Viscosity of titanium slag in separating electric melting of a metallized mixture of perovskite and ilmenite concentrates

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

To assess the possibility of joint processing of ilmenite (FeTiO3) and perovskite (CaTiO3) concentrates using a duplex process involving solid-phase reduction of iron (metallization) and subsequent separating melting into pig iron and titanium slag, the properties of slag melts were studied. The crystallization beginning point (liquidus temperature) and the corresponding viscosity of titanium slag depend on its chemical composition. The increase in titanium oxides content results in increase of these properties, while the presence of iron and calcium oxides leads to their decrease. During the joint processing of ilmenite (IC) and perovskite (PC) concentrates, the CaO content in the slag can be adjusted by changing their PC/IC ratio, and the FeO fraction is determined by the degree of iron metallization during the preliminary reduction roasting of a concentrate mixture with a carbon reducing agent. To select the optimal PC/IC ratio the temperature dependences of the viscosity of model oxide melts of the TiO2–FeO–CaO–Al2O3–MgO system, similar in composition to the slags formed as a result of melting mixtures of perovskite and ilmenite concentrates within the range of PC/IC ratios equaling to 0.6÷1.4, and the metallization degree from 75 to 95% were determined.

According to the results obtained, within the entire range of studied compositions and temperatures, the viscosity of slag melts does not exceed 0.8 Pa·s. That is to say, such slags will be sufficiently fluid at the tapping point if the melt temperature is higher than liquidus temperature — the crystallization beginning point. Increasing the PC/IC ratios when decreasing the metallization from 95 to 75%, results in a monotonous decrease in liquidus temperature and its corresponding viscosity from 1490 оC and 0.79 Pa·s up to 1270 оC and 0.17 Pa·s, respectively. It is recommended to use a charge containing equal mass fractions of concentrates (PC/IC equal to 1) at the consumption of carbon reducing agent based on metallization of 85% iron. In this case, slags with a relatively low iron oxide content (3.1%) will be fluid (0.38 Pa·s), and have liquidus temperature of 1400 оC which will allow carrying out top and bottom melt at operating temperatures of 1500–1550 оC.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. S. Vusikhis

Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: vas58@mail.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

S. N. Tyushnyakov

Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: vas58@mail.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

L. Y. Udoeva

Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: lyuud@yandex.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

S. N. Agafonov

Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: vas58@mail.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

K. V. Pikulin

Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: vas58@mail.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

