ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ: СЛЕДСТВИЯ ДЛЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-5-407-417
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.
Ключевые слова
Об авторах
В. Е. РощинРоссия
д.т.н., профессор кафедры «Пирометаллургические процессы»
454080, Челябинск, пр. Ленина, 76
П. А. Гамов
Россия
к.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Пирометаллургические процессы»
454080, Челябинск, пр. Ленина, 76
А. В. Рощин
Россия
д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник кафедры «Пирометаллургические процессы»
454080, Челябинск, пр. Ленина, 76
С. П. Салихов
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.
Рецензия
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