Le principe de la fusion de laitier de titane

1. Principe et processus de fusion du laitier de titane

Le cœur de la fusion au four électrique pour le laitier de titane consiste à mélanger l'ilménite avec un agent réducteur solide, tel que l'anthracite (ou le coke de pétrole ou le coke), et à introduire le mélange dans un four électrique pour une fusion par réduction. Au cours de ce processus, les oxydes de fer présents dans le minerai sont sélectivement réduits en fer métallique, tandis que les oxydes de titane s'enrichissent dans le laitier. Après séparation du laitier et du fer, on obtient du laitier de titane et du fer métallique en tant que sous-produit. Le concentré de titane est principalement composé de TiO₂ et de FeO, avec des composants supplémentaires tels que SiO₂, CaO, MgO, Al₂O₃ et V₂O₅. Le processus de fusion implique la réaction de l'oxyde de fer avec le carbone dans des conditions de température élevée et fortement réductrices pour former du laitier de titane fondu et du fer métallique, qui sont ensuite efficacement séparés en raison des différences de densité et de point de fusion. Les réactions chimiques impliquées comprennent :

1. Fe₂O₃ + C = 2FeO + CO

2. FeO + C = Fe + CO

2. Principales caractéristiques de la fusion au four électrique

Le laitier de titane se caractérise par son point de fusion élevé, sa forte corrosivité, sa conductivité élevée et une forte augmentation de la viscosité près de son point de fusion. Ces propriétés subissent des changements importants en fonction des variations de composition pendant la fusion.

2.1 Conductivité élevée et caractéristiques de fusion à l'arc ouvert

2.1.1 Conductivité élevée du laitier de titane

L'ilménite présente une conductivité électrique substantielle à l'état fondu, allant de 2,0 à 2,5 ks/m à 1500 °C et augmentant jusqu'à 5,5 à 6,0 ks/m à 1800 °C. Au fur et à mesure de la progression de la réduction et de la fusion, la composition du bain change, entraînant une diminution de la teneur en FeO et une augmentation de TiO₂ et des oxydes de titane à valence inférieure, ce qui élève rapidement la conductivité. Par exemple, le laitier de titane Sorel canadien a une conductivité de 15 à 20 ks/m à 1750 °C, ce qui est significativement supérieur à celui du laitier ordinaire (100 s/m à la même température) et des électrolytes ioniques comme le NaCl liquide (environ 400 s/m à 900 °C). Les variations de température ont un impact minime sur la conductivité du laitier de titane, ce qui indique ses caractéristiques de conducteur électronique.

2.1.2 Caractéristiques de fusion à l'arc ouvert

La conductivité élevée du laitier de titane détermine sa nature de fusion à l'arc ouvert dans les fours électriques, où la principale source de chaleur est la chaleur de l'arc entre l'extrémité de l'électrode et la surface du bain fondu, connue sous le nom de « fusion à l'arc ouvert ». En revanche, le laitier à haute résistance repose sur la résistance thermique du laitier, appelée « fusion à l'arc submergé ». Initialement, la fusion du laitier de titane peut présenter des caractéristiques d'arc submergé à court terme, mais au fur et à mesure que le processus progresse, la fusion à l'arc ouvert devient dominante, la chaleur de l'arc représentant jusqu'à 97 % dans les dernières étapes.

2.2 Effets du point de fusion et de la viscosité sur le processus de fusion

2.2.1 Point de fusion

Le laitier de titane, principalement composé d'oxyde de titane, a un point de fusion élevé allant de 1580 à 1700 °C, qui augmente avec la teneur en TiO₂. La fusion à haute température nécessite une chaleur concentrée dans la zone de réduction.

2.2.2 Viscosité

Le laitier de titane a une courte caractéristique de laitier, avec une faible viscosité lorsqu'il est complètement fondu au-dessus de son point de fusion. Cependant, la viscosité augmente fortement près du point de fusion en raison d'une plage de température de cristallisation étroite, ce qui entraîne la précipitation de solides cristallins qui rendent le bain visqueux, ce qui nuit à la fluidité et à l'évacuation du laitier.

2.3 Forte activité chimique et impact sur le four

Le laitier de titane, composé principalement de TiO₂ avec une quantité considérable d'oxyde de titane à valence inférieure, présente une forte activité chimique, corrodant la plupart des matériaux métalliques et non métalliques. Pour protéger le corps du four, une couche de laitier de titane est suspendue sur le revêtement du four pendant la fusion par réduction.

2.4 Ébullition du bain de laitier de titane

La réaction de réduction se produit principalement à la surface du bain, mais des effondrements soudains de charges solides ou la descente de fer à haute teneur en carbone à travers le bain peuvent déclencher des réactions violentes à l'interface fer métallique-laitier, générant de grandes quantités de gaz CO qui provoquent l'ébullition et les éclaboussures du laitier. Cela peut submerger les électrodes, augmenter le courant instantané, provoquer des courts-circuits et déstabiliser la fusion. L'alimentation continue et les méthodes de fusion fermées peuvent atténuer l'ébullition et stabiliser les conditions du four.

2.5 Effet des éléments d'impureté

Le point de fusion du laitier de titane augmente avec la teneur en TiO₂ et le degré de réduction (rapport Ti₂O₃/TiO₂). Le point final de fusion optimal est d'environ O/Ti = 1,76, où le système a le point eutectique le plus bas. Les éléments d'impureté comme FeO, MgO, CaO, MnO et Al₂O₃ forment des composés binaires et des points eutectiques avec TiO₂, abaissant le point de fusion dans certaines plages de teneur, agissant comme de bons agents de formation de laitier. Cependant, un excès d'impuretés réduit la qualité du laitier de titane.

