Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск

ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ: СЛЕДСТВИЯ ДЛЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД

https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-5-407-417

Полный текст:

Аннотация

 Показано, что ни одна из существующих схем восстановления металлов из руд не позволяет объяснить многообразия практических результатов, вследствие чего сложилось и существует мнение об отсутствии единого механизма восстановления. Представлены результаты выполненных авторами исследований твердофазного восстановления металлов углеродом в комплексных и бедных железосодержащих рудах различного генезиса, относящихся к разным месторождениям, а также в индивидуальных оксидах кремния, хрома и алюминия. Для уточнения теоретических представлений о механизме восстановления приведены результаты исследования электрических характеристик руд и индивидуальных оксидов. Сделано заключение, что общими для всех вариантов восстановления разных металлов являются процессы преобразования кристаллической решетки оксида в кристаллическую решетку металла. На основе данных квантовой механики, физики  и химии твердого тела разработаны новые принципиальные положения электронной теории восстановления металлов. Восстановление – это обмен электронами между восстановителем и катионами металлов оксида, в результате которого на поверхности оксида образуются анионные вакансии с «лишними» (свободными) электронами. В зависимости от концентрации восстанавливаемых катионов, превращение ионной связи катионов оксида в металлическую связь катионов металлической фазы происходит при слиянии заряженных анионных вакансий на поверхности или внутри оксида. Этот процесс идет без перемещения катионов на значительные расстояния, минуя стадию образования атомов металла и без термодинамических затруднений образования зародышей новой фазы. Теория позволяет объяснить все известные результаты экспериментов по твердофазному восстановлению металлов непосредственно в оксидах: образование сплошных металлических оболочек на поверхности кусков богатых железных руд, выделение металлических частиц внутри бедных и комплексных руд, образование и сублимацию субоксидов. При выделении металлической фазы в объеме комплексного оксида отсутствует непосредственный контакт между металлом и восстановителем, поэтому при карботермическом восстановлении железа в комплексных или бедных рудах в металлическую фазу из восстановителя не попадают сера и углерод. При металлизации таких руд в качестве восстановителя можно использовать энергетический уголь и получать металлооксидный композиционный материал, содержащий чистое первородное железо и ценные оксиды невосстановленных металлов – магния, титана, ванадия.

Об авторах

В. Е. Рощин
Южно-Уральский государственный университет
Россия

д.т.н., профессор кафедры «Пирометаллургические процессы»

454080, Челябинск, пр. Ленина, 76



П. А. Гамов
Южно-Уральский государственный университет
Россия

к.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Пирометаллургические процессы»

454080, Челябинск, пр. Ленина, 76



А. В. Рощин
Южно-Уральский государственный университет
Россия

д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник кафедры «Пирометаллургические процессы»

454080, Челябинск, пр. Ленина, 76



С. П. Салихов
Южно-Уральский государственный университет
Россия

к.т.н., доцент кафедры «Пирометаллургические процессы»

454080, Челябинск, пр. Ленина, 76



Список литературы

1. Павлов М.А. Воспоминания металлурга. Ч. 1, 2. – М.: Металлургиздат, 1943. – 288 с.

2. Ростовцев С.Т. Теория металлургических процессов. – М.: Металлургиздат, 1956. – 515 с.

3. Гельд П.В. Механизм восстановления окислов твердым углеродом // Успехи химии.1957. Т. XXVI. Вып. 9. С. 1070 – 1086.

4. Чуфаров Г.И., Татиевская Е.А. Адсорбционно-каталитическая теория восстановления окислов металлов // Проблемы металлургии. – М.: Изд-во АН СССР, 1953. С. 15 – 32.

5. Чуфаров Г.И., Журавлева М.Г., Балакирев В.Ф., Мень А.И. Состояние теории восстановления окислов металлов // Сб. «Механизм и кинетика восстановления металлов». – М.: Наука, 1970. С. 7 – 15.

6. Термодинамика процессов восстановления окислов металлов / Г.И. Чуфаров, А.Н. Мень, В.Ф. Балакирев и др. – М.: Металлургия, 1970. – 399 с.

7. Ростовцев С.Т., Симонов В.К., Ашин А.К., Костелов О.Л. Механизм углетермического восстановления окислов металлов // Сб. «Механизм и кинетика восстановления металлов». – М.: Наука, 1970. С. 24 – 31.

8. Gruner L. Etudes sur les hauts-formeause // Annales des Mines. 1872. P. 1 – 14.

9. Edstrom J.O. The mechanism of reduction of iron oxides // Journal of the Iron and Steel Institute. 1953. Vol. 17. No. 3. P. 289.

10. Тлеугабулов С.М. Теория и технология твердофазного восстановления железа углеродом. – Алма-Ата: Гылым, 1991. – 312 с.

11. Vignes A. Extractive Metallurgy 2. Metallurgical Reaction Processes. – London: Ltd, 2011. – 355 p.

12. Habashi F. Handbook of extractive metallurgy: Vol. I: The Metal Industry. Ferrous Metals. – Wiley, 1997. – 488 p.

13. Павлов В.В. Несообразности металлургии. – 3-е изд., перераб. и доп. – Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 2013. – 212 с.

