CC BY
28Современные инновации, системы и технологии // Modern Innovations, Systems and Technologies
2023;3(2) eISSN: 2782-2818 https://www.oajmist.com
УДК: 622.7
DOI: https://doi.org/10.47813/2782-2818-2023-3-2-0313-0321
EDN: OMOVZU
Прямое восстановление измельченной железо-марганцевой руды в среде водорода
П. П. Тарасов1, Б. Ю. Прядезников2 , А. А. Прядезникова2, П. П. Петров3, И. И.
Бекянов4
1 Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова, Якутск, Россия
2Балтийский федеральный университет имени И. Канта, Калининград, Россия 3Институт физико-технических проблем им. В.П. Ларионова СО РАН, Якутск, Россия 4МБОУ "Ожулунская СОШ", Республика Саха (Якутия), Чурапчинскийулус, Дябыла,
Россия
Аннотация. В статье представлены результаты проведенного дробления и измельчения образцов, а также восстановления размолотой руды в водородной среде. Рештеноспектральный анализ показал, что руда содержит 4 основных элемента и соответствует требованиям ГОСТ по содержанию вредных примесей. После восстановления руды содержание кислорода уменьшилось на 3%, а содержание железа повысилось при увеличении класса крупности частиц. Окисленность рудного материала увеличивается с уменьшением размера частиц.
Ключевые слова: прямое восстановление, измельченная железо-марганцевая руда, водородная среда, дробление, рентгеноспектральный анализ.
Для цитирования: Тарасов, П. П., Прядезников, Б. Ю., Прядезникова, А. А., Петров, П. П., & Бекянов, И. И. (2023). Прямое восстановление измельченной железо-марганцевой руды в среде водорода. Современные инновации, системы и технологии - Modern Innovations, Systems and Technologies, 3(2), 0313-0321. https://doi.org/10.47813/2782-2818-2023-3-2-0313-0321
Direct reduction of crushed iron-manganese ore in a hydrogen
environment
P. P. Tarasov1, B. Yu. Pryadeznikov2 , A. A. Pryadeznikova2, P. P. Petrov3,
I. I. Bekyanov4
1North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosova, Yakutsk, Russia 2I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad, Russia 3Institute of Physical and Technical Problems, Russian Academy of Sciences, V.P. Larionov
SB RAS, Yakutsk, Russia
© П.П. Тарасов, Б.Ю. Прядезников, А.А. Прядезникова, П.П. Петров, И.И. Бекянов, 2023 0313
4MBOU "Ozhulunskaya secondary school", Republic of Sakha (Yakutia), Churapchinsky ulus,
Dyabyla, Russia
Abstract. The crushing and grinding of samples, as well as the reduction of ground ore in a hydrogen environment, were carried out. X-ray spectral analysis showed that the ore contains 4 main elements and meets the requirements of GOST for the content of harmful impurities. After the reduction of the ore, the oxygen content decreased by 3%, and the iron content increased with an increase in the particle size class. Oxidation of ore material increases with decreasing particle size.
Keywords: direct reduction, crushed iron-manganese ore, hydrogen medium, crushing, X-ray spectral analysis.
For citation: Tarasov, P. P., Pryadeznikov, B. Y., Pryadeznikova, A. A., Petrov, P. P., & Bekyanov, I. I. (2023). Direct reduction of crushed iron-manganese ore in a hydrogen environment. Modern Innovations, Systems and Technologies, 3(2), 0313-0321. https://doi.org/10.47813/2782-2818-2023-3-2-0313-0321
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время промышленность сталкивается с рядом проблем в области добычи и обработки минерального сырья, включая растущие издержки на производство, расширяющуюся экологическую аудиторию и изменяющиеся требования к качеству, эффективности и безопасности технологических процессов. В этом контексте, применение методов восстановления руды на основе водородной среды является перспективным направлением, которое может быть эффективным и безопасным для окружающей среды [1].
Одним из важных этапов восстановления руды является ее измельчение и восстановление в водородной среде. В данной научной статье описывается метод дробления и измельчения образцов железо-марганцевой руды, а также метод восстановления размолотой руды в водородной среде. Были произведены рентгеноспектральные анализы образцов, которые показали, что руда содержит четыре основных элемента и соответствует требованиям ГОСТ по содержанию вредных примесей.
