菱铁矿热分解行为及其热力学分析

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1、第32卷2012年08月矿冶工程MININGANDMETALIJmGICALENGINEERINGV01．32August2012菱铁矿热分解行为及其热力学分析①张志华，薛生晖(长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙410012)摘要：通过热重(1'G—DTC)、差热(DSC)分析分别在氮气、空气和氧气气氛下对菱铁矿的热分解行为进行了研究，并从热力学角度对菱铁矿热分解行为进行了分析探讨。热力学分析结果表明，在氮气气氛中，温度高于875．86K时分解产物为Fe，O．，低于此温度为FeO；而在氧化性气氛中分解产物为Fe20，。DSC-TGA曲线验证

2、了理论分析结果。关键词：菱铁矿；热分解；热重分析；差热分析中图分类号：0642．1文献标识码：A文章编号：0253—6099(2012)08—0423—04菱铁矿(FeCO，)属于CaC03。FeC03一MgCO，系列中的重要矿物之一，同时它也是一种重要的铁矿石资源⋯，随着我国磁铁矿资源的El益枯竭，菱铁矿的工业化利用技术的研究引起了人们的广泛关注心J。基于菱铁矿受热分解的性质，其热分解的最终产物与气氛密切相关旧J，在一定条件下可生成人造磁铁矿，根据菱铁矿该性质，目前主要采用磁化焙烧技术处理菱铁矿H。j。目前有竖炉和回转窑两种菱铁矿磁化焙烧工

3、艺，分别在新疆、陕西、云南等地实现大规模工业化应用。本文从热力学的基础理论人手，对菱铁矿在不同气氛下的热分解行为进行了热力学研究，并通过DSC—TGA分析验证理论，最终确定菱铁矿在不同气氛条件下的热分解行为。1实验部分1．1实验原料矿样来自安徽某地，其多元素、铁物相分析及x衍射分析结果如表1、表2和图1所示。由表1和表2可以看出：矿石中以菱铁矿形式存在的铁分布率高达88．92％，以其它形式存在的铁所占比例较低，总铁品位达42．97％，可推算出原矿中菱铁矿矿物含量高达79％以上。样品粒度为D∞=66．73u肌。实验过程中所用气体均为工业纯。表1

4、菱铁矿多元素分析结果(质量分数)／％TFeFeOFe203Si02A1203CaOMgo42．9749．596．323．650．150．651．47Na20K20MnOAsPTi02Ig0．0190．0152．990．028O．240．02934．03表2菱铁矿铁物相分布ZO／(。)图1菱铁矿X一衍射分析图谱1．2实验仪器主要仪器有：NetzschSTA一409型综合热分析仪；D8ADVANCEX射线衍射仪。1．3实验过程将菱铁矿置于坩埚中，分别考察在氮气、空气和氧气气氛下的DSC—TGA曲线，在20mL／min相应气体气流下，按照15％／r

5、ain的升温速度从室温加热至750℃，计算机在线记录样品的温度和质量。热分析完成后，收集分解残留物进行x衍射分析。①收稿日期：2012-06-29作者简介：张志华(1987一)，男，安徽合肥人，硕士研究生，主要从事有色冶金新工艺及回转窑还原焙烧技术研究。矿冶工程第32卷2结果与讨论2．1菱铁矿热分解热力学研究菱铁矿(FeCO，)是一种碳酸盐，在加热过程中会发生分解反应，反应式如下：FeO+C02=一FeC03AG：=一75019+181．502TlsPc02：一半竽+9．48(1)式中Pc02为FeCO，的分解压。当在大气中焙烧时，空气中的C

6、O：分压P。m=30．4Pa。当Pco，=Pc02时：1930．4-一婴竽+9．48(2)得：斥=489．93K，即大气中焙烧菱铁矿开始分解温度为489．93K。当Pco'=pc0，=105Pa时：lgl05：一型竽+9．48(3)得：％=874．56K，即874．56K为菱铁矿(FeC03)的化学沸腾温度。根据菱铁矿(FeCO，)的分解压与温度的关系可以作出菱铁矿(FeCO，)的分解反应平衡图，见图2。T／I(图2菱铁矿(FeCO，)分解反应平衡图根据热力学计算，菱铁矿(FeCO，)在理论上是有可能分解的，而且由图2可知，菱铁矿分解后产物存

7、在稳定区域非常大。2．1．1氮气气氛中菱铁矿分解热力学研究在通有氮气的情况下，反应体系里面只要在分解过程中产生了C02，可能会发生3FeO+C02一Fe304+CO反应，查阅相关的热力学数据，计算出6FeO+0，一2Fe，0。的△G；，得到其吉布斯自由能与温度的关系图如图3所示。由图3可知，当温度低于875．86K时，FeO的生成吉布斯自由能大于布多尔反应的吉布斯自由能，当温度高于875．86K时，Fe，0。的生成吉布斯自由能小于布多尔反应的吉布斯自由能。因此从热力学角度分析可知，菱铁矿在氮气气氛中，温度高于875．86K时的热分解产物为Fe

8、，0。。善拿萼司温度，l(图36FeO+O：一2Fe，O。吉布斯自由能与温度的关系2．1．2氧化性气氛下菱铁矿分解热力学研究菱铁矿在氧化性气氛中的热分解可理解为两个