blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-2-120-127blackmet-1243Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESИЗУЧЕНИЕ ТВЕРДОЖИДКОФАЗНОГО КАРБОТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ НИКЕЛЯ ИЗ РУДОУГОЛЬНЫХ БРИКЕТОВSOLID-LIQUID-PHASE CARBOTHERMAL REDUCTION OF NICKEL FROM ORE-COAL BRIQUETTESБутЕ. А.ButE. A.

Ассистент кафедры «Металлургия стали, новых производственных технологий и защиты металлов».

 

Assistant of the Chair of Metallurgy of Steel, New Production Technologies and Metal Protection.

 

katerina_booth@mail.ruПавловА. В.PavlovA. V.

Доктор технических наук, профессор кафедры «Металлургия стали, новых производственных технологий и защиты металлов».

 

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair of Metallurgy of Steel, New Production Technologies and Metal Protection.

 

 

pav-gnts@misis.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”Russian Federation201807032018612120127Copyright © Бут Е.А., Павлов А.В., 20182018Бут Е.А., Павлов А.В.But E.A., Pavlov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1243

В настоящее время наблюдается сложная ситуация в производстве ферроникеля – запасы богатых никелевых руд заканчиваются, а хорошо отработанные и налаженные классические схемы производства не обеспечивают экономически эффективную переработку бедных окисленных никелевых руд. Представляется перспективным применение для такого сырья новых высокоэффективных и экономичных процессов получения первичного металла, использующих рудоугольные брикеты, например, процесс ITMK3 или процесс плавки в кислородном реакторе. Для изучения применимости процесса твердожидкофазного карботермического восстановления рудоугольных брикетов для бедной окисленной никелевой руды в лабораторных экспериментах были выбраны условия, максимально имитирующие промышленные – сброс брикета промышленного размера (диаметр 24 мм, высота 30 – 35 мм, масса 20 – 30 г) в горячую зону печи с температурой 1500 °С. Температуру поверхности брикета замеряли с помощью тепловизора «Pyrovision M9000», а анализ газовой фазы осуществляли с помощью хроматографа «Газохром-3101». Экспериментально установлено, что температура брикета изменяется по одному и тому же логарифмическому закону. При принятых допущениях – логарифмическое увеличение скорости нагрева образца от времени и образование в результате восстановления в газовой фазе только оксида углерода – методика эксперимента позволяет определить скорость и степень восстановления в зависимости от времени, полное время восстановления, составы полученных металла и шлака, порядок реакции, энергию активации и лимитирующую стадию процесса. Проведены эксперименты с различными типами восстановителя и разными составами брикетов при варьировании температуры процесса и размера образца. Показано, что процесс протекает в смешанном режиме при одновременном контроле внутренним массопереносом и химической реакцией. Установлены оптимальные условия по проведению процесса твердожидкофазного карботермического восстановления окисленной никелевой руды: тип восстановителя – полукокс, концентрация восстановителя в брикете 5 %; фракции компонентов – менее 1 мм; температура процесса 1500 °С; время восстановления 12 мин. За счет варьирования содержания восстановителя в брикете возможно получение ферроникеля с концентрацией никеля от 5 до 22 %.

Currently, there is a difficult situation in the production of ferronickel  –  the reserves of rich nickel ores end, and well-developed and established classical production schemes do not provide economically efficient processing of poor oxidized nickel ores. It seems promising to use for this raw material new highly efficient and economical processes for the production of primary metal using orecoal briquettes, for example, the ITmk3 process or the smelting process in an oxygen reactor. To study the applicability of the solid-liquid-phase carbothermic reduction process for ore-coal briquettes for poor oxidized nickel ore, the conditions were used most simulating industrial conditions-the discharge of a briquette of industrial size (diameter 24  mm, height 30 – 35  mm, weight 20  –  30 g) in conditions of the furnace hot zone with a temperature of 1500 °С. The briquette surface temperature was measured with the «Pyrovision  M9000» thermal imager, and the gas phase analysis was performed using a «Gasochrom-3101» chromatog­ raph. It has been experimentally established that the temperature of the briquette varies according to the same logarithmic law. Under the assumed assumption – formation as a result of reduction in the gas phase of carbon monoxide alone and taking into account a logarithmic increase in the heating rate of the sample, the experimental procedure allows to determine the rate and degree of reduction as a function of time, the total reduction time, compositions of the produced metal and slag, order of the reaction, the activation energy and limiting stage of the process. Experiments with various types of reductant and different briquette compositions at a temperature of 1500 °С have been carried out. It is shown that the process proceeds in a mixed mode with simultaneous control by internal mass transfer and chemical reaction. The optimal conditions for the solid-liquid-phase carbothermic reduction of oxidized nickel ore are determined: the type of reducing agent is semi-coke, the concentration of the reducing agent in the briquette is 5  %; fractions of components are less than 1  mm; process temperature is 1500 °С; the recovery time is 12  minutes. By varying the content of reducing agent in the briquette, it is possible to obtain ferronickel with a nickel concentration of 5 % to 22 %.

