El Principio de Fusión de la Escoria de Titanio

1. Principio y Flujo del Proceso de Fusión de la Escoria de Titanio

El núcleo de la fusión en horno eléctrico para escoria de titanio implica mezclar ilmenita con un agente reductor sólido, como antracita (o coque de petróleo o coque), e introducir la mezcla en un horno eléctrico para la fusión por reducción. Durante este proceso, los óxidos de hierro dentro del mineral se reducen selectivamente a hierro metálico, mientras que los óxidos de titanio se enriquecen en la escoria. Después de separar la escoria y el hierro, se obtienen escoria de titanio y hierro metálico como subproducto. El concentrado de titanio consiste principalmente en TiO₂ y FeO, con componentes adicionales como SiO₂, CaO, MgO, Al₂O₃ y V₂O₅. El proceso de fusión implica la reacción del óxido de hierro con carbono bajo condiciones de alta temperatura y fuerte reducción para formar escoria de titanio fundida y hierro metálico, que luego se separan eficazmente debido a las diferencias en la gravedad específica y el punto de fusión. Las reacciones químicas involucradas incluyen:

1. Fe₂O₃ + C = 2FeO + CO

2. FeO + C = Fe + CO

2. Características Principales de la Fusión en Horno Eléctrico

La escoria de titanio se caracteriza por su alto punto de fusión, fuerte corrosividad, alta conductividad y un aumento brusco de la viscosidad cerca de su punto de fusión. Estas propiedades sufren cambios significativos con las variaciones en la composición durante la fusión.

2.1 Alta Conductividad y Características de Fusión por Arco Abierto

2.1.1 Alta Conductividad de la Escoria de Titanio

La ilmenita exhibe una conductividad eléctrica sustancial en su estado fundido, que oscila entre 2,0 y 2,5 ks/m a 1500°C y aumenta a 5,5 a 6,0 ks/m a 1800°C. A medida que avanza la reducción y la fusión, la composición de la masa fundida cambia, lo que lleva a una disminución en el contenido de FeO y un aumento en TiO₂ y óxidos de titanio de menor valencia, lo que eleva rápidamente la conductividad. Por ejemplo, la escoria de titanio Sorel canadiense tiene una conductividad de 15-20 ks/m a 1750°C, significativamente más alta que la de la escoria ordinaria (100 s/m a la misma temperatura) y los electrolitos iónicos como el NaCl líquido (aproximadamente 400 s/m a 900°C). Las variaciones de temperatura tienen un impacto mínimo en la conductividad de la escoria de titanio, lo que indica sus características de conductor electrónico.

2.1.2 Características de Fusión por Arco Abierto

La alta conductividad de la escoria de titanio determina su naturaleza de fusión por arco abierto en hornos eléctricos, donde la principal fuente de calor es el calor del arco entre el extremo del electrodo y la superficie de la piscina fundida, conocido como "fusión por arco abierto". Por el contrario, la escoria de alta resistencia se basa en la resistencia al calor de la escoria, denominada "fusión por arco sumergido". Inicialmente, la fusión de la escoria de titanio puede exhibir características de arco sumergido a corto plazo, pero a medida que avanza el proceso, la fusión por arco abierto se vuelve dominante, con el calor del arco representando hasta el 97% en las etapas posteriores.

2.2 Efectos del Punto de Fusión y la Viscosidad en el Proceso de Fusión

2.2.1 Punto de Fusión

La escoria de titanio, compuesta principalmente de óxido de titanio, tiene un alto punto de fusión que oscila entre 1580 y 1700°C, aumentando con el contenido de TiO₂. La fusión a alta temperatura requiere calor concentrado en la zona de reducción.

2.2.2 Viscosidad

La escoria de titanio tiene una característica de escoria corta, con baja viscosidad cuando está completamente fundida por encima de su punto de fusión. Sin embargo, la viscosidad aumenta bruscamente cerca del punto de fusión debido a un rango de temperatura de cristalización estrecho, lo que lleva a la precipitación de sólidos cristalinos que hacen que la masa fundida sea viscosa, lo que perjudica la fluidez y la descarga de la escoria.

2.3 Alta Actividad Química e Impacto en el Horno

La escoria de titanio, que consiste principalmente en TiO₂ con una cantidad considerable de óxido de titanio de menor valencia, exhibe una alta actividad química, corroyendo la mayoría de los materiales metálicos y no metálicos. Para proteger el cuerpo del horno, se cuelga una capa de escoria de titanio en el revestimiento del horno durante la fusión por reducción.

2.4 Ebullición de la Masa Fundida de Escoria de Titanio

La reacción de reducción ocurre principalmente en la superficie de la masa fundida, pero los colapsos repentinos de las cargas sólidas o el descenso de hierro con alto contenido de carbono a través de la masa fundida pueden desencadenar reacciones violentas en la interfaz hierro metálico-escoria, generando grandes cantidades de gas CO que causan ebullición y salpicaduras de la escoria. Esto puede sumergir los electrodos, aumentar la corriente instantánea, causar cortocircuitos y desestabilizar la fusión. La alimentación continua y los métodos de fusión cerrados pueden mitigar la ebullición y estabilizar las condiciones del horno.

2.5 Efecto de los Elementos Impuros

El punto de fusión de la escoria de titanio aumenta con el contenido de TiO₂ y el grado de reducción (relación Ti₂O₃/TiO₂). El punto final de fusión óptimo es alrededor de O/Ti = 1,76, donde el sistema tiene el punto eutéctico más bajo. Los elementos impuros como FeO, MgO, CaO, MnO y Al₂O₃ forman compuestos binarios y puntos eutécticos con TiO₂, lo que reduce el punto de fusión dentro de ciertos rangos de contenido, actuando como buenos agentes formadores de escoria. Sin embargo, las impurezas excesivas reducen la calidad de la escoria de titanio.

