菱鐵礦熱分解行為及其熱力學(xué)分析

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1、第32卷2012年08月礦冶工程MININGANDMETALIJmGICALENGINEERINGV01．32August2012菱鐵礦熱分解行為及其熱力學(xué)分析①張志華，薛生暉(長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙410012)摘要：通過熱重(1'G—DTC)、差熱(DSC)分析分別在氮氣、空氣和氧氣氣氛下對菱鐵礦的熱分解行為進(jìn)行了研究，并從熱力學(xué)角度對菱鐵礦熱分解行為進(jìn)行了分析探討。熱力學(xué)分析結(jié)果表明，在氮氣氣氛中，溫度高于875．86K時分解產(chǎn)物為Fe，O．，低于此溫度為FeO；而在氧化性氣氛中分解產(chǎn)物為Fe20，。DSC-TGA曲線驗證

2、了理論分析結(jié)果。關(guān)鍵詞：菱鐵礦；熱分解；熱重分析；差熱分析中圖分類號：0642．1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：0253—6099(2012)08—0423—04菱鐵礦(FeCO，)屬于CaC03。FeC03一MgCO，系列中的重要礦物之一，同時它也是一種重要的鐵礦石資源?，隨著我國磁鐵礦資源的El益枯竭，菱鐵礦的工業(yè)化利用技術(shù)的研究引起了人們的廣泛關(guān)注心J?；诹忤F礦受熱分解的性質(zhì)，其熱分解的最終產(chǎn)物與氣氛密切相關(guān)舊J，在一定條件下可生成人造磁鐵礦，根據(jù)菱鐵礦該性質(zhì)，目前主要采用磁化焙燒技術(shù)處理菱鐵礦H。j。目前有豎爐和回轉(zhuǎn)窯兩種菱鐵礦磁化焙燒工

3、藝，分別在新疆、陜西、云南等地實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。本文從熱力學(xué)的基礎(chǔ)理論人手，對菱鐵礦在不同氣氛下的熱分解行為進(jìn)行了熱力學(xué)研究，并通過DSC—TGA分析驗證理論，最終確定菱鐵礦在不同氣氛條件下的熱分解行為。1實驗部分1．1實驗原料礦樣來自安徽某地，其多元素、鐵物相分析及x衍射分析結(jié)果如表1、表2和圖1所示。由表1和表2可以看出：礦石中以菱鐵礦形式存在的鐵分布率高達(dá)88．92％，以其它形式存在的鐵所占比例較低，總鐵品位達(dá)42．97％，可推算出原礦中菱鐵礦礦物含量高達(dá)79％以上。樣品粒度為D∞=66．73u肌。實驗過程中所用氣體均為工業(yè)純。表1

4、菱鐵礦多元素分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))／％TFeFeOFe203Si02A1203CaOMgo42．9749．596．323．650．150．651．47Na20K20MnOAsPTi02Ig0．0190．0152．990．028O．240．02934．03表2菱鐵礦鐵物相分布ZO／(。)圖1菱鐵礦X一衍射分析圖譜1．2實驗儀器主要儀器有：NetzschSTA一409型綜合熱分析儀；D8ADVANCEX射線衍射儀。1．3實驗過程將菱鐵礦置于坩堝中，分別考察在氮氣、空氣和氧氣氣氛下的DSC—TGA曲線，在20mL／min相應(yīng)氣體氣流下，按照15％／r

5、ain的升溫速度從室溫加熱至750℃，計算機在線記錄樣品的溫度和質(zhì)量。熱分析完成后，收集分解殘留物進(jìn)行x衍射分析。①收稿日期：2012-06-29作者簡介：張志華(1987一)，男，安徽合肥人，碩士研究生，主要從事有色冶金新工藝及回轉(zhuǎn)窯還原焙燒技術(shù)研究。礦冶工程第32卷2結(jié)果與討論2．1菱鐵礦熱分解熱力學(xué)研究菱鐵礦(FeCO，)是一種碳酸鹽，在加熱過程中會發(fā)生分解反應(yīng)，反應(yīng)式如下：FeO+C02=一FeC03AG：=一75019+181．502TlsPc02：一半竽+9．48(1)式中Pc02為FeCO，的分解壓。當(dāng)在大氣中焙燒時，空氣中的C

6、O：分壓P。m=30．4Pa。當(dāng)Pco，=Pc02時：1930．4-一嬰竽+9．48(2)得：斥=489．93K，即大氣中焙燒菱鐵礦開始分解溫度為489．93K。當(dāng)Pco'=pc0，=105Pa時：lgl05：一型竽+9．48(3)得：％=874．56K，即874．56K為菱鐵礦(FeC03)的化學(xué)沸騰溫度。根據(jù)菱鐵礦(FeCO，)的分解壓與溫度的關(guān)系可以作出菱鐵礦(FeCO，)的分解反應(yīng)平衡圖，見圖2。T／I(圖2菱鐵礦(FeCO，)分解反應(yīng)平衡圖根據(jù)熱力學(xué)計算，菱鐵礦(FeCO，)在理論上是有可能分解的，而且由圖2可知，菱鐵礦分解后產(chǎn)物存

7、在穩(wěn)定區(qū)域非常大。2．1．1氮氣氣氛中菱鐵礦分解熱力學(xué)研究在通有氮氣的情況下，反應(yīng)體系里面只要在分解過程中產(chǎn)生了C02，可能會發(fā)生3FeO+C02一Fe304+CO反應(yīng)，查閱相關(guān)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，計算出6FeO+0，一2Fe，0。的△G；，得到其吉布斯自由能與溫度的關(guān)系圖如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)溫度低于875．86K時，F(xiàn)eO的生成吉布斯自由能大于布多爾反應(yīng)的吉布斯自由能，當(dāng)溫度高于875．86K時，F(xiàn)e，0。的生成吉布斯自由能小于布多爾反應(yīng)的吉布斯自由能。因此從熱力學(xué)角度分析可知，菱鐵礦在氮氣氣氛中，溫度高于875．86K時的熱分解產(chǎn)物為Fe

8、，0。。善拿萼司溫度，l(圖36FeO+O：一2Fe，O。吉布斯自由能與溫度的關(guān)系2．1．2氧化性氣氛下菱鐵礦分解熱力學(xué)研究菱鐵礦在氧化性氣氛中的熱分解可理解為兩個