Η Αρχή Τήξης της Σκωρίας Τιτανίου

1. Αρχή και Ροή Διεργασίας Τήξης Σκωρίας Τιτανίου

Ο πυρήνας της τήξης σε ηλεκτρικό φούρνο για σκωρία τιτανίου περιλαμβάνει την ανάμειξη ιλμενίτη με ένα στερεό αναγωγικό παράγοντα, όπως ανθρακίτη (ή οπτάνθρακα πετρελαίου ή οπτάνθρακα), και την εισαγωγή του μίγματος σε ένα ηλεκτρικό φούρνο για αναγωγική τήξη. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, τα οξείδια του σιδήρου εντός του μεταλλεύματος αναγάγονται επιλεκτικά σε μεταλλικό σίδηρο, ενώ τα οξείδια του τιτανίου εμπλουτίζονται στη σκωρία. Μετά τον διαχωρισμό της σκωρίας και του σιδήρου, λαμβάνονται σκωρία τιτανίου και μεταλλικός σίδηρος υποπροϊόντος. Το συμπύκνωμα τιτανίου αποτελείται κυρίως από TiO₂ και FeO, με πρόσθετα συστατικά όπως SiO₂, CaO, MgO, Al₂O₃ και V₂O₅. Η διαδικασία τήξης συνεπάγεται την αντίδραση οξειδίου του σιδήρου με άνθρακα υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, έντονης αναγωγής για τη δημιουργία λιωμένης σκωρίας τιτανίου και μεταλλικού σιδήρου, τα οποία στη συνέχεια διαχωρίζονται αποτελεσματικά λόγω διαφορών στο ειδικό βάρος και το σημείο τήξης. Οι χημικές αντιδράσεις που εμπλέκονται περιλαμβάνουν:

1. Fe₂O₃ + C = 2FeO + CO

2. FeO + C = Fe + CO

2. Κύρια Χαρακτηριστικά της Τήξης σε Ηλεκτρικό Φούρνο

Η σκωρία τιτανίου χαρακτηρίζεται από το υψηλό σημείο τήξης, τη μεγάλη διαβρωτικότητα, την υψηλή αγωγιμότητα και την απότομη αύξηση του ιξώδους κοντά στο σημείο τήξης. Αυτές οι ιδιότητες υφίστανται σημαντικές αλλαγές με τις διακυμάνσεις στη σύνθεση κατά τη διάρκεια της τήξης.

2.1 Υψηλή Αγωγιμότητα και Χαρακτηριστικά Τήξης Ανοιχτού Τόξου

2.1.1 Υψηλή Αγωγιμότητα της Σκωρίας Τιτανίου

Ο ιλμενίτης παρουσιάζει σημαντική ηλεκτρική αγωγιμότητα στην κατάσταση τήξης του, που κυμαίνεται από 2,0 έως 2,5 ks/m στους 1500°C και αυξάνεται σε 5,5 έως 6,0 ks/m στους 1800°C. Καθώς προχωρά η αναγωγή και η τήξη, η σύνθεση του τήγματος αλλάζει, οδηγώντας σε μείωση της περιεκτικότητας σε FeO και αύξηση του TiO₂ και των οξειδίων του τιτανίου χαμηλότερης σθένειας, τα οποία αυξάνουν γρήγορα την αγωγιμότητα. Για παράδειγμα, η καναδική σκωρία τιτανίου Sorel έχει αγωγιμότητα 15-20 ks/m στους 1750°C, σημαντικά υψηλότερη από αυτή της συνηθισμένης σκωρίας (100 s/m στην ίδια θερμοκρασία) και των ιοντικών ηλεκτρολυτών όπως το υγρό NaCl (περίπου 400 s/m στους 900°C). Οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας έχουν ελάχιστη επίδραση στην αγωγιμότητα της σκωρίας τιτανίου, υποδεικνύοντας τα χαρακτηριστικά του ηλεκτρονικού αγωγού.

