blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-9-731-736blackmet-1408Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESТермодинамическое моделирование восстановления никеля и железа из многокомпонентного силикатного расплава в процессе барботажа. Сообщение 1. Восстановитель – смесь СО − СО2Thermodynamic modeling of nickel and iron reduction from multicomponent silicate melt in bubling process. Report 1. Reducing agent – a mixture of CO – CO2ВусихисА. С.VusikhisA. S.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник.

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher.

Ekaterinburg

vas58@mail.ruЛеонтьевЛ. И.Leont’evL. I.

Доктор технических наук, академик, главный научный сотрудник.

119991, Москва, Ленинский пр., 32а; 119334, Москва, Ленинский пр., 49; 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Academician, Adviser of the Russian Academy of Sciences, Chief Researcher.

Moscow

leo@imet.mplik.ruКудиновД. З.KudinovD. Z.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник.

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher.

Ekaterinburg

d.kudinov@mail.ruСеливановЕ. Н.SelivanovE. N.

Доктор технических наук, заведующий лабораторией пирометаллургии цветных металлов.

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Dr. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory of Pyrometallurgy of Nonferrous Metals.

Ekaterinburg

pcmlab@mail.ruИнститут металлургии УрО РАНРоссияInstitute of Metallurgy UB RASRussian FederationПрезидиум РАН; Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияScientific Council on Metallurgy and Metal Science of Russian Acade my of Sciences (Department of Chemistry and Material Sciences); Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science; National University of Science and Technology “MISIS” (MISIS)Russian Federation201821102018619731736Copyright © Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Кудинов Д.З., Селиванов Е.Н., 20182018Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Кудинов Д.З., Селиванов Е.Н.Vusikhis A.S., Leont’ev L.I., Kudinov D.Z., Selivanov E.N.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/1408

Методика термодинамического моделирования, в основе которой лежит расчет равновесия в системе «оксидный расплав  –  металл  –  газ», предназначена для описания процесса барботажного восстановления металлов из многокомпонентного оксидного расплава газом-восстановителем. Оригинальность методики состоит в том, что равновесие определялось для каждой единичной порции газа, вводимой в рабочее тело, при содержаниях оксидов восстанавливаемых металлов в каждом последующем расчетном цикле, равных равновесным в предыдущем. Этот подход позволяет моделировать процессы и качественно оценить полноту протекания реакций в пирометаллургических агрегатах, использующих продувку расплава газом-восстановителем. Исходная оксидная система NiO (1,8  %)  –  FeO  (17,4)  – CaO  (13,5)  – MgO  (1,9) – SiO2 (58,0) – Al2O3 (7,4) по содержанию компонентов близко отвечала составу окисленной никелевой руды. Соотношение СО2 / СО в газовой смеси варьировалось в пределах 0 ÷ 0,33. В зависимости от количества и состава газа, введенного в рабочее тело, оценивали содержание оксидов никеля и железа в расплаве (1823 К), определяли количество и состав образующегося металла (ферроникеля), а также показатели (кратность шлака, степени восстановления металлов), важные при реализации процесса в промышленных условиях. Увеличение расхода чистого монооксида углерода монотонно снижает содержание оксида никеля в расплаве, в то время как содержание оксида железа первоначально возрастает, а затем снижается. При введении СО в количестве около 100 м3 на тонну расплава, содержание оксида никеля в нем снижается до 0,05 %, а оксида железа до 17 %. Образующийся ферроникель содержит 70 % Ni, кратность шлака составляет 41 единицу. Дальнейшее увеличение расхода СО ведет к предпочтительному восстановлению железа. Повышение соотношения СО2 /СО ухудшает показатели восстановления металлов из расплава: уменьшается степень восстановления никеля и железа, увеличивается содержание никеля в сплаве и кратность шлака. При СО2 /СО, равном 0,33, что соответствует 25% СО2 в смеси газов, процесс восстановления прекращается. На основании полученных данных предложено перерабатывать окисленную никелевую руду в две стадии, на первой из которых вести барботаж расплава газом (предпочтительно чистым СО) до степени восстановления никеля 80 – 85 % и выделять ферроникель с 70 % Ni. Дальнейшее восстановление металлов из оксидного расплава (вторая стадия) можно вести известными карботермическими методами.

