33027

مطالعه تجربي و سينتيك احياي كنسانتره ايلمنيت كهنوج توسط گاز هيدروژن

دكتري تخصصي

مهندسي مواد و متالورژي

1396

1403/10/11

دكتر سيد حسين سيدين

دكتر محمد رضا ابوطالبي

مهندسي مواد و متالورژي

چكيده ايلمنيت به عنوان مهم‌ترين منبع استخراج تيتانيوم و اكسيد آن با بكارگيري فرايندهاي سولفاتي، كلريدي و گدازش فرآوري مي‌شود. در اين روش‌ها، حذف ناقص آهن همراه تيتانيوم، دستيابي به رنگدانه سفيد را با مشكل مواجه مي‌‌كند. به منظور بهبود حذف آهن، پيش‌فرآوري ايلمنيت توسط فرايندهاي احياي كربوترمي با هدف تبديل آهن به شكل قابل انحلال و قابل گدازش مانند آهن فلزي، راهكاري است كه در صنعت مورد استفاده قرار مي‌گيرد. با توجه به مشكلات فني و زيست محيطي احياي كربوترمي، جايگزين كردن كك توسط هيدروژن روشي كارامد است كه مزيت‌هاي قابل توجهي را در جداسازي بعدي به همراه دارد. در اين پژوهش با هدف جداسازي آهن فلزي موجود در ايلمنيت توسط احيا با هيدروژن خالص مطالعات مكانيزم واكنش احيا و مدلسازي آماري فرايند احيا انجام شد. ابتدا كنسانتره ايلمنيت كهنوج مورد مشخصه‌يابي مينرالوژيكي، شيميايي و ساختاري قرار گرفت. پس از گندله‌سازي، آزمايش‌هاي احيا و به دنبال آن مدلسازي با استفاده از طراحي آزمايش دنبال شد. مطالعات سينتيكي احيا در بازه بازه دمايي 500 تا °C 1100 انجام شد كه طي آن حداكثر درجه احياي 60% براي گندله خام ايلمنيت كهنوج بدست آمد. احياي گندله خام ايلمنيت به صورت توپوشيميايي پيش روي كرده كه از سطح بيروني مناطق غني از آهن و لايه غني از روتيل هسته ايلمنيت واكنش نكرده را احاطه كرده‌اند و ساختار لايه‌اي آهن-روتيل همانند سدي در برابر احيا عمل مي‌كند. مكانيزم كنترل كننده در احياي گندله خام در بازه دمايي 500 -°C 800 و 900 -°C 1100 نفوذ هيدروژن در لايه محصول پيشنهاد شد و انرژي فعالسازي به ترتيب برابر 107 و kJ/mol 8/88 بدست آمد. به منظور بهبود ميزان احيا در ادامه گندله‌هاي پيش اكسيد شده ايلمنيت كهنوج تحت رژيم يك احيا شدند. در مقايسه با احياي گندله‌هاي خام، پيش اكسيداسيون علاوه بر تغييرات فازي موجب تغييرات ريزساختاري، تغيير مكانيزم كنترل كننده حين احيا و كاهش انرژي فعالسازي واكنش احيا شد. حداكثر درجه احيا در دماي °C 1100 براي گندله‌هاي اكسيد شده در دماي °C 800 و گندله‌هاي اكسيد شده در دماي °C 1000 به ترتيب برابر 8/85% و 73% بدست آمد. احياي گندله‌هاي اكسيد شده در دماي °C 800 موجب تشكيل ايلمنيت جديد با شبكه‌اي از حفره‌ها از فازهاي روتيل شبه سوزني و هماتيت و سودوروتيل اوليه شده است. شبكه حفره‌ها نفوذ گازهيدروژن را راحت‌تر كرده و با پيش روي احيا با مكانيزم واكنش شيميايي در فصل مشترك در بازه دمايي 900 - °C 1100 انرژي فعالسازي ظاهري آن به kJ/mol 5/35 كاهش پيدا كرده است. پيش اكسيداسيون در دماي °C 1000 موجب تشكيل دانه‌هاي نامنظم روتيل در زمينه سودوبروكيت شده است. مكانيزم كنترل كننده در احياي ايلمنيت پيش اكسيد شده در دماي °C 1000، واكنش شيميايي بوده و انرژي فعالسازي ظاهري آن kJ/mol 48 محاسبه شد. در اين تحقيق به طور ميانگين در بازه دمايي 900- °C 1100 انرژي فعالسازي ظاهري گندله پيش اكسيد شده در دماي °C 800 و °C 1000 و به ترتيب 60% و 46% نسبت به گندله خام كاهش پيدا كرده است. بخش طراحي آزمايش به روش رويه پاسخ و طرح مكعب مركزي با متغيرهاي دماي احيا، دماي پيش اكسيداسيون و نرخ جريان گاز با هدف دستيابي به بيشينه كاهش وزن و درجه احيا انجام گرفت. در دماي احياي °C 1050، دماي پيش اكسيداسيون °C 880 و نرخ جريان گاز mL.min-1 200 بيشينه مقدار درجه احياي 2/97% با كاهش وزن 1/15% مشاهده شد كه در تناسب با درجه احياي پيش‌بيني شده 4/98% با كاهش وزن 3/15% بوده است.