окисленная никелевая рудатвердожидкофазное карботермическое восстановлениерудоугольные брикетыстепень превра-щенияэнергия активациипорядок реакцииoxidized nickel oresolid-liquid-phase carbothermic reductionore-coal briquetteconversion degreeactivation energyreaction orderReferencesВанюков А.В., Быстров В.П., Васкевич А.Д. и др. Плавка в жидкой ванне: Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1988. – 207 с.Vanyukov A.V., Bystrov V.P., Vaskevich A.D. etc. Plavka v zhidkoi vanne: Uchebnik dlya vuzov [Melting in a liquid bath. Textbook for universities]. Moscow: Metallurgiya, 1988, 207 p. (In Russ.).Захаров Б.Н., Воробьев В.А. Шахтная плавка окисленных никелевых руд и конвертирование никелевых штейнов. – М.: Металлургия, 1974. – 167 с.Zakharov B.N., Vorob’ev V.A. Shakhtnaya plavka okislennykh nikelevykh rud i konvertirovanie nikelevykh shteinov [Shaft melting of oxidized nickel ores and conversion of nickel matte]. Moscow: Metallurgiya, 1974, 167 p. (In Russ.).Тавасшерна С., Доброхотова Е.В. Исследование критического метода переработки окисленных никелевых руд: Тр. Ин-та Гипроникель. Вып. 3. – СПб.: изд. ин-та Гипроникель, 1985. С. 38 – 61.Tavassherna S., Dobrokhotova E.V. Investigation of the critical method of oxidized nickel ores processing. In: Tr. In-ta Gipronikel’. 1985, Issue 3, pp. 38–61. (In Russ.).Проблемы получения ферроникеля из окисленных никелевых руд. Круглый стол // Цветные металлы. 1992. № 6. С. 7, 8.Problems of obtaining ferronickel from oxidized nickel ores. Discussion. Tsvetnye metally. 1992, no. 6, pp. 7–8. (In Russ.).Попов В.М. Комбинированный способ переработки окисленных никелевых руд // Цветные металлы, 2003. № 12. С. 30 – 32.Popov V.M. Combined method for processing of oxidized nickel ores. Tsvetnye metally. 2003, no. 12, pp. 30–32. (In Russ.).Резник И.Д., Ермаков Г.П., Шнеерсон Я.М. Никель: В 3-х т. T. 2. Окисленные никелевые руды. Характеристики руд. Пирометаллургия и гидрометаллургия окисленных никелевых руд. – М.: ООО «Наука и технологии», 2001. – 468 с.Reznik I.D., Ermakov G.P., Shneerson Ya.M. Nikel’: V 3 t. T. 2. Okislennye nikelevye rudy. Kharakteristiki rud. Pirometallurgiya i gidrometallurgiya okislennykh nikelevykh rud [Nickel. In 3 vols. Vol. 2: Oxidized nickel ores. Characteristics of ores. Pyrometallurgy and hydrometallurgy of oxidized nickel ores]. Moscow: Nauka i tekhnologii, 2001, p. 468. (In Russ.).Грань Н.И., Онищин B.P., Майзель Э.И. Электроплавка окисленных никелевых руд. – М.: Металлургия, 1971. – 248 с.Gran’ N.I., Onishchin B.P., Maizel’ E.I. Elektroplavka okislennykh nikelevykh rud [Electrosmelting of oxidized nickel ores]. Moscow: Metallurgiya, 1971, 248 p. (In Russ.).Селиванов Е.Н., Лазарева С.В. Состояние и перспективы пирометаллургической переработки никелевых руд Серовского месторождения // Цветная металлургия. 2009. № 4. С. 13 – 19.Selivanov E.N., Lazareva S.V. Status and prospects of pyrometallurgical processing of nickel ores of the Serovskoe deposit. Tsvetnaya metallurgiya. 2009, no. 4, pp. 13-19. (In Russ.).Андреев А.А., Дьяченко А.Н., Крайденко Р.И. Способ переработки окисленных никелевых руд. Пат. РФ 2381285. // Бюллетень изобретений. 2010. № 4.Andreev A.A., D’yachenko A.N., Kraidenko R.I. Sposob pererabotki okislennykh nikelevykh rud [Method for oxidized nickel ores processing]. Patent RF no. 2381285. Byulleten’ izobretenii. 2010, no.  4. (In Russ.).Диомидовский Д.А., Онищин Б.П., Линев В.Д. Металлургия ферроникеля. – М.: Металлургия, 1983. – 184 с.Diomidovskii D.A., Onishchin B.P., Linev V.D. Metallurgiya ferronikelya [Metallurgy of ferronickel]. Moscow: Metallurgiya, 1983, 184 p. (In Russ.).Серова Н.В., Лысых М.П., Олюнина Т.В., Китай А.Г., Дьяченко В.Т. Автоклавное выщелачивание Буруктальской окисленной никелевой руды с использованием элементарной серы // Цветные металлы. 