Технические науки

1. Металлургия

Дзюба О.И., Петькова О.В.

Криворожский металлургический факультет

Национальной металлургической академии Украины

Определение оптимальных параметров обесфосфоривания мономинеральной фракции пселомелана на основании термодинамического анализа

Самым нежелательным компонентов при производстве марганцевых ферросплавов на територрии Украины является фосфор. Существуют различные методы преодоления данной проблемы, например, химические, гидрометаллургические, биохимические методы дефосфорации марганецсодержащих компонентов, а также электрометаллургический способ дефосфорации марганцевых руд.

Одним из методов обесфосфоривания марганецсодержащих продуктов может быть их предварительная термообработка.

Для производства стандартных по фосфору марганцевых ферросплавов (Р=0,35-0,05%), удельное содержание его в сырье (Р/Mn) не должно превышать 0,0035%. Для обоснованного целенаправленного исследования процесса термического обесфосфоривания марганцевого концентрата необходимо оценить расчетными методами влияние химического и минералогического составов исходного сырья, температуры и времени реакции на разрабатываемую технологию. Такая оценка может быть выполнена путем термодинамического анализа исходных сырьевых систем в условиях высоких температур.

Одним из компонентов марганцевых руд является пселомелан. Для проведения исследований была отобрана мономинеральная фракция песломелана следующего химического состава: Mn−50,4; MnO–10,0; МnО₂–67,5; SiO₂–7,5; Al₂O₃−1,3; Fe₂O₃−1,6; CaO+MgO−2,4; K₂O+Na₂O−2,30; S−0,037; CO₂−0,14; P₂O₅−0,550; П.п.п−6,7.

Для расчета данной системы лучшим является метод экстремума энтропий, так как эта система многокомпонентна и гетерогенна. Данный метод не требует вычисления констант равновесия. Уравнения химического равновесия имеют однообразный и симметрический вид, что упрощает решение поставленной задачи. Расчет выполнялся для интервала температур 100-2000 °С, при давлении 1,0 МПа. По данным расчета построили графики, представденные рис.1 а,б.

Как видно из рис.1.а,б фосфор до температуры t=1800 ºС находится в составе Ca₃P₂O₈, а потом переходит в РО₂.

Марганец ведет себя следующим образом: до температуры 400 ºС он находится в виде Mn₂О, 500 – 900 °С − Mn₂O₃ , 1000 – 1900 °С − Mn₃O₄, а потом переходит в MnО при 2000 ºС. В газообразное состояние марганецсодержащие соединения переходят при температуре 1900 °С.

В газовой фазе можно увидеть такие элементы, как О, O₂, Н, Н₂, ОН, НО₂, H₂O, N₂, NО, NО₂, PO₂, SiO₂, FeO, FeOH, Mn, MnO, MnO₂.

В конденсированной фазе (рис. 1б) можно увидеть такие элементы, как SiO₂, Al₂O₃, Ca₃P₂O₈, CaSiO₃, Fe₂O₃, Fe₃O₄, MnO₂, Mn₂O₃, Mn₃O₄, MnO.

Таким образом, исходя из результатов термодинамического анализа, которые изображенные на графиках предполагаем, что при термообработке мономинеральной фракции псиломелана фосфор переходит в газовую фазу при t=1900 °С, как и марганец, но в большем процентном отношении, относительно исходного количества каждого компонента. Оптимальным для термообработки изучаемой системы является интервал температур 1900 – 2000 ºС, выше которого марганец удаляется вместе с фосфором в газовую фазу. Степень обесфосфоривания составляет 6 – 7 %. Результаты данных исследований будут использованы при дальнейшем изучении термического обесфосфоривания пселомелана с различными добавками.

Рис.1.а. Равновесный состав мономинеральных фракций пселомелана при обычных условиях (газовая фаза)

Содержание компонентов, моль/кг

10^2 10^1 10^0 10^-1 10^-2 10^-3

Температура, °С

Содержание компонентов, моль/кг

10^2 10^1 10^0 10^-1 10^-2 10^-3

Температура, °С

Рис 1.б. Равновесный состав мономинеральных фракций пселомелана при обычных условиях (конденсированная фаза)