3. Principales Condiciones y Operaciones del Proceso

3.1 Contenido de Carbono

El contenido teórico de carbono, calculado en base a la conversión de todo el Fe₂O₃ a FeO, la reducción del 96% de FeO a hierro metálico, la reducción del 30% de TiO₂ a Ti₃O₅ y la contabilización del 2% de carburación del hierro en la piscina fundida, es del 7,98% del mineral añadido. El polvo de coque convertido representa el 9,85% de la adición de mineral, con un contenido real de carbono de aproximadamente el 12%.

3.2 Parámetros Eléctricos

Debido a las discrepancias entre el horno eléctrico y el transformador y a los hornos de prueba limitados, el voltaje secundario de funcionamiento actual para la fusión se establece en 100 V.

3.3 Operación de Fusión

Cada horno se carga con 1,49 toneladas de concentrado de titanio, con 0,78 toneladas añadidas a la vez como una mezcla con asfalto y polvo de coque y compactada. Las 0,71 toneladas restantes se añaden intermitentemente durante la fusión a través del orificio del electrodo para ajustar la calidad y evitar que la escoria se voltee, se incruste y salpique. Cada horno se funde durante 180 minutos, fluctuando entre 150 y 240 minutos. Al descargar, se apaga la energía y se utiliza oxígeno para quemar a través de la boca del horno. La escoria y el hierro se mezclan y se descargan en una bandeja de escoria, que tiene un orificio de φ100 mm en la parte inferior para su extracción, lo que tarda de 5 a 8 minutos. Después de la solidificación, el hierro fundido se vierte en una bandeja de arena para formar lingotes de hierro de 80 a 90 kg. Después de la descarga, la salida del horno se tapa y se añaden unos 60 kg de mineral y 7 kg de polvo de coque a lo largo de los tres orificios de los electrodos, seguido de golpeteo, adición de materiales, apisonamiento con un martillo, descarga de electrodos, cierre del interruptor y envío de energía para fundir el siguiente horno. El tiempo de suministro de energía para el segundo horno es de unos 10 a 20 minutos.

4. Estructura de Fase de la Escoria de Titanio y el Mineral de Titanio

4.1 Estructura de Fase de la Ilmenita

La ilmenita, con la fórmula química FeTiO₃ y un contenido teórico de TiO₂ del 52,6%, se encuentra comúnmente como FeTiO₃ e ilmenita meteorizada en la naturaleza. La ilmenita meteorizada forma varias composiciones de fase física, como brookita, brookita modificada, titanio blanco y rutilo, con una mayor profundidad de meteorización y contenido de TiO₂. Durante la meteorización, otras impurezas de óxido forman soluciones sólidas con FeTiO₃, expresadas por la fórmula general m((Fe,Mg,Mn).TiO₂).n((Fe,Cr,Al)₂O₃), donde m + n = 1.

El mineral de titanio de valor minero se divide en mineral de roca y placer. El mineral de roca, compuesto de ilmenita (FeTiO₃), tiene un contenido de TiO₂ de aproximadamente 45-53%, con hierro en forma de FeO, una alta relación FeO/Fe₂O₃, alto contenido de MgO y una estructura mineral densa. El placer, formado a partir de mineral de roca meteorizado, tiene un alto contenido de Fe₂O₃, baja relación FeO/Fe₂O₃, bajo contenido de impurezas, estructura mineral suelta y un contenido de TiO₂ de hasta el 95-100% en el mineral de rutilo.

4.2 Composición de Fase de la Escoria de Titanio

La escoria de titanio, formada después de fundir ilmenita en un horno eléctrico, consta de dos fases principales:

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90-95% Fase de Titanio Pseudo-Placa: Compuesta por (FeTi₂O₅)a(MgTi₂O₅)b(Al₂TiO₅)c(MnTi₂O₅)d(V₂TiO₅)e(Ti₃O₅)f, también conocida como fase de solución sólida de titanita negra, donde a + b + c + d + e + f = 1. Por ejemplo, la composición típica de la escoria Sorel es (FeTi₂O₅)0.31(MgTi₂O₅)0.30(Al₂TiO₅)0.06(MnTi₂O₅)0.008(V₂TiO₅)0.012(Ti₃O₅)0.31.

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5-10% Fase Vítrea de Silicato: (Ca, Al, Mg, Fe, Ti)SiO₃, con una composición típica de SiO₂ 60%, Al₂O₃ 18-20%, CaO 9-10%, MgO 1-4%, FeO 2-4% y TiO₂ 3-4%.

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La escoria de titanio fundida por horno eléctrico se divide en escoria de titanio soluble en ácido y escoria de cloruro de titanio. La escoria de titanio soluble en ácido, fundida a partir de concentrado de titanio Panzhihua, se utiliza para producir dióxido de titanio por el método del ácido sulfúrico y tiene las siguientes características:

1. Buena solubilidad en ácido, con una tasa de acidólisis ≥94%.

2. Cantidades apropiadas de impurezas co-solventes FeO y MgO para un buen rendimiento de la reacción de acidólisis.

3. Contenido de titanio de menor valencia controlado.

4. Las impurezas (azufre, fósforo, cromo, vanadio) perjudiciales para la producción de dióxido de titanio no deben exceder los estándares.

La escoria de cloruro de titanio, utilizada para producir dióxido de titanio por el método del cloruro, tiene las siguientes características:

1. Alto contenido de TiO₂, generalmente ≥92%.

2. Contenido de CaO + MgO, que forma adherencia durante la cloración, generalmente ≤1%.

3. Distribución del tamaño de partícula que cumple con los requisitos de fluidización.

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