После восстановления руды было отмечено изменение ее химического состава, включая уменьшение содержания кислорода и увеличение содержания железа, что зависит от класса крупности частиц. Кроме того, было выявлено, что окисленность рудного материала увеличивается с уменьшением размера частиц. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что восстановление размолотой железо-марганцевой руды в водородной среде может быть эффективным методом обработки,
приводящим к улучшению химических параметров руды, что существенно влияет на качество и экономическую эффективность производственных процессов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В работе проводятся эксперименты по обогащению железных руд водородом. Были исследованы образцы из проявления железомарганцевых руд в верховьях реки Мундуруччу на Ленском рудном поле Республики Саха (Якутия). Руды сложены окислами железа и марганца такими, как гётит, гидрогётит, пиролюзит, псиломелан и манганин. Размер глыб достигает 40-50 см, а объемная плотность колеблется от 2.95 до 3.49 г/см3.
Дробление и измельчение руды производилось на дисковой лабораторной мельнице Frittsch Pulverisette 13.
Разделение по крупности механических смесей зерен производилось согласно ГОСТ 27562-87 сухим методом на ситовом грохоте Frittsch Апа1шейе 3 набором сит с размерами отверстий 2; 1; 0,5; 0,25; 0,125 и 0,063 мм (модуль сит 2).
Технологический процесс прямого восстановления металлов водородом заключается в измельчении руды до определенной крупности и нагреве ее в среде газа-восстановителя, в данном случае - водорода [2]. При этом реакции восстановления окислов железа могут быть описаны уравнениями:
3Fe2O3 + Ю2 - 2Fe3O4 + Ю0 (1)
Fe3O4 + Ю2 - 3FeO + Ю20 (2)
FeO + Ю2 - Fe + Ю20 (3)
Конечным продуктом являются чистые элементы, их соединения и вода, которую можно использовать повторно для получения водорода, осуществив замкнутый цикл восстановления металлов. Получение водорода осуществляется гидролизом воды или ее электролитическим разложением, например, методом электролиза воды с использованием системы газоснабжения типа СГС-2. Для апробации метода собрана установка по восстановлению в среде водорода, состоящая из электролизера, отстойника для удаления щелочи, осушителя с силикагелем для осушки водорода, кварцевой трубки
с нагревателем в виде нихромовой спирали, блока питания нагревателя с возможностью регулировки скорости и температуры нагрева, кюветы с навеской восстанавливаемой руды, термопары и милливольтметра для контроля температуры внутри трубки, который иллюстрируется на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема установки по восстановлению в среде водорода: 1- электролизер, 2-отстойник, 3 - осушитель, 4- кварцевая трубка, 5- кювета, 6- нагреватель, 7- блок питания, 8 - термопара, 9 - милливольтметр. Figure 1. Scheme of the hydrogen reduction plant: 1 - electrolyzer, 2 - sedimentation tank, 3 -dryer, 4 - quartz tube, 5 - cuvette, 6 - heater, 7 - power supply, 8 - thermocouple, 9 -
millivoltmeter.
Электролизер производит около 2 л водорода в час, а система, включая кварцевую трубку, осушитель и трубопроводы, имеет объем приблизительно 0,8 л. Кювета с 10 г восстановимой руды помещается в кварцевую трубку и герметично закрывается резиновыми пробками. После того, как система продувается водородом в течение 0,5 часа для удаления кислорода, выводящая трубка погружается в воду на 0,5 см, чтобы избежать попадания воздуха.
Водный клапан также позволяет контролировать скорость выхода газа из трубки (по количеству пузырьков в мин). Скорость выхода газа составляет до 260 пузырьков в мин. при комнатной температуре и падает до 6-10 пузырьков в минуту во время активных реакций восстановления при температурах от 350 до 850 °С, что свидетельствует об эффективном использовании водорода. После продувки системы производится нагрев, который иллюстрируется на рисунке 2.
Скорость выхода газа постепенно уменьшается при температурах выше 200°С, что приводит к конденсации воды на холодных концах трубки. При 850-900°С (35-40 мин) скорость выхода газа увеличивается, что означает окончание реакций восстановления, эндотермических процессов. Нагрев печи останавливается, и начинается ее постепенное остывание. При температуре печи около 400-600°С кювета выдвигается за пределы зоны нагрева. Извлечение кюветы с восстановленной рудой происходит при температуре печи 300-350°С, при которой температура кюветы не превышает 100°С, что предотвращает окисление металлов воздухом.