2012. № 8. С. 57 – 61.Serova N.V., Lysykh M.P., Olyunina T.V., Kitai A.G., D’yachenko V.T. Autoclave leaching of Buruktalsk oxidized nickel ore using elemental sulfur. Tsvetnye metally. 2012, no. 8, pp. 57–61. (In Russ.).Курунов И.Ф., Савчук Н.А. Состояние и перспективы внедоменной металлургии железа. – М.: Черметинформация, 2002. – 198 с.Kurunov I.F., Savchuk N.A. Sostoyanie i perspektivy vnedomennoi metallurgii zheleza [State and prospects of external metallurgy of iron]. Moscow: Chermetinformatsiya, 2002, 198 p. (In Russ.).Ishii K. Developments of ferronickel smelting from laterite in Japan // Int. Journal of Mineral Processing. 1987. No. 19. Р. 15 – 24.Ishii K. Developments of ferronickel smelting from laterite in Japan. Int. Journal of Mineral Processing. 1987, no. 19, pp. 15–24.Grygorian V.A., Pavlov A.V., Semin A.E., Kossyrev K.L. New way of melt of pigiron and ferroalloys in the oxygen reactor // Proceedings of the 9th Int. Ferroalloys Congress (INFACON IX). – Quebec City, Canada, June 3-6, 2001. Р. 189 – 191.Grigoryan V.A., Pavlov A.V., Vegman E.F., Semin A.E., Shcherbakov V.A. Sposob polucheniya chuguna i ferrosplavov [Method of production of pig iron and ferroalloys]. Patent RF no. 2109817. Published 16.10.97. (In Russ.).Voermann N., Gerritsen T., Candy I., Stober F., Matyas A. Develop­­ ments in furnace technology for ferronickel production // Procee­ dings of the 10th Int. Ferroalloys Congress. – Cape Town, 2004. P. 455 – 465.Voermann N., Gerritsen T., Candy I., Stober F., Matyas A. Deve­ lopments in furnace technology for ferronickel production. In: Proceedings of the 10th Int. Ferroalloys Congress. – Cape Town. 2004, pp. 455–465.Tanaka Hidetosi, Harada Takao, Sugitacu Hirosi, Mijahara Icuo, Kobajasi Isao. Method for the production of ferronickel and a method for the preparation of a raw material for the production of ferronickel // Pat. № 2313595. KABUSIKI KAJSJa KOBE SEJKO SE (JP)Tanaka Hidetosi, Harada Takao, Sugitacu Hirosi, Mijahara Icuo, Kobajasi Isao. Method for the production of ferronickel and a me­ thod for the preparation of a raw material for the production of ferronickel­. Patent no. 2313595. KABUSIKI KAJSJa KOBE SEJKO SE (JP).Григорян В.А., Павлов А.В., Сёмин А.Е., и др. Новый энергосберегающий способ выплавки чугуна и ферросплавов // Сб. докладов на 5-ом Конгрессе ассоциации сталеплавильщиков г. Рыбница, Молдавия, ноябрь 1998.Grigoryan V.A., Pavlov A.V., A.E. Semin A.E., Shcherbakov V.A., Vegman E.F., Kozhevnikov N.G., Amerkhanov S.Z. New energy-saving method for smelting pig iron and ferroalloys. In: Sb. dokla dov na 5 Kongresse assotsiatsii staleplavil’shchikov g. Rybnitsa, Moldaviya, noyabr’ 1998 [Collection of reports of the 5th Congress of the Association of Steelmakers, Rybnitsa, Moldova, November 1998]. (In Russ.).Lu X., Guo E., Yuan Q., Pan C., Liu M. New method to produce FeNi nuggets from low grade ore by semimolten reduction // Proceedings of the 13th Int. Ferroalloys Congress. Almaty, 2013. P. 223 – 228.Lu X., Guo E., Yuan Q., Pan C., Liu M. New method to produce FeNi nuggets from low grade ore by semi-molten reduction. In: Proceedings of the 13th Int. Ferroalloys Congress. Almaty, 2013, pp. 223–228.Yildirim H., Morcali H., Turan A., Yucel O. Nickel pig iron production from lateritic nickel ores // Proceedings of the 13th Int. Ferroalloys Congress. – Almaty. 2013. P. 237 – 244.Yildirim H., Morcali H., Turan A., Yucel O. Nickel pig iron production from lateritic nickel ores. In: Proceedings of the 13th Int. Ferroalloys Congress. Almaty, 2013, pp. 237–244.Падерин С.Н., Серов Г.В. Термодинамика и кинетика металлургических процессов. Учебное пособие № 14. Ч. 2. – МИСиС. Изд.: ОАО «ВыксаПолиграфИздат», 2008. – 112 с.Paderin S.N., Serov G.V. Termodinamika i kinetika metallurgicheskikh protsessov: Uchebnoe posobie [Thermodynamics and kinetics of metallurgical processes], no. 14, Part. 2. Vyksa: MISiS, VyksaPoligrafIzdat, 2008, 112 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.