2.1.2 Χαρακτηριστικά Τήξης Ανοιχτού Τόξου

Η υψηλή αγωγιμότητα της σκωρίας τιτανίου καθορίζει τη φύση της τήξης ανοιχτού τόξου σε ηλεκτρικούς φούρνους, όπου η κύρια πηγή θερμότητας είναι η θερμότητα του τόξου μεταξύ του άκρου του ηλεκτροδίου και της επιφάνειας της λιωμένης δεξαμενής, γνωστή ως «τήξη ανοιχτού τόξου». Αντίθετα, η σκωρία υψηλής αντίστασης βασίζεται στην αντίσταση θερμότητας της σκωρίας, που ονομάζεται «τήξη υποβρύχιου τόξου». Αρχικά, η τήξη της σκωρίας τιτανίου μπορεί να παρουσιάσει βραχυπρόθεσμα χαρακτηριστικά υποβρύχιου τόξου, αλλά καθώς η διαδικασία προχωρά, η τήξη ανοιχτού τόξου γίνεται κυρίαρχη, με τη θερμότητα του τόξου να αντιπροσωπεύει έως και το 97% στα μεταγενέστερα στάδια.

2.2 Επιδράσεις του Σημείου Τήξης και του Ιξώδους στη Διαδικασία Τήξης

2.2.1 Σημείο Τήξης

Η σκωρία τιτανίου, που αποτελείται κυρίως από οξείδιο του τιτανίου, έχει υψηλό σημείο τήξης που κυμαίνεται από 1580 έως 1700°C, αυξανόμενο με την περιεκτικότητα σε TiO₂. Η τήξη σε υψηλή θερμοκρασία απαιτεί συγκεντρωμένη θερμότητα στη ζώνη αναγωγής.

2.2.2 Ιξώδες

Η σκωρία τιτανίου έχει ένα σύντομο χαρακτηριστικό σκωρίας, με χαμηλό ιξώδες όταν είναι πλήρως λιωμένη πάνω από το σημείο τήξης της. Ωστόσο, το ιξώδες αυξάνεται απότομα κοντά στο σημείο τήξης λόγω ενός στενού εύρους θερμοκρασίας κρυστάλλωσης, οδηγώντας στην καθίζηση κρυσταλλικών στερεών που κάνουν το τήγμα ιξώδες, εμποδίζοντας τη ρευστότητα και την εκκένωση της σκωρίας.

2.3 Υψηλή Χημική Δραστηριότητα και Επίδραση στον Φούρνο

Η σκωρία τιτανίου, που αποτελείται κυρίως από TiO₂ με σημαντικό οξείδιο του τιτανίου χαμηλότερης σθένειας, παρουσιάζει υψηλή χημική δραστηριότητα, διαβρώνοντας τα περισσότερα μεταλλικά και μη μεταλλικά υλικά. Για την προστασία του σώματος του φούρνου, ένα στρώμα σκωρίας τιτανίου κρεμιέται στην επένδυση του φούρνου κατά τη διάρκεια της αναγωγικής τήξης.

2.4 Βρασμός του Τήγματος Σκωρίας Τιτανίου

Η αντίδραση αναγωγής συμβαίνει κυρίως στην επιφάνεια του τήγματος, αλλά οι ξαφνικές καταρρεύσεις στερεών φορτίων ή η κάθοδος σιδήρου υψηλού άνθρακα μέσω του τήγματος μπορεί να προκαλέσουν βίαιες αντιδράσεις στη διασύνδεση μεταλλικού σιδήρου-σκωρίας, δημιουργώντας μεγάλες ποσότητες αερίου CO που προκαλούν βρασμό και πιτσίλισμα της σκωρίας. Αυτό μπορεί να βυθίσει τα ηλεκτρόδια, να αυξήσει το στιγμιαίο ρεύμα, να προκαλέσει βραχυκυκλώματα και να αποσταθεροποιήσει την τήξη. Οι συνεχείς μέθοδοι τροφοδοσίας και κλειστής τήξης μπορούν να μετριάσουν τον βρασμό και να σταθεροποιήσουν τις συνθήκες του φούρνου.

2.5 Επίδραση των Στοιχείων Ακαθαρσιών

Το σημείο τήξης της σκωρίας τιτανίου αυξάνεται με την περιεκτικότητα σε TiO₂ και τον βαθμό αναγωγής (αναλογία Ti₂O₃/TiO₂). Το βέλτιστο τελικό σημείο τήξης είναι περίπου O/Ti = 1,76, όπου το σύστημα έχει το χαμηλότερο ευτηκτικό σημείο. Τα στοιχεία ακαθαρσιών όπως FeO, MgO, CaO, MnO και Al₂O₃ σχηματίζουν δυαδικές ενώσεις και ευτηκτικά σημεία με TiO₂, μειώνοντας το σημείο τήξης εντός ορισμένων εύρων περιεκτικότητας, ενεργώντας ως καλοί παράγοντες σχηματισμού σκωρίας. Ωστόσο, οι υπερβολικές ακαθαρσίες μειώνουν την ποιότητα της σκωρίας τιτανίου.