Рисунок 2. График термической обработки руды. Figure 2. Schedule of heat treatment of ore.
В процессе восстановления руды наблюдается агломерация ее частиц, обусловленная высокой удельной поверхностью. Однако, это явление можно предотвратить применением дополнительного измельчения на вибрационной мельнице, оснащенной размольной чашей и мелющими шарами из твердого сплава типа ВК6. После измельчения, руда должна быть обогащена и отделена на магнитную и немагнитную фракции. Для получения качественной суспензии, вода используется как растворитель, а ультразвуковая ванна Frittsch Laborette 17 применяется для полного разрушения агломератов и диспергирования частиц. Магнитная сепарация проводится в стальной емкости с постоянными магнитами, заливая сначала небольшими порциями суспензию, затем покачивающими движениями оседая магнитную фракцию и сливая немагнитный остаток. Перед окончанием сепарации рекомендуется промыть небольшим количеством чистой воды для удаления захваченных мелких частиц немагнитной фракции. Руда затем высушивается в сушильном шкафу при температуре 150°С в течение 2 часов и взвешивается.
РЕЗУЛЬТАТЫ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА
С использованием рентгенофлуоресцентного спектрометра SRS-3400 Broker был осуществлен рентгеноспектральный количественный анализ элементного состава измельченного рудного материала. Равномерное распределение элементов по различным классам крупности свидетельствует о том, что не происходило селективного обогащения отдельных классов крупности элементами в ходе измельчения минеральных фаз в зависимости от их крепости и твердости. Руда состоит преимущественно из четырех элементов - кислорода, железа, кремния и алюминия - с их суммарным содержанием в материале 97,1%. Кроме того, основными примесями, содержащими более 0,08%, являются калий, марганец, магний, титан, кальций, барий, цезий и натрий. Руда отвечает требованиям ГОСТ, предъявляемым к товарным необогащенным железным рудам, и содержит пониженное содержание вредных примесей, таких как серы, мышьяка, фосфора, цинка, меди и свинца [3].
■ Ре, до восстановления ■ Ее, после восстановления ■ О, до восстановления О, до восстановления ■ А1, до восстановления ■ А1, после восстановления н ■ 81, до восстановления ■ 51, после восстановления
о
2-1 1-0,5 0,5-0,26 0,25-0,125 0,125-0,063 <0,063
Рисунок 3. Результаты рентгеноспектрального элементного анализа. Figure 3. Results of X-ray spectral elemental analysis.
После восстанавливающего отжига в среде водорода наблюдается 3-процентное снижение содержания кислорода в рудном материале (рисунок 3), причем данное значение в различных классах крупности остается примерно одинаковым. В то же время, содержание железа повышается с увеличением класса крупности и достигает максимума у частиц размером 1-0,5 мм. Увеличение содержания железа происходит за счет
снижения содержания оксидов алюминия и кремния. Высокое содержание кислорода в частицах рудного материала класса крупности 2-1 мм может быть обусловлено затруднением диффузии водорода в объеме частиц при увеличении их размера. По-видимому, повышение степени окисленности рудного материала с уменьшением класса крупности объясняется более активным повторным окислением восстановленного продукта с более высокой удельной поверхностью. Молекулы кислорода, которые обладают большим размером по сравнению с молекулами водорода, в большей степени окисляют поверхность частиц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном исследовании был осуществлен комплекс мероприятий для оценки эффективности прямого восстановления измельченной железо-марганцевой руды в водородной среде. Были проведены дробление и измельчение образцов для получения частиц различного размера, а также произведено восстановление размолотого материала в водородной среде.
В результате рентгеноспектрального анализа было выявлено, что руда содержит 4 основных элемента и соответствует требованиям ГОСТ по содержанию вредных примесей. Однако, было замечено увеличение окисленности рудного материала с уменьшением размера частиц.
Далее, при исследовании влияния размера частиц, класса его крупности и окисленности на процесс прямого восстановления было обнаружено, что содержание железа повышалось при увеличении класса крупности частиц, в то время как содержание кислорода уменьшалось на 3%. Также было установлено, что окисленность рудного материала оказывает существенное влияние на процесс прямого восстановления.
