Кінетика перетворення гематиту на магнетит в атмосфері монооксиду вуглецю

УДК 549.5.517.2 + 549.731.13 + 549.057 + 549.08

В.П. Пономар, Н.О. Дудченко, О.Б. Брик, В.В. Овсієнко, Ю.О. Алексєйцев, Ю.І. Черевко
Інститут геохімії, мінералогії та рудоутворення ім. М.П. Семененка НАН України
03680, м. Київ-142, Україна, пр-т Акад. Палладіна, 34
E-mail: vitaliyponomar.vp@gmail.com
Мова: українська
Мінералогічний журнал 2017, 39 (1): 36-45

Анотація: Вивчено процес відновлення гематиту до магнетиту в атмосфері монооксиду вуглецю в діапазоні температури 300—700 °С та часу термообробки 10—60 хв. Створено експериментальну установку, за допомогою якої було здійснено перетворення гематиту на магнетит, а також визначено оптимальні режими роботи цієї установки. Вихідний зразок представлений гематитовим кварцитом (Криворізький залізорудний басейн), складається, в основному, з гематиту і домішок кварцу. Методом рентгенофазового аналізу показано, що відновлення гематиту протягом 60 хв за температури 400—600 °С призводить до утворення магнетиту, а за температури 700 °С — магнетиту разом із вюститом. За допомогою магнітометрії визначено, що намагніченість насичення починає збільшуватися вже за температури 300 °С. Максимальні значення намагніченості насичення характерні для експериментів, які були проведені за температури 500—700 °С протягом 40 хв. Збільшення часу термообробки до 50—60 хв або не призводить до зміни намагніченості (500—600 °С), або спричиняє її зменшення (700 °С) у зв’язку з утворенням парамагнітного вюститу. Кінетичний аналіз показав, що отримані дані описуються за допомогою рівняння Аврамі-Єрофєєва, що передбачає обмеження швидкості реакції процесами зародкоутворення та росту зародків. Енергія активації процесу склала приблизно 33 кДж/моль. Отримані результати є важливими для з’ясування механізмів окисно-відновних реакцій оксидів заліза і для удосконалення та розробки методів збагачення залізорудних концентратів.

Ключові слова: залізні руди, гематит, магнетит, магнітометрія, рентгенофазовий аналіз, кінетика твердофазових перетворень.

