Определение условий селективного восстановления железа из железомарганцевой руды

Представлены результаты термодинамического моделирования процесса восстановительного обжига железомарганцевой руды с высоким содержанием фосфора в присутствии твердого углерода. Моделирование выполнено с использованием программного комплекса ТЕРРА. Исследовано влияние температуры процесса в интервале 950 – 1300 К и содержания углерода в количестве 8,50 – 8,85 г на 100 г руды на восстановление железа, марганца и фосфора. Железо при таких параметрах системы восстанавливается и твердым углеродом, и оксидом углерода CO до металлического состояния, а марганец только до оксида MnO. Степень восстановления фосфора зависит от количества восстановителя. При избытке углерода относительно восстановления железа весь фосфор переходит в металл при температуре 1150 К. При температуре меньше 1150 К и таком количестве углерода фосфор не восстанавливается. Процесс твердофазного восстановления железа из марганцевой руды с сохранением марганца в оксидной фазе опробован в лабораторных условиях. Представлены экспериментальные результаты прямого восстановления этих элементов углеродом и косвенного восстановления оксидом углерода CO. Эксперименты проведены в лабораторной печи Таммана при температуре 1000 – 1300 °C и выдержке в течение 1 и 3 ч. Приведены результаты исследования фазового состава продуктов восстановления, а также химический состав фаз. Подтверждена возможность селективного твердофазного восстановления железа твердым углеродом до металлического состояния. Оксидом углерода CO железо при исследованных условиях восстанавливается и переходит в магнитную часть. При магнитном разделении продуктов восстановительного обжига руды с твердым углеродом и оксидом углерода СО немагнитная часть содержит оксиды марганца, кремния и кальция. Результаты работы могут быть использованы при разработке теоретических и технологических основ переработки железомарганцевых руд, которые существующими технологиями не перерабатываются.

1. Koursaris A., See J.B. Reactions in the production of high-carbon ferromanganese from Mamatwan ores // Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy. 1979. Vol. 79. No. 6. Р. 149 – 158.

2. Grundy A.N., Hallstedt B., Gauckler L.J. Assessment of the Mn – O system // Journal of Phase Equilibria. 2003. Vol. 24. No. 1. P. 21 – 38.

3. Okamoto H. The Fe – P (iron-phosphorus) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1990. Vol. 11. No. 4. P. 404 – 412.

4. Cengizler H., Eric R.H. Silicon and manganese partition between slag and metal phases and their activities pertinent to ferromanganese and silicomanganese production. – In book: Advances in Molten Slags, Fluxes, and Salts: Proceedings of the 10th Int. Conference on Molten Slags, Fluxes and Salts. – Switzerland: Springer Int. Publishers, 2016. P. 1309 – 1317.

5. Oliveira J.R., Vieira E.A., Espinosa D.C.R., Tenorio J.A.S. Influence of temperature, basicity and particle size on MnO reduction // Materials Transactions. 2011. Vol. 52. No. 6. P. 1200 – 1205.

6. Kalenga M., Tangstad M., Pan X. Manganese alloys production: impact of chemical compositions of raw materials on the energy and materials balance. – In: INFACON XIII, the 13th Int. Ferroalloys Congress, Almaty, Kazakhstan, 6-9 June. 2013. P. 647 – 653.

7. Tangstad M., Le Roy D., Ringdalen E. Behavior of agglomerates in ferromanganese. – In: INFACON XII, the 12th Int. Ferroalloys Congress, Helsinki, Finland. June 6-9, 2010. P. 457 – 466.

8. Tang K., Sverre O. The effect of alumina in ferromanganese slag. – In: INFACON XI, the 11th Int. Ferroalloys Congress, February, New Delhi, India. 2007. P. 335 – 343.

9. Holappa L., Xiao Y. Slags in ferroalloys production – review of present knowledge // Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy. 2004. Vol. 104. No. 7. P. 429 – 437.

10. Kumar M., Ranganathan S., Sinha S.N. Kinetics of different manganese ores. – In: INFACON XI, the 11th Int. Ferroalloys Congress, February, New Delhi, India. 2007. P. 241 – 246.

11. Kalenga M.K., Pan X. Pre-reduction of a South African manganese ore: more insight on the formation of phases. – In: INFACON XV, the 15th Int. Ferro-Alloys Congress, Cape Town, South Africa, 25-28 February, 2018.

12. Sorensen B. Properties of manganese ores and their change in the process of calcination. – In: INFACON XII, the 12th Int. Ferroalloys Congress Sustainable Future, June 6-9, 2010, Helsinki, Finland. 2010. P. 439 – 448.

13. Yuan S., Zhou W., Han Y., Li Y. Separation of manganese and iron for low-grade ferromanganese ore via fluidization magnetization roasting and magnetic separation technology // Minerals Engineering. 2020. Vol. 152. Article 106359.

14. Ostrovski O., Olsen S.E., Tangstad M., Yastreboff M. Kinetic modelling of MnO reduction from manganese ore // Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum. 2002. Vol. 41. No. 3. P. 309 – 318.

15. Samuratov Y., Baisanov A., Tolymbekov M. Complex processing of iron-manganese ore of central Kazakhstan. – In: INFACON XII, the 12th Int. Ferroalloys Congress Sustainable Future, Helsinki, Finland, June 6-9, 2010. P. 517 – 520.

16. Samuratov Y., Abikov S., Akuov A., Zhumagaliev Y., Kelamanov B. Studying of parameters of processes of restoration of iron of ferriferous manganese ores of Kazakhstan from roasting time. – In: Scientific Enquiry in the Contemporary World: Theoretical Basics and Innovative Approach. 7th ed. 2016. P. 210 – 214.

17. Ватолин Н.А., Моисеев Г.К., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах. – М.: Металлургия, 1994. – 352 с.

18. Салихов С.П., Рощин А.В., Рощин В.Е. Термодинамический анализ восстановления компонентов концентрата бакальской железной руды. – В кн.: Современные проблемы электрометаллургии стали. Материалы XV международной научной конференции, 2013. С. 102 – 108.

19. Кубашевский О., Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия. – М.: Металлургия, 1982. – 392 c.

20. Порошковая дифракционная картотека (PDF-2) Объединенного комитета по порошковым дифракционным стандартам «International Center For Diffraction Data» (ICPDS) // Swarthmore: Pennsylvania USA.

21. Dunn J.B., Gaines L., Barnes M., Sullivan J., Wang M. Material and Energy Flows in the Materials Production, Assembly, and End of Life Stages of the Automotive Lithium Ion Battery Life Cycle, Argonne National Laboratory Report ANL/ESD/12-3, June 2012.

22. Рощин В.Е., Рощин А.В. Селективное восстановление метал- лов в решетке комплексных оксидов // Металлы. 2013. № 2. С. 12 – 20.