The thermodynamic modeling method, which is based on calculation of the equilibrium in «oxide melt-metal-gas» system, is intended to describe the bubbling reduction of metals from a multicomponent oxide melt by reducing gas. Originality of the technique is that the equilibrium was determined for each unit dose of gas introduced into the working body, with contents of the metals oxides being reduced in each subsequent design cycle equal to equilibrium in the previous one. This approach allows modeling processes and qualitatively assessment of the completeness of reactions in pyrometallurgical aggregates using blowing the melt with reducing gas. The initial oxide system NiO  (1.8  %)  – FeO  (17.4)  – CaO  (13.5)  – MgO  (1.9)  – SiO2  (58.0)  – Al2O3  (7.4  %) by content of the components close corresponded to the composition of oxidized nickel ore. The ratio of CO2 /CO in the gas mixture varied between 0 and 0.33. Depending on the amount and composition of the gas introduced into the working body, content of nickel and iron oxides in the melt (1823  K) was evaluated, the amount and composition of the formed metal (ferronickel) was determined, as well as the parameters (ratio of slag and metal, reduction degree of metals) that are important in the process implementation in industrial conditions. Increase in the consumption of pure carbon monoxide monotonously reduces the content of nickel oxide in the melt, while the content of iron oxide at the beginning increases, and then decreases. With the introduction of CO in the amount of about 100  m3 per ton of the melt, the content of nickel oxide in it is reduced to 0.05  %, and of iron oxide  – to 17  %. The resulting ferronickel contains 70  %  Ni, the ratio of slag and metal is 41  units. A further increase in CO consumption leads to preferential iron reduction. Increase in the CO2 /CO ratio worsens the recovery of metals from the melt: the degree of reduction of nickel and iron decreases, Ni content in the alloy increases and the ratio of slag and metal increases. At CO2 /CO equal to 0.33 corresponding to 25  % CO2 in the gas mixture the reduction process stops. On the basis of the data obtained, it is proposed to process oxidized nickel ore in two stages, the first of which is melt bubbling by gas (preferably, pure CO) to the degree of nickel reduction of 80  –  85  % and to separate ferronickel with 70  %  Ni. Further reduction of metals from the oxide melt (second stage) can be carried out by known carbothermic methods.

