blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-6-474-480blackmet-1101Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ОКИСЛЕНИЯ В ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МАТЕРИАЛАХ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХOXIDATION PROCESS IN IRON ORE MATERIALS AT LOW TEMPERATURESМеламудС. Г.MelamudS. G.

Кандидат технических наук 

(620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19) 

Cand. Sci. (Eng.)

ЮрьевБ. П.Yur’evB. P.

Кандидат технических наук, доцент кафедры теплофизики и информатики в металлургии 

(620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19) 

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”

yurev-b@mail.ruГольцевВ. А.Gol’tsevV. A.

Кандидат технических наук, доцент кафедры теплофизики и информатики в металлургии 

(620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19) 

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”

v.a.goltsev@urfu.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian Federation201702072017606474480Copyright © Меламуд С.Г., Юрьев Б.П., Гольцев В.А., 20172017Меламуд С.Г., Юрьев Б.П., Гольцев В.А.Melamud S.G., Yur’ev B.P., Gol’tsev V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1101

С использованием методов физико-химического анализа (дифференциально-термического и минералогического) проведено изучение процесса окисления магнетита (титаномагнетита) на образцах из ольховского магнетитового и качканарского титаномагнетитового концентратов при низких температурах (200 –400 °C). Получены кинетические кривые для исследуемых материалов при различных температурах, типичные для топохимических процессов. Вычислены значения удельных скоростей окисления магнетита разной крупности при различных температурах, а также значения кажущейся энергии активации процесса. С целью выявления лимитирующей стадии процесса окисления магнетита и титаномагнетита изучено влияние парциального давления кислорода в газовой фазе на кинетику окисления. С использованием графического метода рассчитан порядок реакции окисления по кислороду при определенных температурах и степени окисления. Изучено влияние включений титана в магнетите на кинетику фазового перехода магнетит – гематит. Определены кинетические закономерности и характер окисления исследуемых материалов в неизотермических условиях при разных скоростях нагрева. Установлено, что в начальной стадии процесс окисления магнетита и титаномагнетита в температурном интервале 200 –400 °Cпротекает в смешанном режиме, а затем процесс переходит в диффузионный режим. Полученные результаты представляют определенный интерес и могут быть использованы для оптимизации режимов низкотемпературного окисления железорудных материалов на ленте конвейерной обжиговой машины. 

Using methods of physico-chemical analysis (differentially– thermal and mineralogical) helped to study the oxidation process of magnetite (titanium magnetite) on samples from Olhovsk magnetite and Kachkanar titanium magnetite concentrates at low temperatures (200 –400 °C). Kinetic curves for the studied materials were obtained at different temperatures; they are typical for topochemical processes. Meanings of specific speeds of oxidation of magnetite various size at different temperatures were calculated and sizes of apparent energy of activation of the process were defined. The influence of partial pressure on kinetics of oxidation in gas phase was studied to expose the limiting point of the process of oxidation of magnetite and titanium magnetite. The order of oxidation reaction on oxygen at definite temperatures and the oxidation degree was calculated using graphical methods. The influence of titanium inclusions in magnetite on kinetics of phase change of magnetite–hematite was examined at the temperature interval of 200 –400 °C, it happens in mixed operational parameters. Then the process comes to diffusive operational parameters. Kinetic principles and the character of oxidation of the studied materials in nonisothermical conditions were defined at different speeds of heating. These results are of some interest and can be used to optimize the low temperature oxidation regimes of iron ore materials on a conveyor roasting machine. 