3. Principales conditions et opérations du processus

3.1 Teneur en carbone

La teneur en carbone théorique, calculée sur la base de la conversion de tout le Fe₂O₃ en FeO, de la réduction de 96 % de FeO en fer métallique, de la réduction de 30 % de TiO₂ en Ti₃O₅ et de la prise en compte de 2 % de carburation du fer dans le bain fondu, est de 7,98 % du minerai ajouté. La poudre de coke convertie représente 9,85 % de l'ajout de minerai, avec une teneur en carbone réelle d'environ 12 %.

3.2 Paramètres électriques

En raison des discordances entre le four électrique et le transformateur et des fours d'essai limités, la tension secondaire de fonctionnement actuelle pour la fusion est fixée à 100 V.

3.3 Opération de fusion

Chaque four est chargé de 1,49 tonne de concentré de titane, dont 0,78 tonne est ajoutée en une seule fois sous forme de mélange avec de l'asphalte et de la poudre de coke et compactée. Les 0,71 tonnes restantes sont ajoutées par intermittence pendant la fusion à travers le trou de l'électrode pour ajuster la qualité et éviter le retournement du laitier, la formation de croûtes et les éclaboussures. Chaque four fond pendant 180 minutes, avec des fluctuations entre 150 et 240 minutes. Lors de la décharge, l'alimentation est coupée et de l'oxygène est utilisé pour brûler à travers la gueule du four. Le laitier et le fer sont mélangés et déchargés dans un bac à laitier, qui a un trou de φ100 mm au fond pour l'enlèvement, ce qui prend de 5 à 8 minutes. Après solidification, le fer fondu est versé dans un bac à sable pour former des lingots de fer de 80 à 90 kg. Après la décharge, la sortie du four est bouchée et environ 60 kg de minerai et 7 kg de poudre de coke sont ajoutés le long des trois trous d'électrode, suivis d'un pilonnage, de l'ajout de matériaux, du damage avec un marteau, de la décharge des électrodes, de la fermeture de l'interrupteur et de l'envoi de l'alimentation pour faire fondre le four suivant. Le temps d'alimentation du deuxième four est d'environ 10 à 20 minutes.

4. Structure de phase du laitier de titane et du minerai de titane

4.1 Structure de phase de l'ilménite

L'ilménite, de formule chimique FeTiO₃ et d'une teneur théorique en TiO₂ de 52,6 %, se trouve couramment sous forme de FeTiO₃ et d'ilménite altérée dans la nature. L'ilménite altérée forme diverses compositions de phases physiques, telles que la brookite, la brookite modifiée, le titane blanc et le rutile, avec une profondeur d'altération et une teneur en TiO₂ croissantes. Pendant l'altération, d'autres impuretés d'oxyde forment des solutions solides avec FeTiO₃, exprimées par la formule générale m((Fe,Mg,Mn).TiO₂).n((Fe,Cr,Al)₂O₃), où m + n = 1.

Le minerai de titane de valeur minière est divisé en minerai de roche et en placer. Le minerai de roche, composé d'ilménite (FeTiO₃), a une teneur en TiO₂ d'environ 45 à 53 %, avec du fer sous forme de FeO, un rapport FeO/Fe₂O₃ élevé, une teneur élevée en MgO et une structure minérale dense. Le placer, formé à partir de minerai de roche altéré, a une teneur élevée en Fe₂O₃, un faible rapport FeO/Fe₂O₃, une faible teneur en impuretés, une structure minérale lâche et une teneur en TiO₂ allant jusqu'à 95 à 100 % dans le minerai de rutile.

4.2 Composition de phase du laitier de titane

Le laitier de titane, formé après la fusion de l'ilménite dans un four électrique, est composé de deux phases principales :

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90 à 95 % de phase de titane pseudo-plaque: Composé de (FeTi₂O₅)a(MgTi₂O₅)b(Al₂TiO₅)c(MnTi₂O₅)d(V₂TiO₅)e(Ti₃O₅)f, également connu sous le nom de phase de solution solide de titanite noire, où a + b + c + d + e + f = 1. Par exemple, la composition typique du laitier Sorel est (FeTi₂O₅)0,31(MgTi₂O₅)0,30(Al₂TiO₅)0,06(MnTi₂O₅)0,008(V₂TiO₅)0,012(Ti₃O₅)0,31.

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5 à 10 % de phase vitreuse de silicate: (Ca, Al, Mg, Fe, Ti)SiO₃, avec une composition typique de SiO₂ 60 %, Al₂O₃ 18 à 20 %, CaO 9 à 10 %, MgO 1 à 4 %, FeO 2 à 4 % et TiO₂ 3 à 4 %.

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Le laitier de titane fondu par four électrique est divisé en laitier de titane soluble dans les acides et en laitier de chlorure de titane. Le laitier de titane soluble dans les acides, fondu à partir du concentré de titane de Panzhihua, est utilisé pour produire du dioxyde de titane par la méthode à l'acide sulfurique et présente les caractéristiques suivantes :

1. Bonne solubilité dans les acides, avec un taux d'acidolyse ≥ 94 %.

2. Des quantités appropriées d'impuretés co-solvantes FeO et MgO pour une bonne performance de réaction d'acidolyse.

3. Teneur en titane à valence inférieure contrôlée.

4. Les impuretés (soufre, phosphore, chrome, vanadium) nocives pour la production de dioxyde de titane ne doivent pas dépasser les normes.

Le laitier de chlorure de titane, utilisé pour produire du dioxyde de titane par la méthode au chlorure, présente les caractéristiques suivantes :

1. Teneur élevée en TiO₂, généralement ≥ 92 %.

2. Teneur en CaO + MgO, qui forme une adhérence pendant la chloration, généralement ≤ 1 %.

3. Répartition granulométrique répondant aux exigences de fluidisation.

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