методикатермодинамическое моделированиекинетикавосстановительный газбарботажмногокомпонентный оксидный расплавtechniquethermodynamic modelingkineticsreducing gasbubbling processingmulticomponent oxide meltsReferencesПлавка в жидкой ванне / А.В. Ванюков, В.П. Быстров, А.Д. Васкевич и др. – М.: Металлургия, 1986. – 259 с.Vanyukov A.V., Bystrov V.P., Vaskevich A.D. etc. Plavka v zhidkoi vanne [Melting in a liquid bath]. Moscow: Metallurgiya, 1986, 259 p. (In Russ.).Автогенные процессы в цветной металлургии / В.В. Мечев, В.П. Быстров, А.В. Тарасов и др. – М.: Металлургия, 1991. – 413 с.Mechev V.V., Bystrov V.P., Tarasov A.V. etc. Avtogennye protsessy v tsvetnoi metallurgii [Autogenous processes in non-ferrous metallurgy]. Moscow: Metallurgiya, 1991, 413 p. (In Russ.).Охотский В.Б. Физико-химическая механика сталеплавильных процессов. – М: Металлургия, 1993. – 151 с.Okhotskii V.B. Fiziko­khimicheskaya mekhanika staleplavil’nykh protsessov [Physicochemical mechanics of steelmaking processes]. Moscow: Metallurgiya, 1993, 151 p. (In Russ.).Сурин В.А., Назаров Ю.Н. Массо- и теплообмен, гидрогазодинамика металлургической ванны. – М: Металлургия, 1993. – 352 с.Surin V.A., Nazarov Yu.N. Masso­ i teploobmen, gidrogazodinamika metallurgicheskoi vanny [Mass and heat transfer, fluid dynamics of the metallurgical bath]. Moscow: Metallurgiya, 1993, 352 p. (In Russ.).Явойский А.В., Харлашин П.С., Чаурди Т.М. Научные основы сталеплавильных процессов. – Мариуполь, 2003. – 276 с.Yavoiskii A.V., Kharlashin P.S., Chaurdi T.M. Nauchnye osnovy staleplavil’nykh protsessov [Scientific fundamentals of steelmaking processes]. Mariupol, 2003, 276 p. (In Russ.).Роменец В.А., Валавин В.С., Усачев А.Б. Процесс Ромелт. – М.: МИСиС, Изд. Дом «Руда и Металлы», 2005. – 399 с.Romenets V.A., Valavin V.S., Usachev A.B. Protsess Romelt [Romelt process]. Moscow: MISiS, ID Ruda i Metally, 2005, 399 p. (In Russ.).Морачевская B.C., Бухбиндер А.И. Взаимодействие расплава окисленной никелевой руды с окисью углерода, водородом и природным газом. Бюллетень «Цветная металлургия».1968. № 4. С. 24 – 28.Morachevskaya B.C., Bukhbinder A.I. Interaction of oxidized ni ckel ore melt with carbon monoxide, hydrogen and natural gas. Byulle ten’ Tsvetnaya Metallurgiya. 1968, no. 4, pp. 24–28. (In Russ.).Морачевская B.C., Бухбиндер А.И. Взаимодействие расплава окисленной никелевой руды с восстановительными газами в условиях барботажа // Тр. института Гипроникель. – Л.: 1973. Вып. 58. С. 82 – 88.Morachevskaya B.C., Bukhbinder A.I. Interaction of oxidized nickel ore melt with reducing gases under bubbling conditions. In: Trudy instituta Gipronikel’. Leningrad: 1973, Issue 58, pp. 82–88. (In Russ.).Русаков М.Р., Востриков Г.В., Пинин Л.Н., Садовникова Е.А. Новые методы обеднения конвертерных и печных шлаков с использованием газообразных и жидких восстановителей и электроэнергии // Тр. института Гипроникель. – Л.: 1979. С. 8 – 15.Rusakov M.R., Vostrikov G.V., Pinin L.N., Sadovnikova E.A. New degrading methods of converter and furnace slags with the use of gaseous and liquid reductants and electricity. In: Trudy instituta Gipronikel’. Leningrad: 1979, pp. 8–15. (In Russ.).Русаков М.Р. Обеднение шлаковых расплавов продувкой восстановительными газами // Цветные металлы. 1985. № 3. С. 40 – 42.Rusakov M.R. Scavenging of slag melts by blowing with reducing gases. Tsvetnye metally. 1985, no. 3, pp. 40–42. (In Russ.).Комков А.А., Баранова Н.В., Быстрое В.П. Исследование восстановительного обеднения высокоокисленных шлаков в условиях барботажа // Цветные металлы. 1994. № 12. С. 26 – 30.Komkov A.A., Baranova N.V., Bystrov V.P. Research of the highly oxidized slag reducing impoverishment in bubbling conditions. Tsvet nye metally. 1994, no. 12, pp. 26–30. (In Russ.).Крашенинников М.В., Маршук Л.А., Леонтьев Л.И. Селективное восстановление никеля из оксидного расплава // Расплавы. 1998. № 4. С. 45 – 48.Krasheninnikov M.V., Marshuk L.A., Leont’ev L.I. Selective reduction of nickel from oxide melt. Rasplavy. 1998, no. 4, pp. 45–48. (In Russ.).Фомичев В.Б., Князев М.В., Рюмин А.А. и др. Исследование процесса обеднения шлаков продувкой их газовыми смесями сFomichev V.B., Knyazev M.V., Ryumin A.A., Tsemekhman L.Sh., Ryabko A.G., Pavlinova L.A., Tsymbulov L.B. Study of slag depletion process with blowing by gas mixes having different partial oxygen pressure. Tsvetnye metally. 2002, no. 9, pp. 32–36. (In Russ.).различным парциальным давлением кислорода // Цветные металлы. 2002. № 9. С. 32 – 36.Komkov A.A., Kamkin R.I. Behavior of copper and impurities at blowing of copper smelting slags with a gas mixture CO-CO2 . Tsvetnye metally. 2011, no. 6, pp. 26–31. (In Russ.).Комков А.А., Камкин Р.И. Поведение меди и примесей при продувке медеплавильных шлаков газовой смесью СО-СО2 // Цветные металлы. 