Курсовая работа: Проектирование отделения восстановительной электроплавки ильменитового концентрата

Курсовая работа: Проектирование отделения восстановительной электроплавки ильменитового концентрата

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Восточно-Казахстанский Государственный Технический Университет им. Д.Серикбаева

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«металлургия легких и редких металлов»

Тема:

«Проектирование отделения восстановительной

электроплавки ильменитового концентрата»

Выполнил студент

Группы 240740

Срок обучения 3г 10 мес

Шифр:

Усть-Каменогорск, 2008 г.

Задание на курсовой проект

Тема: «Проектирование отделения восстановительной электроплавки ильменитового концентрата»

Исходные данные:

Состав ильменитового концентрата, (%): TiO2 –52,6; ZiO2 –1,53; Cr2O3 –3,75; Fe2O3 –29,4; FeO –3,46; SiO2 –4,46; Al2O3 –3,9; Mg –0,52; MnO –2,65; V2O5 –0,14; P2O5 –0,04; S -0,056.

Производительность отделения титанового шлака: 50000 т/год.

Содержание

Введение

1 Расчет технологических процессов

1.1 Расчёт материальных потоков, материальный баланс

1.2 Расчёт теплового баланса рудно-термической печи

2 Расчет оборудования

2.1 Выбор и технологический расчёт основного оборудования

2.2 Выбор и расчёт вспомогательного оборудования

3 Охрана труда и техника безопасности

3.1 Анализ опасных производственных факторов

3.2 Организационные и технические мероприятия

3.3 Санитарно-гигиенические мероприятия

Список использованной литературы

Введение

Высокие темпы развития техники обуславливают необходимость расширения применяемых высококачественных конструкционных материалов с самыми различными свойствами. С каждым годом увеличивается количество металлов и сплавов, используемых при создании новых механизмов, машин, приборов.

Среди металлов, на основе которых разрабатываются сплавы с повышенными механическими и коррозионными свойствами, способные работать в сложных условиях, важное место принадлежит титану.

Титан, как ни один другой металл, обладает удачным сочетанием физических, химических и механических свойств. Своей тугоплавкостью, исключительной коррозионной стойкостью и высокой механической прочностью на единицу массы он превосходит такие широко распространённые конструкционные металлы, как железо, алюминий, магний. В соответствии со свойствами титан применяют главным образом в авиастроении, ракетостроении и химической промышленности.

Современное производство титана основано на переработке рутиловых и ильменитовых концентратов. Наибольший интерес представляет производство титана из ильменитовых концентратов, при плавке которых получаются высокотитановые шлаки.

В настоящее время выплавка титановых шлаков производиться руднотермическим способом. Руднотермия –отрасль техники, занимающаяся восстановлением окислов металлов с использованием электрической энергии как источника тепла.

Сущность руднотермического способа выплавки титановых шлаков состоит в нагреве исходной шихты – титанового концентрата и восстановителя – в ванне руднотермической печи. При этом добиваются осуществления сложных физико-химических процессов восстановления окислов, расплавления и разделения образующихся продуктов реакции –титанового шлака и металла. Достигается комплексное использование сырья и практически полное разделение железа и титана с получением товарных продуктов: легированого чугуна и титанового шлака.

Исследованию восстановления железо-титановых концентратов в твёрдой фазе посвящены многие работы, которые, в зависимости от природы применяемого восстановителя, можно условно разделить на группы:

-  восстановление концентратов с использованием в качестве восстановителя водорода;

-  восстановление концентратов с использованием в качестве восстановителя углерода или его газообразных соединений;

-  выделение из титановых концентратов железа и других примесей с помощью выщелачивания.

В работе [7] рассмотрено восстановление водородом при 700-900°С тонко измельчённой механической смеси Fe2O3 + 3TiO2 (соответствует по составу аризониту) аризонитового и ильменитового концентратов. Результаты исследований показывают, что наиболее легко восстанавливается железо, входящее в состав механической смеси.

