مشخصه‌یابی شیمیایی و مینرالوژیکی کنسانتره ایلمنیت کهنوج و بررسی رفتار احیایی آن در محیط گاز هیدروژن

الموضوعات : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

لیلا قاسمی ¹ , سید حسین سیدین ² , ماندانا عادلی ³ , محمد رضا ابوطالبی ⁴

1 - دانشجوی دکتری رشته مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
2 - دانشکده مهندسی مواد و متالورژِی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
3 - استادیار، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
4 - استاد، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

تاريخ الإرسال : 21 الثلاثاء , جمادى الأولى, 1445 تاريخ التأكيد : 12 الأربعاء , رجب, 1445 تاريخ الإصدار : 01 الجمعة , شوال, 1444

الکلمات المفتاحية: کانی شناسی, میکروساختار, کنسانتره ایلمنیت کهنوج, احیاء هیدروژنی,

ملخص المقالة :

چکیده
مقدمه: ایلمنیت به عنوان مهم­ترین منبع استخراج تیتانیوم و اکسید آن با به کارگیری فرآیندهای سولفاتی، کلریدی و گدازش فرآوری می­ شود. در این روش­ ها، حذف ناقص آهن همراه تیتانیوم، دستیابی به رنگدانه سفید را با مشکل مواجه می­ کند. به منظور بهبود حذف آهن، پیش ­فرآوری ایلمنیت توسط فرآیندهای احیای کربوترمی با هدف تبدیل آهن به شکل قابل انحلال و قابل گدازش مانند آهن فلزی، راه کاری است که در صنعت مورد استفاده قرار می­ گیرد. با توجه به مشکلات فنی و زیست محیطی احیاء کربوترمی، جایگزین کردن کک توسط هیدروژن روشی نوین است که مزیت­ های قابل توجهی را در فرآیندهای جداسازی بعدی به همراه دارد.
روش: در این پژوهش ابتدا کنسانتره ایلمنیت کهنوج مورد مشخصه ­یابی مینرالوژیکی، شیمیایی و ساختاری قرار گرفت. سپس احیاء غیر هم دما گندله­ ها توسط گاز هیدروژن در بازه دمایی 500- 1100 درجه سانتی­گراد انجام گرفت. درجه احیا بر اساس کاهش وزن رخ داده پس از احیا محاسبه شد. مشخصه ­یابی نمونه­ ها به کمک میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی، آنالیز فازی پراش پرتو ایکس و طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس انجام شد.
یافته ­ها: کنسانتره ایلمنیت کهنوج از فاز اصلی FeTiO₃ تشکیل شده است که هماتیت به همراه مقدار جزئی فاز اسفن در آن دیده می ­شود. همچنین Mg و Mn نیز در آنالیز شیمیایی به مقدار محدودی یافت می ­شود. در این تحقیق حداکثر درجه احیاء معادل 76% در دمای 1100 درجه سانتی­گراد بدست آمد. با افزایش دمای احیا، آهن از ساختار ایلمنیت به بیرون نفوذ و در اطراف ذره تجمع کرده است. TiO­₂ به صورت لایه ه­ای در اطراف هسته احیا نشده قرار گرفته است. با افزایش زمان احیا تجمع فاز فروسودوبروکیت در مرکز ذرات ایلمنیت مشاهده شد. جدایش عناصر ناخالصی Mg و Mn به سمت مرکز ذره باعث گیر افتادن آهن باقیمانده در مرکز ذره می ­شود و می ­تواند جداسازی کامل اکسیدهای آهن همراه ایلمنیت را با مشکل مواجه کند.
نتیجه ­گیری: احیاء گندله ­های ایلمنیت کهنوج توسط گاز هیدروژن می ­تواند باعث احیاء اکسیدهای آهن موجود در ساختار ایلمنیت و جداسازی مؤثر Fe و TiO₂ از همدیگر شود. تشکیل ذرات آهن فلزی پس از احیا و به دنبال آن جدایش مؤثر آن از ساختار ایلمنیت، رسیدن به میزان بالای درجه احیا معادل 76 درصد را فراهم می­کند.

المصادر:

[1]       Sibum H. Titanium and Titanium Alloys – From Raw Material to Semi‐finished Products. In: Titanium and Titanium Alloys. Wiley; 2003. p. 231–44.            doi:jipm.10.1002/3527602119.ch7

[2]       Peters M, Kumpfert J, Ward CH, Leyens C. Titanium alloys for aerospace applications. 2003;5(6):419–27. doi:jipm.10.1002/adem.200310095

[3]       Balazic M, Kopac J, Jackson MJ, Ahmed W. Review: titanium and titanium alloy applications in medicine. 2007;1(1):3.               doi:jipm.10.1504/IJNBM.2007.016517

[4]       Zhang W, Zhu Z, Cheng CY. A literature review of titanium metallurgical processes. Vol. 108, Hydrometallurgy. 2011. p. 177–88. doi:jipm.10.1016/j.hydromet.2011.04.005

[5]       Habashi F. Ilmenite for pigment and metal production. 2016;1(1).     doi:jipm.10.15761/ijc.1000105

[6]       Middlemas S, Fang ZZ, Fan P. A new method for production of titanium dioxide pigment. 2013;131–132:107–13.    doi:jipm.10.1016/j.hydromet.2012.11.002

[7]       El-Hazek N, Lasheen TA, El-Sheikh R, Zaki SA. Hydrometallurgical criteria for TiO2 leaching from Rosetta ilmenite by hydrochloric acid. 2007;87(1–2):45–50.  doi:jipm.10.1016/j.hydromet.2007.01.003

[8]       Randhawa NS, Prasad S. Direct Carbothermic Reduction of Weathered Ilmenite for Efficient Removal of Iron by Leaching. 2019;50(3):1277–89.          doi:jipm.10.1007/s11663-019-01544-w

[9]       Willis M PeirceRobert K WaringLuther D Fetterolf. Titaniferous material for producing titanium dioxide. US patent 2476453A. 1947.