14. Юсфин Ю.С., Пашков Н.Ф. Металлургия железа. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – 464 с.

15. Чернобровин В.П., Пашкеев И.Ю., Михайлов Г.Г. и др. Теоретические основы процессов производства углеродистого феррохрома из уральских руд. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. – 346 с.

16. Сенин А.В. Твердофазное восстановление хромовой руды метаном // Электрометаллургия. 2013. № 1. С. 31 – 37.

17. Сенин А.В., Пашкеев И.Ю., Михайлов Г.Г. «Газофазно-твердофазный» механизм восстановления рудных материалов // Тр. науч.-практич. конф. «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР: ФЕРРОСПЛАВЫ». – Екатеринбург: Альфа Принт, 2018. С. 72 – 80.

18. Рябчиков И.В., Мизин В.Г., Яровой К.И. Химизм восстановления железа и хрома из оксидов углеродом // Сталь. 2013. № 6. С. 30 – 33.

19. Взаимодействие окислов металлов с углеродом / В.П. Елютин, Ю.А. Павлов, В.П. Поляков, Б.В. Шеболдаев. – М.: Металлургия, 1976. – 359 с.

20. Куликов И.С. Механизм восстановления окислов железа, марганца, кремния и хрома // Механизм и кинетика восстановления металлов: Сб. научн. тр. – М.: Наука, 1970. С. 19 – 24.

21. Tleugabulov S.M., Abikov S.B., Koishina G.M., Tatybaev M.K. Fun damentals and prospects of the development of reduction steelmaking // Russian Metallurgy (Metally). 2018. No. 2. P. 72 – 77.

22. Колчин О.П. О механизмах восстановления металлов из их окислов углеродом // Механизм и кинетика восстановления металлов: Сб. научн. тр. – М.: Наука, 1970. С. 40 – 48.

23. Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия. – М.: Металлургия, 1976. – 520 с.

24. Roshin A.V., Roshin V.E. Thermal reducing dissociation and subli mation – the stages of the transformation of oxside lattices into metal lattices // Russian Metallurgy (Metally). Vol. 2006. No. 1. P. 1 – 7 .

25. Roshin V.E., Roshin A.V., Berdnikov A.A., Goikhenberg Yu.N. Formation and sublimation of the intermediate products of the reduction of silicon from its dioxide // Russian Metallurgy (Metally). 2008. No. 4. P. 281 – 285.

26. Рощин А.В., Гойхенберг Ю.Н., Рябухин А.Г. Кристаллохимические превращения в оксидах алюминия при восстановительном нагреве // Изв. вуз. Черная металлургия. 2006. № 8. С. 6 – 9.

27. Roshin A.V., Roshin V.E., Ryabukhin A.G., Goikhenberg Yu.N. Role of the silicate phase of an enclosing rock in the prereduction of disseminated chromium ores // Russian Metallurgy (Metally). 2007. No. 4. P. 261 – 267.

28. Roshin A.V., Roshin V.E., Ryabukhin A.G. Electrical conduction and mass transfer in crystalline oxides // Russian Metallurgy (Metally). 2006. No. 3. P. 193 – 198.

29. Фистуль В.И. Физика и химия твердого тела: Учебник для вузов. Т. 1. – М.: Металлургия, 1995. – 480 с.

30. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков: Учебник для вузов. – М.: МИСиС, 2003. – 480 с.

31. Бокштейн Б.С., Ярославцев А.Б. Диффузия атомов и ионов в твердых телах. – М.: МИСиС, 2005. – 362 с.

32. Burdett J. K. Chemical bonds: a Dialog. John Wiley & Sons, 1997.

33. Пономарев Л.И. Под знаком кванта: Учеб. пособие для вузов. – М.: Физматлит, 2007. – 416 с.

34. Цирельсон В.Г. Квантовая химия: Учебник для вузов. – М.: БИНОМ, 2014. – 245 с.

35. Рощин В.Е., Рощин А.В. Физические основы селективного восстановления металлов в кристаллической решетке комплексных оксидов // Изв. вуз. Черная металлургия. 2013. № 5. С. 44 – 54.

36. Roshchin V.E., Roshchin A.V. Selective reduction of metals in the lattice of a complex oxide // Russian Metallurgy (Metally). 2013. No. 3. P. 169 – 175.

37. Roshchin V.E., Roshchin A.V. Physics of the solid phase oxidation and reduction of metals // Russian Metallurgy (Metally). 2015. No. 5. P. 354 – 359.

38. Li K. etс. Iron extraction from oolitic iron ore by a deep reduction process // Journal of iron and steel research international. 2011. Vol. 18. No. 8. P. 9 – 13.

39. Kapelyushin Y., Xing X., Zhang J. etc. Effect of alumina on the gaseous reduction of magnetite in CO/CO2 gas mixtures // Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. 2015. Vol. 46. No. 3. P. 1175 – 1185.

