Кинетика процесса обжига марганцевых окатышей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кинетика процесса обжига марганцевых окатышей

Во многих отечественных месторождениях марганцевых руд добываемое рудное сырье представлено в виде мелочи, фракции 0-10 мм. Залежи кусковых руд истощаются или находятся в состоянии консервации. Тем временем на заводах используемое сырье такого гранулометрического состава приводит к накоплению некондиционного материала. Такой фракционный состав сырья требует окускования, в нашем случае окатывания. Практика окатывания на тарельчатом грануляторе показывает простоту аппаратурного оформления и относительную маневренность технологии окатывания. Марганцевые окатыши (химический состав приведен в таблице 1), с использованием глины вполне отвечают технологическим требованиям ферросплавных печей по гранулометрическому составу и физико-механическим свойствам.

Для изучения кинетических параметров были подготовлены окатыши в смеси с коксом (Ас-10,5%; V-0,2%; Ств-82%; W-6,5%). Расход кокса был задан по стехиометрии. Для изучения кинетических характеристик материалов в процессе нагрева применяли неизотермический метод.

В дальнейшем использовали этот метод для определения кинетических характеристик, протекающих при нагреве марганцевых окатышей и смеси с коксом. Термографические исследования проводили на дериватографе Derivatograph Q-1000 фирмы «MOM» системы F. Paulik, J. Paulik, L. Erdey. В качестве эталона использован прокаленный оксид алюминия. Держатель образца - керамический тигель.

Дериватографические исследования проводили при температурах 20-1000°С с шагом нагрева 10°С/мин. Измерение температуры велось с применением платина-платино-родиевой термопары. Исследования проводили в окислительной атмосфере.

По мере повышения температуры в печи дериватографа пишущее устройство регистрирует на термограмме все происходящие в пробе физико-химические изменения в виде кривых линий Т, ТГ и ДТА. В пробе одновременно измеряются температура (Т), изменение веса (ТГ) и скорость изменения теплосодержания (ДТА) исследуемого вещества в зависимости от времени.

Проба состояла из следующих материалов фракции 0-0,15мм:

· марганцевых окатышей (рисунок 1, а);

· марганцевые окатыши+кокс (рисунок 1, б);

Рисунок 1- Дериватограммы марганцевых окатышей

На дериватограмме марганцевых окатышей (рисунок 1, а) выявлены шесть максимумов и минимумов. Эндотермический эффект при температуре 150°С, наблюдаемый при нагреве образца окатышей, характеризует удаление естественной влаги рудного материала. Величина потери веса составляет 25 мг. Удаление гидратной (конструкционной) влаги рудного составляющего окатышей плавно протекает до 500?С, при этом не имеет ярко выраженных пиков. Суммарная потеря влаги (гидратной и гигроскопической) составила 87 мг. Последующий экзотермический эффект с максимумом при температуре 500?С проходит сложные окислительно-восстановительные процессы, имеющие высокую скорость окисления MnO2 (пиролюзита) до Mn2O3 (гаусманита) [1-2]. На кривой ДТА в интервале температур 500-590?С имеется эндотермический эффект разложения сидерита FeCO3, который соответствует температуре 570?С. Незначительный эндотермический эффект при 780?С подтверждает, что руда содержит некоторую примесь псиломелана. Шестой (самый широкий) эффект при температуре 870?С соответствует разложению кальцита с конечным образованием CaO. Образование в-гаусманита из в-Mn2O3 (в-курнакит), то есть курнакитового эффекта в исследуемом материале до 1000?С не наблюдается, что говорит о его смещении в область высоких температур и не регистрируется на дериватограмме. Общая потеря веса составляет 182 мг.

На дериватограмме марганцевых окатышей с коксом (рисунок 1, б) зафиксировано четыре эффекта. Эндотермический эффект на кривой ДТА при температуре 160?С соответствует удалению гигроскопической влаги, где суммарная потеря влаги составила 20 мг. Суммарный процесс восстановления оксидов марганца протекает с выделением тепла, а в интервале 500-610?С - с поглощением. Самый широкий эндотермический эффект в интервале температур 595-870?С и 870-1000?С характерен для диссоциации карбонатов кальция и частичного завершения процесса восстановления Mn3O4 до MnO, соответственно. Изучаемый образец потерял 223 мг.

Энергия активации процесса определяется по тангенсу угла наклона зависимости

lg k = f(1/T).

Задача

определения константы скорости значительно упростится, если построить график зависимости отклонения от базисной линии кривой ДТА в координатах lg Дt = f(1/T), где Дt измеряется непосредственно по кривым ДТА в единицах длины (в мм или в градусах, см. рисунок 2). А.Ф. Зацепин с сотрудниками предлагают упрощенный метод расчета кинетических параметров, в котором энергия активации определяется по восходящей ветви кривой ДТА. Авторы подчеркивают, что при анализе тепловых эффектов в экзотермических реакциях необходимо учитывать то, что точка максимума кривой ДТА совпадает с моментом завершения реакции, поэтому в практических расчетах необходимо брать не более 50 процентов высоты пика [3].

Рисунок 2 - График зависимости отклонения от базисной линии кривой ТДА [3]

С помощью предложенного метода [3] проведены расчеты по определению величин температурных значений и отклонения кривой ДТА от заданного направления согласно рисунку 2, построены графики зависимости lg Дt - 1/T, и по тангенсу угла наклона определены значения энергии активации протекающих процессов для каждого термического эффекта (таблица 2). На рисунке 3 приведены результаты линеаризации восходящей ветви пика кривой ДТА в координатах lg Дt - 1/T.

Рисунок 3 - Результаты линеаризации восходящей ветви пика кривой ДТА в координатах lg Дt - 1/T

Проведенными исследованиями определены значения энергии активации температурных интервалов. Как видно из таблицы 2, значения энергии активации пробы смеси: марганцевые окатыши + кокс характеризуются сравнительно повышенными данными, чем значения пробы марганцевых окатышей. Как показывает теоретический расчет, если судить по величине энергии активации, термические процессы в марганцевых окатышах протекают при низких значениях кажущейся энергии активации.

Некоторые расхождения в значениях энергии активации объясняются, главным образом, влиянием экспериментальных факторов на процесс термического распада (скорость нагрева, величина навески, чувствительность в цепи дифференциальной термопары, форма и материал тигля, плотность набивки вещества в тигле, атмосфере печного пространства, степень истирания образца и др.). К свойствам вещества, влияющим на характер термограмм, относятся его состав, структура и степень его совершенства, кристалличность, дисперсность, изоморфные замещения, а также теплоемкости и теплопроводность.

Результат проведенного кинетического анализа могут служить исходными данными для оптимизации технологических параметров обжига марганцевых окатышей и экспресс методом расчета кажущейся энергии активации процесса.

Литература

нагрев марганцевый руда обжиг

1. Матвеев В.Е. Комплексный термоанализ марганецсодержащих рудо-угольных смесей. - Новосибирск: Наука, 1975. - 64 с.

2. Самуратов Е.К., Байсанов А.С., Толымбеков М.Ж., Корсукова И.Я., Акуов А.М. Изучение фазовых превращений в железомарганцевых рудах Центрального Казахстана методом неизотермической кинетики // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: Сборник материалов международной научной конференции. - Красноярск, 23-25 апреля 2009 . - Вып. 7. - С. 145-151.

3. Зацепин А.Ф., Фотиев А.А., Дмитриев И.А. Об оценке кажущейся энергии активации экзотермических процессов по дериватографическим данным // Журнал неорганической химии. - - Вып. 11. - С. 2883-2885.

Размещено на Allbest.ru