[10]     Reck E, Richards M. TiO2 manufacture and life cycle analysis. 1999;28(3):149–57. doi:jipm.10.1108/03699429910271297

[11]     Homayooni F, Setoudeh N, Mohassel A, Heidari F. Effect of metallic agent on the carbothermic reduction of titanium dioxide in order to produce titanium carbide. 2021;12(44):65–82. doi:jipm.10.30495/jnm.2021.29247.1942

[12]     Sampath AHJ, Wickramasinghe ND, de Silva KMN, de Silva RM. Methods of Extracting TiO2 and Other Related Compounds from Ilmenite. 2023;13(5):662.  doi:jipm.10.3390/min13050662

[13]     Nayak D, Ray N, Dash N, Rath SS, Pati S, De PS. Induration aspects of low-grade ilmenite pellets: Optimization of oxidation parameters and characterization for direct reduction application. 2021;380:408–20.            doi:jipm.10.1016/j.powtec.2020.11.018

[14]     Zhao Y, Shadman F. Reduction of Ilmenite with Hydrogen. 1991;30(9):2080–7. doi:jipm.10.1021/ie00057a005

[15]     Choi K, Jeon HS, Lee S, Kim Y, Park H. Gaseous Reduction Behavior of Primary Ilmenite at Temperatures Between 1273 K and 1473 K. 2022;53(1):334–41.     doi:jipm.10.1007/s11663-021-02370-9

[16]     Saghafi MH, Kazemi A, Sanaei A, Rasti A, Arabi SH. Investigation on the pre-reduction of ilmenite pellet using H2/CO atmospheres. 2023;p:1–9. doi:jipm.10.1080/00084433.2023.2258613

[17]     Sun H, Wang J, Han Y, She X, Xue Q. Reduction mechanism of titanomagnetite concentrate by hydrogen. 2013;125:122–8.         doi:jipm.10.1016/j.minpro.2013.08.006

[18]     Sun K, Takahashi R, Yagi J ichiro. Kinetics of the Oxidation and Reduction of Synthetic Ilmenite. 1993;33(5):523–8.      doi:jipm.10.2355/isijinternational.33.523

[19]     Lu c yuan, Zou x li, Lu x gang, Xie x liang, Zheng k, Xiao w. Reductive kinetics of Panzhihua ilmenite with hydrogen. 2016;26(12):3266–73. doi:jipm.10.1016/S1003-6326(16)64460-6

[20]     Wang Y, Yuan Z, Matsuura H, Tsukihashi F. Reduction Extraction Kinetics of Titania and Iron from an Ilmenite by H2–Ar Gas Mixtures. 2009;49(2):164–70. doi:jipm.10.2355/isijinternational.49.164

[21]     Cheng G, Gao Z, Yang S, Yang H, Xue X. Microstructure and chemical transformation of natural ilmenite during isothermal roasting process in air atmosphere. 2021;11(2):1–12. doi:jipm.10.3390/min11020137

[22]     Zhang X, Du Z, Zhu Q, Li J, Xie Z. Enhanced reduction of ilmenite ore by pre-oxidation in the view of pore formation. 2022;405:117539. doi:jipm.10.1016/j.powtec.2022.117539

[23]     Salehi H, Seim S, Kolbeinsen L, Safarian J. Phase Transitions and Microstructural Changes During Oxidation and Reduction of a Weathered Ilmenite Concentrate. 2021;38(2):1167–73. doi:jipm.10.1007/s42461-021-00397-9

[24]     Pownceby MI. Alteration and associated impurity element enrichment in detrital ilmenites from the Murray Basin, southeast Australia: a product of multistage alteration. 2010;57(2):243–58. doi:jipm.10.1080/08120090903521705

[25]     Mehdilo A, Irannajad M, Rezai B. Applied mineralogical characterization of ilmenite from Kahnuj placer deposit, Southern Iran. 2015;84(2):289–302. doi:jipm.10.2451/2015PM0014

[26]     Frost BR, Chamberlain KR, Schumacher JC. Sphene (titanite): phase relations and role as a geochronometer. 2001;172(1–2):131–48. doi:jipm.10.1016/S0009-2541(00)00240-0.

[27]     Zuo H bin, Wang C, Dong J ji, Jiao K xin, Xu R sheng. Reduction kinetics of iron oxide pellets with H2 and CO mixtures. 2015;22(7):688–96. doi:jipm.10.1007/s12613-015-1123-x

[28]      Si X guo, Lu X gang, Li C wei, Li C he, Ding W zhong. Phase transformation and reduction kinetics during the hydrogen reduction of ilmenite concentrate. 2012;19(5):384–90. doi:jipm.10.1007/s12613-012-0568-4