Література:
1. Браун М., Доллимор Д., Галвей А. Реакции твердых тел ; Пер. с англ. В.Б. Охотников, А.П. Чупахин. — М. : Мир, 1983. — 360 с.
2. Вест А. Химия твердого тела. Теория и приложения : В 2-х ч., Ч. 1 ; Пер. с англ. — М. : Мир, 1988. — 547 c.
3. Гершойг Ю.Г., Турчина Л.П. Минералообразование в процесах окислительного и восстановительного обжига железных руд // Вещественный состав и обогатимость железных руд : Сб. науч. тр. — 1965. — Вып. 5. — С. 101—112.
4. Губин Г.В., Бушуев В.П., Жарко Л.И. Получение металлических концентратов из бедных железных руд в пересыпающемся рудно-угольно-флюсовом слое // Обогащение и окускование железных руд : Сб. науч. тр. — 1967. — Вып. 8. — С. 155—161.
5. Губин Г.В., Измалков А.З., Кучер В.Л., Гончаренко Ю.И., Лемберский В.А., Друзь Е.Л., Соха С.В., Литовка А.В., Баранов В.Г. Освоение обжигмагнитного обогащения окисленных железных руд на Криворожском центральном горнообогатительном комбинате // Обогащение и окускование железных руд : Сб. науч. тр. — 1967. — Вып. 8. — С. 148—161.
6. Губин Г.В., Шковыра Г.Д., Иголинская З.А. Предварительная оценка восстановимости и обогатимости окисленных железистых кварцитов ЦГОК а // Вещественный состав и обогатимость железных руд : Сб. науч. тр. — 1965. — Вып. 5. — С. 130—134.
7. Кудрявцева Г.П. Ферримагнетизм природных оксидов. — М. : Недра, 1988. — 232 с.
8. Пат. UA 94163 U. Пристрій для експресного вимірювання намагніченості руд та магнітних матеріалів / О.М. Пономаренко, О.Б. Брик, Н.О. Дудченко, В.В. Янишпольський, Ю.О. Алєксейцев. — Опубл. 27.10.2014, Бюл. № 20.
9. Пономар В.П., Гречановский А.Е., Брик А.Б., Юшин А.А., Лютоев В.П., Савченко Т.С. Термомагнитные исследования преобразования гематита в магнетит с использованием крахмала // Мінерал. журн. — 2015. — 37, № 2. — С. 37—45.
10. Пономаренко А.Н., Брик А.Б., Юшин А.А.. Дудченко Н.А., Евтехов В.Д., Беспояско Э.А., Лютоев В.П. Преобразование гематита и гетита в магнетит в связи с решением проблемы обогащения бедных гематитовых руд // Геол.-мінерал. вісн. Криворіз. нац. ун-ту. — 2014. — № 1—2 (31—32). — С. 5—15.
11. Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции. — М. : Химия, 1978. — 360 c.
12. Усенко А.Е., Паньков В.В., Собеский А.С. Твердофазный синтез магнетита из гематита в восстановительной атмосфере паров этилового спирта // Вестник БГУ . — 2013. — № 3 (2). — С. 16—21.
13. Юров П.П., Малый Б.М., Волочаева Н.Т. Получение обжигмагнитного концентрата с содержанием железа 65 % в полупромышленных условиях // Обогащение руд черных металов : Тематич. отрасл. сб. — 1972. — № 1. — С. 40—45.
14. Baliarsingh S.K., Mishra B. Kinetics of iron ore reduction by coal and charcoal: a thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of bachelor of technology in metallurgical and materials engineering. — Rourkela (India) : Nat. Inst. of Technology Rourkela, 2008. — 35 p.
15. Ding M., Yang Y., Wub B., Wang T., Ma L., Xiang H., Li Y. Transformation of carbonaceous species and its influence on catalytic performance for iron-based Fischer-Tropsch synthesis catalyst // J. of Molecular Catalysis A: Chemical. — 2011. — 351. — P. 165—173.
16. Dudchenko N.O., Brik A.B., Ponomar V.P. Preparation of Magnetic Fine Particles for Different Applications by Reducing of Non-Magnetic Hematite and Goethite with Biomass // Nanomaterials: Applications&Properties : Proceedings of 5-th Intern. conf. (Lviv, Ukraine, 16—23 Sept.) — Lviv, 2015. — P. 01MFPM01-1—01MFPM01-3.
17. Gaviria J.P., Bohe A., Pasquevich A., Pasquevich D.M. Hematite to magnetite reduction monitored by Mossbauer spectroscopy and X-ray diffraction // Physica B. — 2007. — 389. — Is. 1. — P. 198—201.
18. Khawam A., Flanagan D.R. Solid-state kinetic models: basics and mathematical fundamentals // J. Phys. Chem. B. — 2006. — 110 (35). — P. 17315—17328.
19. Monazam E.R., Breault R.W., Siriwardane R. Reduction of hematite (Fe2O3) to wustite (FeO) by carbon monoxide (CO) for chemical looping combustion // Chem. Eng. J. — 2014. — 242. — P. 204—210.
20. Mondal K., Lorethova H., Hippo E., Wiltowski T., Lalvani S.B. Reduction of iron oxide in carbon monoxide atmosphere— reaction controlled kinetics // Fuel Process. Technol. — 2004. — 86. — P. 33—47.
21. Moon I.J., Rhee C.H. Reduction of hematite compacts by H2-CO gas mixtures // Proc. TMS Annual Meeting, 9—13 Feb. 1997, Orlando, FL . — Warrendale, PA, USA : Minerals Metals and Materials Society, 1997. — P. 649.
22. Moon I.J., Rhee C.H., Min D.J. Reduction of hematite compacts by CO-H2 gas mixtures // Steel Research Int. — 1998. — 69. — P. 302—306.
23. Pang J., Guo P., Zhao P., Cao C., Zhang D. Influence of size of hematite powder on its reduction kinetics by H2 at low temperature // J. Iron Steel Res. Int. — 2009. — l6 (5). — P. 07—11.
24. Pineau A., Kanari N., Gaballah I. Kinetics of reduction of iron oxides by H2: Pt. I. Low temperature reduction of hematite // Thermochim. Acta. — 2006. — 447. — P. 89—100.
25. Sastri M., Viswanath R., Viswanathan B. Studies on the reduction of iron-oxide with hydrogen // Int. J. Hydrogen Energy. — 1982. — 7. — P. 951—955.
26. Seaton C.E, Foster J.S., Velasco J. Redution kinetics of hematite and magnetite pellets containing coal char // Transactions ISIJ. — 1983. — 23. — P. 490—496.
27. Shimokawabe M., Furuichi R., Ishii T. Influence of the preparation history of alpha-Fe2O3 on its reactivity for hydrogen reduction // Thermochim. Acta. — 1979. — 28. — P. 287—305.
28. Tiernan M.J., Barnes P.A., Parkes G.M.B. Reduction of iron oxide catalysts: the investigation of kinetic parameters using rate perturbation and linear heating thermoanalytical techniques // J. Phys. Chem. B. — 2001. — 105. — P. 220—228.

Українська