения и удаления гранул железа просеиванием (отделенные частицы шлакового продукта заделали в смолу, разрезали, отполировали и сняли их изображения на электронном микроскопе, так что остаточные частицы железа выглядят светлыми, а богатый оксидом титана материал выглядит серым). Сравнивая фиг.5 с фиг.3, измельченный продукт по фиг.3 имел значительное содержание металла железа, и частицы металла железа были маленькими, что затрудняло их отделение механическими средствами. Вместе с тем, шлаковый продукт, показанный на фиг.5, демонстрирует немного частиц металла железа, остающихся внутри твердого шлакового продукта после отделения более крупных гранул металла железа (фиг.4) посредством измельчения и просеивания.
Фиг.6 представляет собой полированное сечение продукта процесса, схожего с примером 3, перед измельчением. Даже при относительно большом масштабе этой фигуры видны некоторые гранулы железа.
Приведенное описание иллюстративных и предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения не предполагает ограничения объема изобретения. Могут быть использованы различные модификации, альтернативные конструкции и эквиваленты без отхода от фактической сущности и объема прилагаемой формулы изобретения.
1. Способ извлечения оксида титана и железа из руды, включающий в себя стадии: (а) обеспечение руды, содержащей оксид железа (III) и оксид титана, при температурах окружающей среды, (b) смешивание руды с источником углерода с формированием агломератов, (с) введение упомянутых агломератов на углеродный слой единственной печи с подвижным подом, (d) нагревание упомянутых агломератов на углеродном слое до температуры в диапазоне от примерно 1300°С до примерно 1800°С для восстановления оксида железа (III) до оксида железа (II) и плавления упомянутых агломератов с образованием богатого оксидом железа (II) расплавленного шлака, чтобы начать металлизацию оксида железа (II), причем количество упомянутого источника углерода, использованного на стадии (b), является таким, что количество углерода недостаточно для металлизации более чем 50% оксидов железа (III) и железа (II) на стадиях (d) и (е), (е) нагревание упомянутых агломератов на углеродном слое до максимальной температуры свыше 1500°С для достижения желательной степени металлизации за счет реакции с углеродным слоем, так что богатый оксидом железа (II) расплавленный шлак становится богатым оксидом титана шлаком, который содержит большие капли железа, (f) охлаждение богатого оксидом титана шлака до тех пор, пока этот богатый оксидом титана шлак не затвердеет и не будет содержать твердые гранулы металлического железа, и (g) механическое отделение твердых гранул металлического железа от богатого оксидом титана шлака, при этом стадии (с), (d) и (е) происходят в единственной печи с подвижным подом.
2. Способ по п.1, в котором руда является низкосортной рудой, богатой оксидами титана и оксидом железа (III).
3. Способ по п.1, в котором упомянутые агломераты имеют такое количество источника углерода, которое меньше, чем стехиометрическое количество.
4. Способ по п.1, в котором руда содержит от примерно 30% до примерно 50% оксидов железа.
5. Способ по п.4, в котором количество упомянутого источника углерода составляет от примерно 0,5 мас.% до примерно 10 мас.% в расчете на общую массу упомянутых агломератов.
6. Способ по п.1, в котором руда является ильменитом.
7. Способ по п.1, в котором руда является ильменитовым песком, и количество источника углерода составляет от примерно 1,0 мас.% до примерно 8,0 мас.% в расчете на общую массу упомянутых агломератов.
8. Способ по п.1, в котором руда является ильменитовой породой.
9. Способ по п.1, в котором упомянутые агломераты, сформированные в результате смешивания на стадии (b), содержат множество частиц руды, составляющих по среднему размеру частиц в диаметре от примерно 0,1 мм до примерно 1,0 мм.
10. Способ по п.1, в котором печью с подвижным подом является туннельная печь или печь с вращающимся подом.
11. Способ по п.1, в котором количество упомянутого источника углерода является недостаточным для восстановления и металлизации более чем примерно 20% оксидов железа (III) и железа (II) на стадии (d).
12. Способ по п.1, в котором упомянутые агломераты стадии (b) нагревают до температур высушивания примерно от 100°С до 200°С.