40. Kapelyushin Y., Sasaki Y., Zhang J. etc. In-Situ study of gaseous reduction of magnetite doped with alumina using high-temperature XRD analysis // Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. 2015. Vol. 46. No. 6. P. 2564 – 2572.

41. Cullough S., Hockaday S., Johnson C., Barcza N.A. Pre-reduction and smelting characteristics of Kazakhstan ore samples // The Twelfth International Ferroalloys Congress Sustainable Future. Helsinki, Finland. 2010. P. 249 – 262.

42. Anacleto N.M., Solheim I., Sørensen B. etc. Reduction of chromium oxide and ore by methane-containing gas mixtures // Authors’ Revised Draft Infacon XV: International Ferro-Alloys Congress, Southern African Institute of Mining and Metallurgy, Cape Town, 25 – 28 February 2018.

43. Leikola M., Taskinen P., Eric R.H. Reduction of Kemi chromite with methane // Authors’ Revised Draft Infacon XV: International Ferro-Alloys Congress, Southern African Institute of Mining and Metallurgy, Cape Town, 25 – 28 February 2018. Edited by R.T. Jones, P. den Hoed, & M.W. Erwee.

44. Sokhanvaran S., Paktunc D., Barnes A. NaOH–assisted direct reduction of Ring of Fire chromite ores, and the associated impli ca tions for processing // Authors’ Revised Draft Infacon XV: Inter national Ferro-Alloys Congress, Southern African Institute of Mining and Metallurgy, Cape Town, 25 – 28 February 2018. Edited by R.T. Jones, P. den Hoed, & M.W. Erwee.

45. Bhalla A., Eric R.H. Mechanism and kinetic modelling of methanebased reduction of Mamatwan manganese ore // Infacon XV: Int. Ferro-Alloys Congress, Southern African Institute of Mining and Metallurgy, Cape Town, 25 – 28 February 2018. Edited by R.T. Jones, P. den Hoed, & M.W. Erwee.

46. Cheraghi A., Yoozbashizadeh H., Safarian J. Chemical, micro structural, and phase changes of manganese ores in calcination and prereduction by natural gas // Infacon XV: Int. Ferro-Alloys Congress, Southern African Institute of Mining and Metallurgy, Cape Town, 25 – 28 February 2018. Edited by R.T. Jones, P. den Hoed, & M.W. Erwee.

47. Kalenga M.K., Pan X. Pre-reduction of a South African manganese ore: more insight on the formation of phases // Infacon XV: Inter national Ferro-Alloys Congress, Southern African Institute of Mining and Metallurgy, Cape Town, 25 – 28 February 2018. Edited by R.T. Jones, P. den Hoed, & M.W. Erwee.

48. Petrus H.T.B.M., Putera A.D.P., Sugiarto E. etc. Kinetics on roasting reduction of limonitic laterite ore using coconut-charcoal and anthracite reductants // Minerals Engineering. 2019. No. 132. P. 126 – 133.

49. Li Y.-J., Sun Y.-S., Han Y.-X., Gao P. Coal-based reduction mechanism of low-grade laterite ore // Transactions of Nonferrous Metals So ciety of China (English Edition). 2013. Vol. 23. No. 11. P. 3428 – 3433.

50. Roshchin V.E., Asanov A. V., Roshchin. A.V. Possibilities of twostage processing of titaniferrous magnetite ore concentrates // Russian Metallurgy (Metally). 2011. No. 6. P. 499 – 508.

51. Salikhov S.P., Roshchin A.V., Roshchin V.E. Theoretical aspects of pyrometallurgical processing of sideroplesite ore // Chernye Metally. 2018. No. 8. No. 13 – 18.

52. Quader M. A. etс. A comprehensive review on energy efficient CO2 breakthrough technologies for sustainable green iron and steel manufacturing // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. Vol. 50. P. 594 – 614.

53. Sohn H.Y. Suspension ironmaking technology with greatly reduced energy requirement and CO2 emissions // Steel Times International. 2007. Vol. 31. No. 4. P. 68 – 72.

54. Milford R.L., Pauliuk S., Allwood J.M., Muller D.B. The roles of energy and material efficiency in meeting steel industry CO2 targets // Environmental Science and Technology. 2013. Vol. 47. No.7. P. 3455 – 3462.


Для цитирования:


Рощин В.Е., Гамов П.А., Рощин А.В., Салихов С.П. ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ: СЛЕДСТВИЯ ДЛЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД. Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия. 2019;62(5):407-417. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-5-407-417

For citation:


Roshchin V.E., Gamov P.A., Roshchin A.V., Salikhov S.P. ELECTRON THEORY OF METALS REDUCTION: THEORY AND METHODS OF METALS EXTRACTION FROM VARIOUS TYPES OF ORE. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019;62(5):407-417. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-5-407-417

Просмотров: 33


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 0368-0797 (Print)
ISSN 2410-2091 (Online)