Проведены исследования по восстановительному обжигу ильменитовых концентратов различного происхождения и состава с использованием в качестве восстановителя технического водорода. Опыты проводились в кварцевом реакторе при температуре 700-1200°С. Были сделаны следующие выводы: восстановление концентрата, в котором титан находиться в основном виде аризонита протекает лучше с заметной скоростью уже при температуре 700°С, при 900°С и выдержке 2 ч свыше 90% содержащихся в концентрате оксидов железа восстанавливаются до металла. Дальнейшее увеличение температуры и выдержки не оказывают существенного влияния на степень восстановления железа.

В результате восстановительного обжига при указанных условиях магнитная восприимчивость возросла в несколько десятков и сотен раз (в виду разного состава).

При этом присутствующий в концентрате хромит при восстановительном обжиге практически не повышает своей магнитной восприимчивости. Это позволяет достаточно полно отделить его от ильменита в процессе магнитной сепарации.

Указанные обстоятельства представляют особый интерес, так как могут открыть возможность для использования титанового сырья с повышенным содержанием хрома для производства пигментного диоксида титана и металла.

Исследования восстановления ильменита углеродом и его соединениями рассмотрены рядом авторов [4,8,9].

Опыты проводили в вакууме при непрерывной откачке газообразных продуктов. Восстановление ильменита начинается при более высоких температурах и протекает медленнее, чем восстановление оксида двухвалентного железа: при 1150°С и выдержке 15 ч восстановилось до металла только 85% входящей в состав ильменита закиси железа. В присутствии СО и при увеличении её парциального давления скорость восстановления возрастает, причём наиболее заметно при одновременном присутствии твёрдого углерода и СО. Восстановление TiO2 до низших окислов (Ti2O5, Ti2O3) наблюдалось только при температуре 1150°С и выше при большом избытке восстановителя.

По результатам этих опытов сделан вывод, что ильменит восстанавливается в основном за счёт взаимодействия с СО без разложения его на TiO2 и FeO. Восстановление FeO ускоряет восстановление, связанной с ним в ильмените TiO2. Тормозящее влияние на скорость восстановления ильменита оказывают добавки SiO2, Al2O3, Fe3O4, что объясняется уменьшением реакционной поверхности материала из-за образования силикатов, алюминатов и ферритов. Соли же щелочных металлов (особенно поташ) активизируют процесс.

Отмечается [8] ступенчатый характер восстановления TiO2 из ильменита до низших оксидов по реакциям:

FeO · TiO2 + C = Fe + TiO2 + CO, ΔG°T = 37900 - 33,88T

3/4FeO · TiO2 + C = 3/4Fe + 1/4Ti3O5 + CO, ΔG°T = 40106 + 36,39T

2/3FeO · TiO2 + 2CO = 2/3Fe + 1/3Ti2O3 + 2CO2, ΔG°T = 42434 - 36,87T

1/2FeO · TiO2 + C = 1/2Fe + 1/2TiO + CO, ΔG°T = 53684 + 37,62T

Образующиеся в процессе восстановления полутораоксид и монооксид титана при повышении температуры растворяются в решётке ильменита с образованием однофазных твёрдых растворов, что осложняет восстановление оксида двухвалентного железа из ильменита.

В лабораторных условиях изучено восстановление индивидуальных ильменита и титаномагнетита оксидом углерода и металлургическим коксом при 800-1100°С [4].

Установлено, что восстановление указанных титанатов оксидом углерода носит сорбционный характер и при 900°С протекает при селективном восстановлении магнетита, входящего в состав титаномагнетита, причём эта селективность сохраняется до достижения степени восстановления железа около 30%.

При восстановлении в тех же условиях титанатов твёрдым углеродом процесс протекает также в широким развитием сорбционных явлений. Однако здесь не наблюдается селективного восстановления магнетита вследствие протекания реакций Будуара с образованием в сорбционном слое газовой фазы с более высоким содержанием СО, что приводит к одновременному восстановлению магнетита и ильменита.

На основании полученных в работе [9] данных об изменении энергии активации процесса сделано заключение, что восстановление титанатов оксидом углерода и твёрдым углеродом протекает в кинетической, переходной и диффузионной областях и что наиболее высокая скорость процесса наблюдается в кинетической области.

В промышленных условиях поддержание реакции в кинетической области может быть достигнуто, в частности, за счёт брикетирования шихты и проведения процесса при быстром её разогреве, особенно в условиях кипящего слоя.

