Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Ильменит-титаномагнетитовая руда Медведевского месторождения представляет собой оксидный материал, включающий рудные зерна титаномагнетита и ильменита, а также пустую породу в виде силикатных минералов клино – и орто-пироксенов. По результатам рентгенофазового анализа образца руды, было выявлено, что основными рудными составляющими руды являются ильменит, титаномагнетит и гематит. Наличие гематита в руде связанно, с тем, что образец долгое время находился на поверхности земли и с воздействием атмосферы воздуха рудные зерна титаномагнетита окислились с его образованием. По результатам элементного анализа показано, что рудные зерна ильменита имеют стехиометрическое соотношение железа и титана, содержание ванадия около 0,4 масс. %, а также в небольшом количестве примеси Mg, Si и Ca. Титаномагнетитовые рудные зерна имеют около 55…61 масс. % Fe, 1,5…6 масс. % Ti, 0,5…0,8 масс. % V, а также примеси Al и Si. Из результатов анализа карты распределения было показано, что в рудных зернах титаномагнетита присутствуют мелкие игольчатые вкрапления ильменита. По результатам обогащения был получен концентрат с содержанием фаз титаномагнетита 43 масс. %, ильменита 29 масс. %, гематита 28 масс. %. Главным преимуществом данного концентрата является совместное присутствие железо, титан, ванадий содержащих фаз, что позволит сравнивать результаты экспериментов по восстановлению металлов в этих фазах, а также сконцентрировать эти элементы при комплексной переработке руды. Выбор метода окускования и использования связующих осуществляли, придерживаясь концепции максимального сохранения концентрации ценных компонентов титана и ванадия, и учетом возможной дальнейшей переработки. Максимальное сохранение концентрации ценных элементов будет достигнуто при отсутствии связующих компонентов, и будет уменьшаться с увеличением количества их добавления. В результате проделанных работ были получены окатыши и брикеты без связующего, с добавлением жидкого стекла в количестве 10 масс. % от массы концентрата, и с добавлением бентонита в количестве 5 масс. % от массы концентрата. Так как одним из наиболее распространенных технологий восстановления является восстановление в шахтных агрегатах, где в основном окускованные материалы испытывают давление столба шихты, что вызывает существенные нагрузки на раздавливание, при исследовании прочности полученных брикетов и окатышей исследовали именно этот технологический параметр. Прочность брикетов, полученных без использования связующего, неудовлетворительна, так как образцы не оказали существенного сопротивления, что не позволило получить достоверных данных об их прочности. Окатыши из жидкого стекла и бентонита выдерживают усилие до разрушения около 3000 Н (300 кгс). Брикеты, полученные с добавлением бентонита, выдерживали усилие до разрушения около 6000 Н (600 кгс), а с использованием жидкого стекла 4000 Н (400 кгс). Более высокая прочность брикетов, по сравнению с окатышами, достигается, по-видимому, за счет более плотной структуры. Исходя из результатов исследований окускования и прочностных свойств брикетов на раздавливание, можно сделать следующие выводы: - Использование концентрата без связующих не целесообразно в шахтных агрегатах ввиду низкой прочности окатышей и брикетов, однако ввиду сохранения максимальной концентрации элементов их использование возможно в печах типа кипящего слоя. - Использование бентонита более предпочтительно при окусковании концентрата, так как для получения брикетов необходимо меньшее его добавление по сравнению с жидким стеклом. - В шахтных агрегатах более предпочтительно использование брикетов ввиду их более плотной структуры и соответственно прочности. Проведение термодинамического анализа имеет важное значение, так как позволяет оценить возможность протекания реакций и их полноту. При проведении термодинамического расчета использовался программный комплекс Terra, с использованием которого были получены равновесные составы продуктов реакции для стехиометрического количества водорода в интервале температур от 500 до 1700 градусов Цельсия и давлении 1 атм. Помимо стехиометрии были проведены расчеты превышающие данные значения в 10, 100, 1000 крат для оценки влияния избытка восстановителя на степень металлизации. Помимо стехиометрии были проведены расчеты превышающие данные значения в 10, 100, 1000 крат для оценки влияния избытка восстановителя на степень металлизации. - Показано, что с увеличением количества водорода в системе увеличивается степень металлизации, что связанно с уменьшением массовой доли продукта реакции H2O в газовой фазе. Поскольку на следующем этапе запланированы лабораторные эксперименты по восстановлению железа из концентрата, которые планируется проводить в проточной атмосфере восстановителя, наиболее близким является вариант термодинамического расчета с 1000 кратным избытком водорода, так как при этом отношение H2O к Н2 будет стремиться к нулю. - Полная металлизация железа из титаномагнетитового и ильменитового концентратов в условиях равновесия не достижима, даже при температуре 1700 градусов Цельсия и 1000 кратном избытке водорода. Невозможность полного восстановления связано с образованием прочных комплексных оксидов CaFeSiO4 и FeAl2O4. - Восстановление титана из титаномагнетитового концентрата до металла наблюдается в небольшом количестве со степенью металлизации 0,01…0,69 % в интервале температур 1350…1700 градусов Цельсия. В то же время, восстановление титана из ильменитового концентрата до металла наблюдается в небольшом количестве со степенью металлизации 0,01…0,05 % в интервале температур 1500…1700 градусов Цельсия. Также наблюдается его восстановление до низшего оксида TiO. - Восстановление кремния, марганца и ванадия из титаномагнетитового концентрата наблюдается при температурах 900, 600, 750 градусов Цельсия соответственно. Восстановление кремния, марганца и ванадия из ильменитового концентрата наблюдается при температурах 900, 650, 750 градусов Цельсия соответственно. - Максимальное количество TiO2 в оксидной фазе в титаномагнетите достигается в количестве 49,14 масс. % при 1400 градусах Цельсия, а в ильмените 77,06 масс. % при 1650 градусах Цельсия. - Исходя из полученных результатов термодинамического расчета, для селективного восстановления железа из ильменитового и титаномагнетитового концентрата с сохранением титана и ванадия в оксидной фазе процесс твердофазного восстановления требуется вести при температурах менее 750 градусов Цельсия, однако ввиду кинетических затруднений восстановления ванадия возможно повышение температуры. При сравнении результатов термодинамического расчета восстановления металлов из титаномагнетитового и ильменитового концентратов, полученных из ильменит-титаномагнетитового месторождения, водородом и углеродом, можно сделать вывод, что восстановление водородом позволяет восстанавливать железо при более низких температурах.