3. Κύριες Συνθήκες και Λειτουργίες Διεργασίας

3.1 Περιεκτικότητα σε Άνθρακα

Η θεωρητική περιεκτικότητα σε άνθρακα, υπολογιζόμενη με βάση τη μετατροπή όλων των Fe₂O₃ σε FeO, την αναγωγή του 96% του FeO σε μεταλλικό σίδηρο, την αναγωγή του 30% του TiO₂ σε Ti₃O₅ και την απολογιστική του 2% καρβουρίωσης του σιδήρου στη λιωμένη δεξαμενή, είναι 7,98% του προστιθέμενου μεταλλεύματος. Η μετατρεπόμενη σκόνη οπτάνθρακα αντιπροσωπεύει το 9,85% της προσθήκης μεταλλεύματος, με πραγματική περιεκτικότητα σε άνθρακα περίπου 12%.

3.2 Ηλεκτρικές Παράμετροι

Λόγω των ασυμφωνιών μεταξύ του ηλεκτρικού φούρνου και του μετασχηματιστή και των περιορισμένων φούρνων δοκιμών, η τρέχουσα τάση δευτερεύοντος ρεύματος για τήξη ορίζεται στα 100V.

3.3 Λειτουργία Τήξης

Κάθε φούρνος φορτίζεται με 1,49 τόνους συμπυκνώματος τιτανίου, με 0,78 τόνους να προστίθενται ταυτόχρονα ως μείγμα με άσφαλτο και σκόνη οπτάνθρακα και συμπιέζονται. Οι υπόλοιποι 0,71 τόνοι προστίθενται διαλείπουσα κατά τη διάρκεια της τήξης μέσω της οπής του ηλεκτροδίου για την προσαρμογή της ποιότητας και την αποφυγή της ανατροπής της σκωρίας, της δημιουργίας κρούστας και του πιτσιλίσματος. Κάθε φούρνος τήκεται για 180 λεπτά, κυμαινόμενος μεταξύ 150 και 240 λεπτών. Κατά την εκκένωση, η ισχύς απενεργοποιείται και χρησιμοποιείται οξυγόνο για να καεί από το στόμιο του φούρνου. Η σκωρία και ο σίδηρος αναμειγνύονται και εκκενώνονται σε ένα δίσκο σκωρίας, ο οποίος έχει μια οπή φ100mm στο κάτω μέρος για αφαίρεση, διαρκώντας 5 έως 8 λεπτά. Μετά τη στερεοποίηση, ο λιωμένος σίδηρος χύνεται σε ένα δίσκο άμμου για να σχηματιστούν πλινθώματα σιδήρου 80 έως 90 kg. Μετά την εκκένωση, η έξοδος του φούρνου είναι βουλωμένη και προστίθενται περίπου 60 kg μεταλλεύματος και 7 kg σκόνης οπτάνθρακα κατά μήκος των τριών οπών ηλεκτροδίων, ακολουθούμενη από χτύπημα, προσθήκη υλικών, συμπίεση με σφυρί, εκκένωση ηλεκτροδίων, κλείσιμο του διακόπτη και αποστολή ισχύος για τήξη του επόμενου φούρνου. Ο χρόνος παροχής ρεύματος για τον δεύτερο φούρνο είναι περίπου 10 έως 20 λεπτά.

4. Δομή Φάσης της Σκωρίας Τιτανίου και του Μεταλλεύματος Τιτανίου

4.1 Δομή Φάσης του Ιλμενίτη

Ο ιλμενίτης, με τον χημικό τύπο FeTiO₃ και θεωρητική περιεκτικότητα σε TiO₂ 52,6%, βρίσκεται συνήθως ως FeTiO₃ και καιρικός ιλμενίτης στη φύση. Ο καιρικός ιλμενίτης σχηματίζει διάφορες φυσικές συνθέσεις φάσεων, όπως βρουκίτης, τροποποιημένος βρουκίτης, λευκό τιτάνιο και ρουτίλιο, με αυξανόμενο βάθος καιρικής διάβρωσης και περιεκτικότητα σε TiO₂. Κατά τη διάρκεια της καιρικής διάβρωσης, άλλες ακαθαρσίες οξειδίων σχηματίζουν στερεά διαλύματα με FeTiO₃, που εκφράζονται με τον γενικό τύπο m((Fe,Mg,Mn).TiO₂).n((Fe,Cr,Al)₂O₃), όπου m + n = 1.