Вопросы, представляющие интерес для изучения процесса восстановительного обжига титановых концентратов, рассмотрены в ряде работ [4,8,9]. Во многих исследованиях отмечается целесообразность окислительного обжига ильменитовых концентратов перед их восстановительным обжигом [4,8]. Предварительный окислительный обжиг концентратов позволяет перевести двухвалентное железо в трёхвалентное и ослабить структуру ильменита, что приводит к повышению его химической активности. Кроме того, в результате окислительного обжига на поверхности зёрен ильменита образуется пористая плёнка, предотвращающая их спекание при последующем восстановительном обжиге. По данным работы [4], окислительный обжиг проводился при 900-950°С и продолжительность выдержки 1,5 ч с использованием в качестве окислителя воздуха с добавкой 10% О. По данным других работ, окисление ильменитового концентрата может осуществляться при 1000°С и выдержке 3 ч с добавлением в шихту около 1% пиролюзита.

В промышленных условиях процессы окислительного и восстановительного обжига ильменитового концентрата, содержащего, %: TiO2 52-56; FeO 16-19; MnO 1,3-1,5. Рентгеновский дифракционный анализ показал, что при окислительном обжиге во вращающейся трубчатой печи при 1000-1030°С образуются оксиды типа FeTi2O5, Fe2TiO5 и MnTiO5. В процессе восстановления обожённого таким образом материала в аналогичной печи с использованием в качестве восстановителя кокса и прохождения материала в течение 8 ч через температурные зоны печи (<1000, <1100, 1100 и >1100°С) происходит восстановление железа до металла и части TiO2 до низших оксидов титана, образующих при взаимодействии с ильменитом твёрдые растворы [4].

1 Расчёт технологических процессов

1.1 Расчёт материальных потоков, материальный баланс

Химический состав концентрата, (%): TiO2 –52,6; ZiO2 –1,53; Cr2O3 –3,75; Fe2O3 –29,4; FeO –3,46; SiO2 –4,46; Al2O3 –3,9; Mg –0,52; MnO –2,65; V2O5 –0,14; P2O5 –0,04; S -0,056.

1.  Расчёт выполнен на 100 кг концентрата .

Таблица 1- Распределение компонентов при плавки.

Компонент	Перейдёт в шлак	Перейдёт в металл	Улетучиться из РТП
TiO2	97,97	0,03	2,0
ZiO2	98,0	-	2,0
SiO2	65,0	15,0	20,0
Al2O3	98,0	-	2,0
Cr2O3	86,0	11,0	3,0
Fe2O3	14,0	84,0	2,0
MnO	83,0	2,0	15,0
MgO	98,0	-	2,0
V2O5	91,0	6,0	3,0
S	41,0	15,0	44,0
FeO	7,0	92,0	1,0
P2O5	31,0	46,0	23,0

Таблица 2 - Распределение компонентов по продуктам плавки

Компонент	Перейдёт в шлак	Перейдёт в металл	Улетучиться из РТП
TiO2 =52,6	52,6·0,9797=51,532	52,62·0,03·0,01=0,016	52,62·0,02=1,052
Fe2O3 =29,4	29,4·0,14=4,116	29,4·0,84=24,696	29,4·0,02=0,588
FeO = 3,46	3,46·0,07=0,242	3,46·0,92=3,183	3,46·0,01=0,035
SiO2 = 4,46	4,46·0,65=2,899	4,46·0,15=0,669	4,46·0,2=0,892
Al2O3 = 3,9	3,9·0,98=3,822	-	3,9·0,02=0,078
Cr2O3 = 3,75	3,75·0,86=3,225	3,75·0,11=0,413	3,75·0,03=0,113
ZiO2 = 1,53	1,53·0,98=1,499	-	1,53·0,02=0,031
MnO = 2,65	2,65·0,83=2,199	2,65·0,02=0,053	2,65·0,15=0,398
MgO = 0,52	0,52·0,98=0,510	-	0,52·0,02=0,01
V2O5 = 0,14	0,14·0,91=0,127	0,14·0,06=0,08	0,14·0,03=0,004
P2O5 = 0,04	0,04·0,31=0,012	0,04·0,46=0,018	0,04·0,23=0,009
S = 0,056	0,056·0,41=0,023	0,056·0,95=0,008	0,056·0,44=0,025

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7