1403/11/21

Experimental Study and Kinetics of Reduction of Kohnuj Ilmenite Concentrate by Hydrogen Gas

12/31/2025 12:00:00 AM

Abstract: Ilmenite, as the most significant source for titanium and its oxide extraction, is processed using sulfate, chloride, and smelting methods. These methods often fail to completely remove iron associated with titanium, complicating the production of white pigments. To improve iron removal, the pre-processing of ilmenite via carbothermic reduction, aimed at converting iron into soluble and fusible forms like metallic iron, is a widely adopted industrial solution. However, due to technical and environmental challenges associated with carbothermic reduction, replacing coke with hydrogen offers a novel approach with considerable advantages for subsequent separation processes. In this study, the reaction mechanism and statistical modeling of ilmenite reduction with pure hydrogen were investigated to separate metallic iron from ilmenite. Initially, Kahnuj ilmenite concentrate was characterized mineralogically, chemically, and structurally. Following pelletization, reduction experiments were conducted under two regimes: kinetic studies under the first regime and modeling using design of experiments under the second. Kinetic studies were performed in the temperature range of 500°C to 1100°C, achieving a maximum reduction degree of 60% for raw Kahnuj ilmenite pellets. Reduction proceeded topochemically, forming iron-rich outer layers that encapsulated unreacted ilmenite cores enriched in rutile. The layered iron-rutile structure acted as a barrier to further reduction. The controlling mechanism in the reduction of raw pellets was identified as hydrogen diffusion through the product layer in the temperature ranges of 500°C–800°C and 900°C–1100°C, with activation energies of 107 kJ/mol and 88.8 kJ/mol, respectively. To enhance reduction efficiency, pre-oxidized ilmenite pellets were subsequently reduced under the first regime. Compared to raw pellets, pre-oxidation altered the phase composition and microstructure, changed the controlling mechanism during reduction, and decreased the activation energy. Maximum reduction degrees of 85.8% and 73% were achieved for pre-oxidized pellets at 800°C and 1000°C, respectively. Reduction of pre-oxidized pellets at 800°C resulted in the formation of new ilmenite structures with a network of pores originating from needle-like rutile phases, hematite, and primary pseudorutile. This porous network facilitated hydrogen gas diffusion and shifted the reduction mechanism to chemical reaction at the interface, with an apparent activation energy of 35.5 kJ/mol for the temperature range of 900°C–1100°C. Pre-oxidation at 1000°C led to the formation of irregular rutile grains in a pseudobrookite matrix, with a chemical reaction mechanism controlling the reduction and an apparent activation energy of 48 kJ/mol. On average, in the 500°C–800°C temperature range, the apparent activation energy for pre-oxidized pellets at 800°C and 1000°C decreased by 60% and 46%, respectively, compared to raw pellets. The design of experiments was conducted using the response surface methodology and a central composite design, with reduction temperature, pre-oxidation temperature, and gas flow rate as variables, aiming to maximize weight loss and reduction degree. At a reduction temperature of 1050°C, pre-oxidation temperature of 880°C, and gas flow rate of 200 mL/min, the maximum reduction degree of 97.2% and weight loss of 15.1% were achieved, consistent with the predicted values of 98.4% and 15.3%, respectively.

احياي هيدروژني، روش رويه پاسخ، كنسانتره ايلمنيت كهنوج، پيش اكسيداسيون

Hydrogen reduction, Response surface methodology, Kahnuj ilmenite concentrate, Pre-oxidation.

Leila ghasemi

Dr seyed hosein seyedein