References

  1. Perks C., Mudd G. A detailed assessment of global Zr and Ti production // Miner Econ. 2021. 34. P. 345–370.
  2. Zhang W., Zhu Z., Cheng C. Y. A literature review of titanium metallurgical processes // Hydrometallurgy. 2011. 108. P. 177–188.
  3. Parfenov O.G., Pashkov G.A. Problemy sovremennoj metallurgii titana [Problems of modern titanium metallurgy]. Novosibirsk: Siberian Branch of the RAS Publ. 2008. [In Russian].
  4. Welham N. J., Llewellyn D. J. Mechanical enhancement of the dissolution of ilmenite // Minerals Engineering. 1998. 11. №9. P. 827–841
  5. Jia L., Liang B., Lü L., Yuan S., Zheng L., Wang X., Li С. Beneficiation of titania by sulfuric acid pressure leaching of Panzhihua ilmenite // Hydrometallurgy. 2014. 150. P. 92–98.
  6. Ogasawara T., Veloso de Araujo R.V. Hydrochloric acid leaching of a pre-reduced Brazilian ilmenite concentrate in an autoclave // Hydrometallurgy. 2000. 56. P. 203–216.
  7. Nayl A. A, Awwad N. S., Aly H. F. Kinetics of acid leaching of ilmenite decomposed by KOH: Part 2. Leaching by H2SO4 and C2H2O4 // Journal of hazardous materials. 2009. 168. № 2–3. P. 793–799.
  8. Phung T.T., Nguyen N.P. (2021). Becher Method Application for Ilmenite Concentrates of Vietnam. In: Bui, XN., Lee, C., Drebenstedt, C. (eds) / Proceedings of the International Conference on Innovations for Sustainable and Responsible Mining. Lecture Notes in Civil Engineering. 109. Springer, Cham.
  9. Leont’ev L.I., Vatolin N.A., Shavrin S.L., Shumakov N.S. Pirometallurgicheskaya pererabotka kompleksnyh rud [Pyrometallurgical processing of complex ores]. Moscow: Metallurgy Publ. 1997. [In Russian]
  10. Zanaveskin K.L., Cherezova L.A., Burmakina O.V. Povysheniye effektivnosti kompleksnoy pererabotki il’menitovykh kontsentratov [Increasing the efficiency of complex processing of ilmenite concentrates] / Problems of geology and subsoil development. Proceedings of the XXI Int. Symposium named after Academician M.A. Usov. Tomsk: National Research Tomsk Polytech. Univ. Publ. 2017. P. 388–389. [In Russian].
  11. Starikov A. I., Vedeshkin M. V., Monetov G. V. Mirovoy i otechestvennyy opyt pererabotki titansoderzhashchego zhelezorudnogo syr’ya. Problemy kompleksnoy pererabotki titanomagnetitov Yuzhnogo Urala [World and domestic experience in processing titanium-containing iron ore raw materials] / Problems of complex processing of titanomagnetites of the Southern Urals. Magnitogorsk: Dom pechati Publ, 2001. P. 35–47. [In Russian].
  12. Lv W., Lv X., Xiang J., Wang J., Lv X., Bai C., Song B. Effect of pre-oxidation on the carbothermic reduction of ilmenite concentrate powder // International Journal of Mineral Processing. 2017. 169. P. 176–184.
  13. Mehdilo A., Irannajad M. Comparison of microwave irradiation and oxidation roasting as pretreatment methods for modification of ilmenite physicochemical properties //Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2016. 33. P. 59–72.
  14. Gou H.P., Zhang G.H., Chou K.C. Influence of pre-oxidation on carbothermic reduction process of ilmenite concentrate //ISIJ International. 2015. 55. № 5. P. 928–933.
  15. Gou H.-P., Zhang G.-H., Hu X.-J., Chou K.-Ch. Kinetic study on carbothermic reduction of ilmenite with activated carbon //Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2017. 27. № 8. P. 1856–1861.
  16. Reznichenko V.A. Elektrotermiya titanovyh rud [Electrothermy of titanium ores.]. Moscow: Nauka Publ. 1969. [In Russian].
  17. Vasyutinskij N.A. Titanovye shlaki [Titanium slags]. Moscow: Metallurgiya Publ. 1972. [In Russian].
  18. Reznichenko V.A., Ustinov V.S., Karyazin I.A. and etc. Elektrometallurgiya i himiya titana [Electrometallurgy and chemistry of titanium]. Moscow: Nauka Publ. 1982. [In Russian].
  19. Slag atlas. 2nd Edition. Düsseldorf: Verlag Stahlissen GmbH. 1995.
  20. Asanov A.V., Anonkin I.V., Mal’kov N.V. and etc. Vliyaniye khimicheskogo sostava i temperatury na vyazkost’ vysokotitanistykh shlakov [The influence of chemical composition and temperature on the viscosity of high-titanium slags] // Bulletin of South Ural State University. 2008. № 9. P. 7–9. [In Russian].
  21. Zhang S., Wang Z., Zhanga J., Guo P., Jiang D., Si R. Effect of TiO2 and FeO on viscosity and structure of HIsmelt titanium-containing slag Shushi // Ceramics International. 2024. 50. № 1. Part A. P. 791–798.
  22. Nikolaev A. I., Gerasimova L.G., Petrov V.B., Majorov V.G. Perovskitovyy kontsentrat — perspektivnoye netraditsionnoye syr’ye dlya proizvodstva titanovoy i redkometall’noy produktsii [Perovskite concentrate is a promising non-traditional raw material for the production of titanium and rare metal products] // Kompleksnoe ispol’zovanie mineral’nogo syr’ya (KIMS) [Complex Use of Mineral Resources (CUMR)]. 2015. № 2. P. 26–34. [In Russian].
  23. Shtengel’mejer S.V., Prusov V.A., Bochegov V.A. Usovershenstvovaniye metodiki izmereniya vyazkosti vibratsionnym viskozimetrom [Improvement of viscosity measurement method with a vibration viscometer] // Zavodskaya laboratoriya [Industrial Laboratory]. 1985. 51. № 9. P. 56–57. [In Russian].
  24. Arsent’ev PP., Yakovlev V.V., Krasheninnikov M.G. Fiziko-himicheskie metody issledovaniya metallurgicheskih processov [Physico-chemical methods for studying of metallurgical processes]. Moscow: Metallurgiya Publ. 1988. [In Russian].
  25. Selivanov E.N., Gulyaeva R.I., Istomin S.A., Belyaev V., Tyushnyakov S., Bykov A. Viscosity and thermal properties of slag in the process of autogenous smelting of copper–zinc concentrates // Mineral Processing and Extractive Metallurgy. 2015. 124. № 2. P. 88–95.
  26. Vusikhis A.S., Selivanov E.N., Dmitriev A.N., Chentsov V.P., Ryabov V.V. Structure sensitive properties of system B2O3– CaO melts // Defect and Diffusion Forum. 2020. 400. P. 186–192.
  27. Kuprienko N.V., Ponomareva O.A., Tikhonov D.V. Statistika. Metody analiza raspredeleniy. Vyborochnoye nablyudeniye. [Statistics. Methods for analyzing distributions. Selective observation]. 3rd ed.: textbook. St.Petersburg: Polytechnic. Univ. Publ. 2009. [In Russian].
  28. Fedorov S.A., Udoeva L.Yu., Pikulin K.V., Vusikhis A.S., Cherepanova L.A. Sovmestnaya pererabotka perovskitovogo i il’menitovogo kontsentratov. Soobshcheniye 1. Khimiko-mineralogicheskaya (veshchestvennaya) kharakteristika perovskitovogo i il’menitovogo kontsentratov [Joint processing of perovskite and ilmenite concentrates. Message 1. Chemical-mineralogical (material) characteristics of perovskite and ilmenite concentrates] // Izvestiya vuzov. Chernaya metallurgiya [Izvestiya. Ferrous metallurgy]. 2024. 67. № 1. С. 27–36. [In Russian].

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Temperature dependences of changes in the viscosity of slags of various compositions in accordance with the experimental plan (Table 1): a – experiments 1-3; b – experiments 4-6; c – experiments 7-9.

Download (101KB)
3. Fig. 2. The type of response functions – the viscosity of slag a and the liquidus temperature, to which it corresponds to b, depending on the ratio of PC/IR and degree of metallization of the concentrate mixture.

Download (345KB)
4. Fig. 3. Isolines of slag viscosity a and liquidus temperature, to which it corresponds b, depending on the PC ratio/IR and degree of metallization of the concentrate mixture.

Download (251KB)
5. Fig. 4. Correlation diagram of experimental (dots) and calculated (lines) values of the properties of the studied slags: a – viscosity pl, Pa ·s; b – liquidus temperature tl,.oS.

Download (117KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».