магнетиттитаномагнетитнизкотемпературное окислениемеханизмкинетикадиффузиястепень окисленияэнергия активациижелезорудные материалынизкие температурыmagnetitetitanium magnetitelow temperature oxidationmechanismkineticsdiffusiondegree of oxidationenergy of activationiron ore materialslow temperaturesReferencesМалышева Т.Я., Юсфин Ю.С., Плотников С.В. Технологические аспекты производства окатышей из магнетитовых руд // Изв. вуз. Черная металлургия. 2011. № 9. С. 3 – 5.Malysheva T.Ya., Yusfin Yu.S., Plotnikov S.V. Technological aspects of production of pellets from magnetite ores. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2011, no. 9, pp. 3–5. (In Russ.).Кокорин Л.К., Лелеко С.Н. Производство окисленных окатышей. – Екатеринбург: Уральский центр ПФ и рекламы «Марат», 2004. – 280 с.Kokorin L.K., Leleko S.N. Proizvodstvo okislennykh okatyshei [Production of oxidized pellets]. Ekaterinburg: Marat, 2004, 280 p. (In Russ.).Плотников С.В., Бормотов А.С. Механизм фазовых превращений при окислительном обжиге промышленных окатышей из концентратов руд железистых кварцитов // Изв. вуз. Черная металлургия. 2011. № 3. С. 29 – 32.Plotnikov S.V., Bormotov A.S. Phase transformation mechanism at oxidation burning of industrial pellets, produced from iron quartzite ores. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2011, no. 3, pp. 29–32. (In Russ.).Yur’ev B.P., Spirin N.A. Oxidation of iron–ore pellets // Steel in Translation. 2011. Vol. 41, No. 5. P. 400 – 403.Yur’ev B.P., Spirin N.A. Oxidation of iron–ore pellets. Steel in Translation, 2011, vol. 41, no. 5, pp. 400–403.Gorbachev V.A., Abzalov V.M., Yur’ev B.P. Conversion of magnetite to hematite in iron–ore pellets // Steel in Translation. 2007. Vol. 37, No. 4. P. 336 – 338.Gorbachev V.A., Abzalov V.M., Yur’ev B.P. Conversion of magnetite to hematite in iron–ore pellets. Steel in Translation. 2007, vol. 37, no. 4, pp. 336–338.Юсфин Ю.С., Малышева Т.Я., Плотников С.В. Критерии качества железорудных окатышей из концентратов руд магнетитовых кварцитов // Изв. вуз. Черная металлургия. 2009. № 5. С. 7 – 10.Yusfin Yu.S., Malysheva T.Ya., Plotnikov S.V. Quality of iron-ore pellets made from magnetite-quartzite concentrates. Steel in Translation. 2009, vol. 39, no. 5, pp. 375–378.Mazanek E., Krupinska Z., Kulgawezuk D. Zur Oxydation – sreaktion von Magnetit // Arch. Eisenhüttenwesen. 1973. Bd. 44. No. 8. S. 571 – 577.Mazanek E., Krupinska Z., Kulgawezuk D. Zur Oxydation –sreaktion von Magnetit. Arch. Eisenhuttenwesen. 1973. Bd. 44, no. 8, S. 571–577. (In Germ.).Рapanastassion D., Bitsianes G. Mechanism and kinetics underlying the oxidation of magnetite in the induration of iron ore pellets // Met. Trans. 1973. Vol. 4. No. 2. P. 487 – 496.Рapanastassion D., Bitsianes G. Mechanism and kinetics underlying the oxidation of magnetite in the induration of iron ore pellets. Metal Transactions. 1973, vol. 4, no. 2, pp. 487–496.Булах А.Г., Золотарев А.А., Кривовичев В.Г. Общая минералогия. – М.: Академия, 2008. – 360 с.Bulakh A.G., Zolotarev A.A., Krivovichev V.G. Obshchaya mineralogiya [General mineralogy]. Moscow: Akademiya, 2008, 360 p. (In Russ.).Gillot B., Jemmali F., Clerc L., Rousset A. Iron cation distributions and kinetic study of the low-temperature oxidation of finely divided titanomagnetites // Reactivity of Solids. 1986. Vol. 2, Issues 1–2, October. P. 95 – 106.Gillot B., Jemmali F., Clerc L., Rousset A. Iron cation distributions and kinetic study of the low-temperature oxidation of finely divided titanomagnetites. Reactivity of Solids. 1986, vol. 2, Issues 1–2, pp. 95–106.Petersen N., Moll A. Low-temperature oxidation of synthetic Al-and Mg-doped titanomagnetites // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1982. Vol. 30. Issue 4. December. P. 330.Petersen N., Moll A. Low-temperature oxidation of synthetic Al-and Mg-doped titanomagnetites. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1982, vol. 30. Issue 4, p. 330.Takatoshi Akimoto, Hajimu Kinoshita, Toshio Furuta. Electron probe microanalysis study on processes of low-temperature oxidation of titanomagnetite // Earth and Planetary Science Letters. 