Το μετάλλευμα τιτανίου μεταλλευτικής αξίας χωρίζεται σε μεταλλεύματα βράχου και πλακώδη. Το μεταλλεύμα βράχου, που αποτελείται από ιλμενίτη (FeTiO₃), έχει περιεκτικότητα σε TiO₂ περίπου 45-53%, με σίδηρο με τη μορφή FeO, υψηλή αναλογία FeO/Fe₂O₃, υψηλή περιεκτικότητα σε MgO και πυκνή δομή ορυκτών. Το πλακώδες, που σχηματίζεται από καιρικό μεταλλεύμα βράχου, έχει υψηλή περιεκτικότητα σε Fe₂O₃, χαμηλή αναλογία FeO/Fe₂O₃, χαμηλή περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες, χαλαρή δομή ορυκτών και περιεκτικότητα σε TiO₂ έως και 95-100% σε μεταλλεύματα ρουτιλίου.

4.2 Σύνθεση Φάσης της Σκωρίας Τιτανίου

Η σκωρία τιτανίου, που σχηματίζεται μετά την τήξη του ιλμενίτη σε ηλεκτρικό φούρνο, αποτελείται από δύο κύριες φάσεις:

· 

90-95% Ψευδο-Πλάκα Φάση Τιτανίου: Αποτελείται από (FeTi₂O₅)a(MgTi₂O₅)b(Al₂TiO₅)c(MnTi₂O₅)d(V₂TiO₅)e(Ti₃O₅)f, επίσης γνωστή ως φάση στερεού διαλύματος μαύρου τιτανίτη, όπου a + b + c + d + e + f = 1. Για παράδειγμα, η τυπική σύνθεση της σκωρίας Sorel είναι (FeTi₂O₅)0.31(MgTi₂O₅)0.30(Al₂TiO₅)0.06(MnTi₂O₅)0.008(V₂TiO₅)0.012(Ti₃O₅)0.31.

· 

· 

5-10% Υαλώδης Φάση Πυριτικού: (Ca, Al, Mg, Fe, Ti)SiO₃, με τυπική σύνθεση SiO₂ 60%, Al₂O₃ 18-20%, CaO 9-10%, MgO 1-4%, FeO 2-4% και TiO₂ 3-4%.

· 

Η σκωρία τιτανίου που τήκεται με ηλεκτρικό φούρνο χωρίζεται σε σκωρία τιτανίου διαλυτή σε οξύ και σκωρία χλωριούχου τιτανίου. Η σκωρία τιτανίου διαλυτή σε οξύ, που τήκεται από συμπύκνωμα τιτανίου Panzhihua, χρησιμοποιείται για την παραγωγή διοξειδίου του τιτανίου με τη μέθοδο του θειικού οξέος και έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

1. Καλή διαλυτότητα σε οξύ, με ρυθμό οξυόλυσης ≥94%.

2. Κατάλληλες ποσότητες ακαθαρσιών συνδιαλύτη FeO και MgO για καλή απόδοση αντίδρασης οξυόλυσης.

3. Ελεγχόμενη περιεκτικότητα σε τιτάνιο χαμηλότερης σθένειας.

4. Οι ακαθαρσίες (θείο, φώσφορος, χρώμιο, βανάδιο) επιβλαβείς για την παραγωγή διοξειδίου του τιτανίου δεν πρέπει να υπερβαίνουν τα πρότυπα.

Η σκωρία χλωριούχου τιτανίου, που χρησιμοποιείται για την παραγωγή διοξειδίου του τιτανίου με τη μέθοδο του χλωριούχου, έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

1. Υψηλή περιεκτικότητα σε TiO₂, γενικά ≥92%.

2. Περιεκτικότητα σε CaO + MgO, η οποία σχηματίζει συγκολλητικότητα κατά τη διάρκεια της χλωρίωσης, γενικά ≤1%.

3. Κατανομή μεγέθους σωματιδίων που πληροί τις απαιτήσεις ρευστοποίησης.

Είμαστε επαγγελματίας κατασκευαστής ηλεκτρικών φούρνων. Για περαιτέρω ερωτήσεις ή εάν χρειάζεστε φούρνους υποβρύχιου τόξου, φούρνους ηλεκτρικού τόξου, φούρνους εξευγενισμού χυτών ή άλλο εξοπλισμό τήξης, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας στο  susan@aeaxa.com