О.И. Дзюба, О.В. Петькова Технические науки

КМФ НМетАУ 1. Металлургия

Определение оптимальных параметров обесфосфоривания мономинеральной фракции пиролюзита на основании термодинамического анализа

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 украинских месторождений (Никопольское и Большетокмакское) содержание фосфора в концентратах составляет 0,0048% (высший сорт) и 0,0085 (низкосортные продукты).

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

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 пиролюзит – оксид марганца, отвечающий формуле MnО₂. Для проведения исследований была отобрана мономинеральная фракция пиролюзита следующего химического состава: Mn – 54,7; MnO – 1,3; МnО₂ – 84,9; SiO₂ – 6,1; Al₂O₃ – 1,2; Fe₂O₃ – 0,6; CaO+MgO – 2,1; K₂O+ Na₂O – 0,55; S – 0,110; CO₂ – 0,04; P₂O₅ – 0,88; П.п.п. – 1,9.

При расчете процесса термического обесфосфоривания мономинеральной фракции пиролюзита определяли состав многокомпонентной гетерогенной химически реагирующей системы, которая включает одновременно твердые, жидкие и газообразные компоненты. Поэтому для расчета такой системы лучшим является метод экстремума энтропий, который не требует вычисления констант равновесия, а уравнения химического равновесия имеют однообразный и симметрический вид, что позволяет возложить задачу решения расчетных уравнений на ЭВМ. Расчет выполнялся для интервала температур 100-2000 °С, при давлении 1,0 МПа.

По результатам термодинамического расчета, в заданном интервале температур, были построены графики, которые представлены на рис. 1. Они показывают зависимость содержания того или другого компонента исследуемых системы от температуры. Как видим из рис. 1 а,б в исследуемой системе фосфор до температуры t=1800 ºС находится в виде Ca₃P₂O₈, а потом начинает переходить в газовую фазу в виде РО₂.

Марганец ведет себя следующим образом: до температуры 400 ºС он находится в виде Mn₂О, при 500 – 900 ºС – Mn₂O₃, 1000 – 1900 ºС – Mn₃O₄, а потом переходит в MnО при 2000 ºС.

Таким образом, анализируя равновесный состав мономинеральной фракции пиролюзита при термообработке, можно сделать вывод, что фосфор переходит в газовую фазу начиная с t=1800 ºС, как и марганец, но в большем процентном отношении, относительно исходного количества каждого компонента. Но оптимальным для термообработки изучаемых систем является интервал температур 1800 – 1900 ºС, выше которого марганец удаляется вместе с фосфором в газовую фазу. При этом степень обесфосфоривания составляет 7 – 8 %. Приведенные исследования могут служить базовым вариантом при изучении термического обесфосфоривания пиролюзита с различными добавками.

Содержание компонентов, моль/кг

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

Температура, °С

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

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 пиролюзита при обычных условиях (конденсированная фаза)