1984. Vol. 71. Issue 2. December. P. 263 – 278.Takatoshi Akimoto, Hajimu Kinoshita, Toshio Furuta. Electron probe microanalysis study on processes of low-temperature oxidation of titanomagnetite. Earth and Planetary Science Letters. 1984, vol. 71. Issue 2, pp. 263–278.Gapeev A.K., Gribov S.K. Kinetics of single-phase oxidation of titanomagnetite // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1990. Vol. 63. Issues 1–2, 1 October. P. 58 – 65.Gapeev A.K., Gribov S.K. Kinetics of single-phase oxidation of titanomagnetite. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1990, vol. 63. Issues 1–2, pp. 58–65.Saikat Samanta, Siddhartha Mukherjee, Rajib Dey. Oxidation behaviour and phase characterization of titaniferous magnetite ore of eastern India// Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014. Vol. 24. Issue 9. September. P. 2976 – 2985.Saikat Samanta, Siddhartha Mukherjee, Rajib Dey. Oxidation behaviour and phase characterization of titaniferous magnetite ore of eastern India. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014, vol. 24. Issue 9, pp. 2976–2985.Gui-hong Han, Tao Jiang, Yuan-bo Zhang, Yan-fang Huang, Guang-hui Li. High-Temperature Oxidation Behavior of Vanadium, Titanium-Bearing Magnetite Pellet// Journal of Iron and Steel Research, International. 2011. Vol. 18. Issue 8. August. P. 14 – 19.Gui-hong Han, Tao Jiang, Yuan-bo Zhang, Yan-fang Huang, Guang-hui Li. High-temperature oxidation behavior of vanadium, titanium-bearing magnetite pellet. Journal of Iron and Steel Research, International. 2011, vol. 18. Issue 8, pp. 14–19.Егоров-Тисменко Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия. – М.: Изд-во Книжный дом «Университет», 2010. – 588 с.Egorov-Tismenko Yu.K. Kristallografiya i kristallokhimiya [Crystallography and crystallochemistry]. Moscow: Knizhnyi dom “Universitet”, 2010, 588 p. (In Russ.).Yur’ev B.P. Heat transfer in a bed of iron–ore pellets // Steel in Translation. 2010. Vol. 40, No. 4. P. 330 – 333.Yur’ev B.P. Heat transfer in a bed of iron–ore pellets. Steel in Translation. 2010, vol. 40, no. 4, pp. 330–333.Щербаков В.П. Роль кинетики в окислении титаномагнетитовых зерен // Изв. АН СССР. Серия физика Земли. 1982. № 5. С. 43 – 49.Shcherbakov V.P. Role of kinetics in the oxidation of titanium magnetite grains. Izv. AN SSSR. Seriya fizika Zemli. 1982, no. 5, pp. 43–49. (In Russ.).Меламуд С.Г., Юрьев Б.П. Исследование кинетики окисления титаномагнетитовых качканарских окатышей // Металлы. 2000. № 1. С. 3 – 10.Melamud S.G., Yur’ev B.P. Oxidation kinetics of titanium-magnetite pellets made from Kachkanar ore. Russian Metallurgy (Metally). 2000, no. 1, pp. 3–10. (In Russ.).Розовский А.Я. Кинетика топохимических реакций. – М.: Химия, 1974. – 224 с.Rozovskii A.Ya. Kinetika topokhimicheskikh reaktsii [Kinetics of topochemical reactions]. Moscow: Khimiya, 1974, 224 p. (In Russ.).Франк-Каменецкий Д.А. Основы макрокинетики. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. – М.: Интеллект, 2008. – 408 с.Frank-Kamenetskii D.A. Osnovy makrokinetiki. Diffuziya i teploperedacha v khimicheskoi kinetike [Basics of macrokinetics. Diffusion and heat transfer in chemical kinetics]. Moscow: Intellekt, 2008, 408 p. (In Russ.).Физико-химические и теплотехнические основы производства железорудных окатышей / В.М. Абзалов, В.А. Горбачев, С.Н. Евстюгин, В.И. Клейн, Л.И. Леонтьев, Б.П. Юрьев / Под ред. акад. РАН Л.И. Леонтьева. – Екатеринбург: МИЦ, 2015. – 335 с.Abzalov V.M., Gorbachev V.A., Evstyugin S.N., Klein V.I., Leont’ev L.I., Yur’ev B.P. Fiziko-khimicheskie i teplotekhnicheskie osnovy proizvodstva zhelezorudnykh okatyshei [Physico-chemical and thermotechnical foundations for the production of jelly-ore pellets]. Leont’ev L.I. ed. Ekaterinburg: MITs, 2015, 335 p. (In Russ.).Readman P.W., Reilly W. Oxidation processes in titanomagnetites // Z. Geophys. 1971. Bd. 37. No. 3. S. 329 – 338.Readman P.W., Reilly W. Oxidation processes in titanomagnetites. Z. Geophys. 1971. Bd. 37, no. 3, pp. 329–338.Мерер Х. Диффузия в твердых телах. – М.: Интеллект, 2011. – 536 с.Mehrer Helmut. Diffusion in Solids. Fundamentals, Methods, Materials, Diffusion-Controlled Processes. Berlin: Springer, 2007, 654 p. (Russ. ed.: Mehrer H. Diffuziya v tverdykh telakh. Moscow: Intellekt, 2011, 536 p.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.