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

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

دوره 14، شماره 51، اردیبهشت 1402، صفحه 58-69   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jnm.2024.32819.2019

نویسندگان

لیلا قاسمی¹؛ سید حسین سیدین^{* 2}؛ ماندانا عادلی³؛ محمد رضا ابوطالبی⁴

¹دانشجوی دکتری رشته مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

²دانشکده مهندسی مواد و متالورژِی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

³استادیار، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

⁴استاد، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

تاریخ دریافت: 14 آذر 1402،  تاریخ بازنگری: 17 دی 1402،  تاریخ پذیرش: 04 بهمن 1402 

چکیده

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.

کلیدواژه‌ها

کنسانتره ایلمنیت کهنوج؛ کانی شناسی؛ احیاء هیدروژنی؛ میکروساختار

عنوان مقاله [English]

Chemical and mineralogical characterization of Kahnuj ilmenite concentrate and investigation of its reduction behavior in pure hydrogen gas

نویسندگان [English]

Leila Ghasemi¹؛ Seyed Hossein Seyedein²؛ Mandana Adeli³؛ Mohammad Reza Aboutalebi⁴

¹school of Metallurgy and Materials Engineering. Iran University of Science and Technology. Tehran. Iran.

²Professor of Materials Engineering, School of Metallurgy and Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran

³Assistant professor of Materials Engineering and Metallurgy, School of Metallurgy and Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran

⁴Professor of Materials Engineering, School of Metallurgy and Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

Abstract
Introduction: Ilmenite is considered the most important source of titanium and its oxide and is usually processed by sulfate, chloride, and smelting processes. In all these processes, incomplete removal of iron combined with titanium is the main problem. In order to improve iron removal, pre-processing of ilmenite by carbothermic reduction processes is a solution used in the industry. Considering the technical and environmental problems of carbothermic, replacing coke by hydrogen, is a new method that brings significant advantages in the subsequent separation processes.
Methods: In this research, Kahnuj ilmenite concentrate is first characterized through physical, chemical, and structural analysis techniques. Gas reduction of the ilmenite pellets using pure hydrogen gas was performed, and then reduction products subjected to further characterization. The reduction degree was calculated based on the weight loss after the reduction process. Samples were characterized using optical microscopy, electron microscopy, X-ray diffraction analysis, and energy-dispersive X-ray spectroscopy.
Findings: The Kahnuj ilmenite concentrate is composed of the FeTiO₃ as the main phase, hematite, and a partial sphene phase within the ilmenite grains. Mn and Mg found in the chemical analysis of the concentrate led to incomplete separation of iron oxides in ilmenite.
In this research, a maximum reduction degree of 76% is achievable at a reduction temperature of 1100 °C. With an increase in the reduction temperature, metallic iron diffused out the ilmenite structure and accumulated around the particles. With an increase in the reduction time, the aggregation of the pseudobrookite phase, occurred in the center of the ilmenite particles.
 

کلیدواژه‌ها [English]

Kahnuj ilmenite concentrate, Mineralogy, Hydrogen reduction, Microstructure

مراجع

[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