Результаты данного исследования свидетельствуют о потенциальной эффективности прямого восстановления измельченной железо-марганцевой руды в водородной среде. Дальнейшие исследования должны быть направлены на определение оптимальных параметров процесса восстановления для различных классов частиц и степеней окисления, а также на изучение влияния других факторов на процесс восстановления, таких как температура, давление и концентрация водорода. Такая работа позволит оптимизировать процесс восстановления руды и получить максимальный выход железа, что в свою очередь может иметь важное значение для развития железодобывающей промышленности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Cecca С. Di., Barella S., Mapelli С. et al. Use of DRI, HBI in ironmaking and steelmaking Furnaces, Metallurgia Italiana. 2016; 4: 33-38.
[2] Балдохин Ю.В., Корнеев В.П., Коваленко Л.В., Суздалев И.П., Колотыркин П.Я., Арсентьева И.П., Фолманис Г.Э. Низкотемпературное водородное восстановление гидроксида железа. Образование нанокластеров и наноструктур: Перспективные материалы. 2009; 6: 72-76.
[3] ГОСТ Р 52939-2008. Руды железные товарные необогащенные. Общие технические условия.
REFERENCES
[1] Cecca C. Di., Barella S., Mapelli C. et al. Use of DRI, HBI in ironmaking and steelmaking Furnaces, Metallurgia Italiana. 2016; 4: 33-38.
[2] Baldokhin Yu. V., Korneev V. P., Kovalenko L. V., Suzdalev I. P., Kolotyrkin P.Ya., Arsentieva I.P., Folmanis G.E. Nizkotemperaturnoye vodorodnoye vosstanovleniye gidroksida zheleza. Obrazovaniye nanoklasterov i nanostruktur: Perspektivnyye materialy [Low-temperature hydrogen reduction of iron hydroxide. Formation of nanoclusters and nanostructures: Promising materials]. 2009; 6: 72-76 (in Russian).
[3] GOST R 52939-2008: Rudy zheleznyye tovarnyye neobogashchennyye. Obshchiye tekhnicheskiye usloviya [Commercial iron ores unenriched. General specifications] (in Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Тарасов Петр Петрович, кандидат технических наук, доцент, доцент, кафедра физика материалов и технологии сварки, ФТИ, СВФУ им. М.К. Аммосова, Якутск, Россия
e-mail: [email protected] ORCID: 0000-0002-4892-0821
Petr Tarasov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Physics of Materials and Welding Technology, Physicotechnical Institute, NEFU. M.K. Ammosova, Yakutsk, Russia
Прядезников Борис Юрьевич, младший научный сотрудник, лаборатория полимерных и композиционных материалов SmartTextiles, МНИЦ «РО», БФУ им. И.Канта, Калининград, Россия e-mail: [email protected] ORCID: 0000-0001-8973-5553
Boris Pryadeznikov, Junior Researcher, Laboratory of Polymer and Composite Materials SmartTextiles, International Research Center "RO", IKBFU I. Kant, Kaliningrad, Russia
Прядезникова Айлита Александровна,
аналитик, лаборатория полимерных и композиционных материалов SmartTextiles, МНИЦ «РО», БФУ им. И.Канта, Калининград, Россия e-mail: [email protected] ORCID: 0000-0001-8115-4850
Ailita Pryadeznikova, Analyst, SmartTextiles Laboratory of Polymer and Composite Materials, International Research Center "RO", IKBFU I. Kant, Kaliningrad, Russia
Петров Петр Петрович, кандидат физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, ИФТПС СО РАН, Якутск, Россия e-mail: [email protected] ORCID: 0000-0001-6019-3631
Petr Petrov, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Leading Researcher, IFTPS SB RAS, Yakutsk, Russia
Бекянов Иннокентий Иннокентьевич,
директор, МБОУ "Ожулунская СОШ", Республика Саха (Якутия), Чурапчинский улус, с Дябыла, Россия e-mail: innokenty.bekyanov@gmail .com
Innokenty Bekyanov, director, MBOU "Ozhulunskaya secondary school", Republic of Sakha (Y akutia), Churapchinsky ulus, Dyabyla, Russia
Статья поступила в редакцию 06.06.2023; одобрена после рецензирования 19.06.2023; принята
к публикации 20.06.2023.
The article was submitted 06.06.2023; approved after reviewing 19.06.2023; accepted for publication
20.06.2023.