2011. № 6. С. 26 – 31.Shavrin S.V., Zakharov I.N., Ipatov B.V. Kinetic regularities of slag reduction by gas. Izvestiya AN SSSR. Metallurgiya i gornoe delo. 1964, no. 3, pp. 22–31. (In Russ.).Шаврин С.В., Захаров И.Н., Ипатов Б.В. Кинетические закономерности восстановления шлака газом // Известия АН СССР. Металлургия и горное дело.1964. № 3. С. 22 – 31.Berdnikov V.I., Gudim Yu.A., Karteleva M.I. Generalized formula for calculation of movement speed of solid particles, bubbles and drops in liquid and gaseous media. Izvestiya VUZov. Chernaya metal lurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1997, no. 7, pp. 6–10. (In Russ.).Бердников В.И., Гудим Ю.А., Картелева М.И. Обобщенная формула для расчета скорости движения твердых частиц, пузырей и капель в жидких и газообразных средах // Изв. вуз. Черная металлургия. № 7. 1997. С. 6 – 10.Vusikhis A.S., Leont’ev L.I., Chentsov V.P. etc. Metallic phase forming in barbotage of multicomponent oxide melt by reduction gas. Report 1. Theoretical basis of the process. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2016, no. 9, pp. 639–644. (In Russ.).Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Ченцов В.П. и др. Формирование металлической фазы при барботаже газом-восстановителем многокомпонентного оксидного расплава. Сообщение 1. Теоретические основы процесса // Изв. вуз. Черная металлургия. 2016. № 9. С. 639 – 644.Vusikhis A.S., Dmitriev A.N. Reduction process of metal oxides from the melt by gas-reducing agent in bubbling layer. Vestnik UGTU-UPI. 2004, no. 15(45). Part 1, pp. 93–95. (In Russ.).Вусихис А.С., Дмитриев А.Н. Исследование процессов восстановления оксидов металлов из расплава газом-восстановителем в барботируемом слое // Вестник УГТУ-УПИ. 2004. № 15(45). Ч. 1. С. 93 – 95.Vusikhis A.S., Kudinov D.Z., Leont’ev L.I. Modeling of the kinetics of nickel reduction from a multicomponent oxide melt with a gaseous reducing agent. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2008, vol. 82, no. 11, pp. 2035–2038.Вусихис А.С., Кудинов Д.З., Леонтьев Л.И. Моделирование кинетики восстановления никеля из многокомпонентного оксидного расплава водородом в барботируемом слое // Журнал физической химии. 2008. Т. 82. № 11. С. 2035 – 2038.Dmitriev A.N., Vusikhis A.S., Sitnikov V.A., Leontiev L.I., Kudinov D.Z. Thermodynamic modeling of iron oxide reduction by hydrogen from the B2O3–CaO–FeO melt in bubbled layer. Israel Journal of Chemistry. 2007, vol. 47, no. 3-4, pp. 299–302.Dmitriev A.N., Vusikhis A.S., Sitnikov V.A. etc.Thermodynamic modeling of iron oxide reduction by hydrogen from the B2O3 – CaO – FeO melt in bubbled layer // Israel Journal of Chemistry. 2007. Vol. 47. No. 3 – 4. P. 299 – 302.Vusikhis A.S., Kudinov D.Z., Leont’ev L.I. A kinetic model of the joint reduction of iron and nickel from a multicomponent oxide melt with hydrogen in a bubbling layer. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2008, vol. 82, no. 11, pp. 2030–2034.Вусихис А.С., Кудинов Д.З., Леонтьев Л.И. Моделирование кинетики совместного восстановления железа и никеля из многокомпонентного оксидного расплава водородом в барботируемом слое // Журнал физической химии. 2008. Т. 82. № 11. С. 2030 – 2034.Kazachkov E.A. Raschety po teorii metallurgicheskikh protsessov [Calculations on the theory of metallurgical processes]. Moscow: Metallurgiya, 1988, 288 p. (In Russ.).Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов. – М.: Металлургия, 1988. – 288 с. 23. Роменец В.А., Валавин В.С., Похвиснев Ю.В. Технологическая оценка реализации процесса Ромелт в классическом и двухзонном вариантах // Металлург. 2014. № 1. С. 45 – 50.Romenets V.A., Valavin V.S., Pokhvisnev Yu.V. Technological assessment of the Romelt process in the classic and two-zone variants. Metallurgist. 2014, vol. 58, no. 1-2, pp. 20–27.Пат. 2511419 РФ. Способ жидкофазного получения железа прямого восстановления // Г.А. Дорофеев, С.Г. Мурат, Т.Н. Одородько и др.; опубл. 10.04.2014. Бюл. № 10.Dorofeev G.A., Murat S.G., Odorod’ko T.N. etc. Sposob zhidkofaznogo polucheniya zheleza pryamogo vosstanovleniya [Me thod of liquid-phase obtaining of directly reduced iron]. Patent RF no. 2511419. Byulleten’ izobretenii. 2014, no. 10. (In Russ.).Dorofeev G.A., Yantovski P.R., Odorodko T.N. etc. New energy – metallurgical production process of direct reduced iron and electrical energy // Proceedings of International scientific and technical Conference named after Leonardo da Vinci. No. 1. Wissenschaftliche Welt, e. V, 2013. Р. 54 – 58.Dorofeev G.A., Yantovski P.R.,Odorodko T.N.,Kharitonova J.V., Protopopov A.A., Erofeev V.A., Arsenieva A.A., Murat S.G. New energy – metallurgical production process of direct reduced iron and electrical energy. In: Proceedings of International scientific and technical Conference named after Leonardo da Vinci. No. 1, Wissenschaftliche Welt, e.V, 2013, pp. 54–58.

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