blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-12-957-962blackmet-1519Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НИКЕЛЯ И ЖЕЛЕЗА ИЗ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО СИЛИКАТНОГО РАСПЛАВА В ПРОЦЕССЕ БАРБОТАЖА. СООБЩЕНИЕ 3. ВОССТАНОВИТЕЛЬ – КОНВЕРТИРОВАННЫЙ ГАЗTHERMODYNAMIC MODELING OF NICKEL AND IRON REDUCTION FROM MULTICOMPONENT SILICATE MELT IN BUBBLING PROCESS. REPORT 3. CONVERTED GAS AS A REDUCING AGENTВусихисА. С.VusikhisA. S.

к.т.н., старший научный сотрудник

620016, Россия, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

Ekaterinburg

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

академик РАН, советник, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник

119991, Россия, Москва, Ленинский проспект, 32а;119334, Россия, Москва, Ленинский проспект, 49;119049, Россия, Москва, Ленинский проспект, 4

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

Moscow

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

к.т.н., старший научный сотрудник

620016, Россия, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

Ekaterinburg

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

д.т.н., заведующий лабораторией пирометалургии цветных металлов

620016, Россия, 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 of the 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 Academy of Sciences (Department of Chemistry and Material Sciences); Baikov Institute of Metallurgy and Material Sciences; National University of Science and Technology “MISIS”Russian Federation2018160120196112957962Copyright © Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Кудинов Д.З., Селиванов Е.Н., 20192019Вусихис 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/1519

Известный  способ  переработки  окисленных  никелевых  руд  включает  подачу  руды  в  противотоке  с  высокотемпературными  отходящими газами, плавку в барботажной зоне двухзонной печи, подачу углеродсодержащего топлива и кислородсодержащего дутья и получение расплава, который восстанавливается твердым восстановителем в плазменной зоне при нагреве азотом. Основной недостаток этого  спососба – низкое содержание никеля в сплаве, наличие кремния, углерода, хрома и других примесей. Для повышения качества ферроникеля предложено в плазменной зоне использовать конвертированный природный газ, который при обработке плазмой будет являться не только теплоносителем, но и восстановителем. Методом термодинамического моделирования, в основе которого лежит допущение о том, что  при барботаже ванны с расплавом состав газа в достигших поверхности всплывающих пузырях близок к равновесному, описаны процессы  совместного восстановления никеля и железа в системе 1,8 % NiO – 17,4 % FeO – 13,5 % CaO – 1,9 % MgO – 58,0 % SiO2 – 7,4 % Al2O3 ,  близкой по составу к магнезиальным никелевым рудам. Газ-восстановитель получен в результате кислородной конверсии природного газа с  коэффициентом расхода (α) 0,25, 0,35 и 0,50 (при температуре 1823 К). В результате проведенных расчетов выявлены зависимости содержания оксидов никеля и железа в силикатном расплаве, степени их восстановления, кратности шлака и содержания никеля в сплаве от общего  расхода газа, определяемого как произведение количества газа в единичной порции на количество расчетных циклов, а также количества  никеля и железа, восстановленных единичной порцией газа. Независимо от доли водорода и оксида углерода в исходных газах увеличение  их расхода монотонно снижает содержание оксида никеля в расплаве, в то время как содержание оксида железа первоначально возрастает,  а затем – снижается. При продувке расплава продуктами конверсии природного газа с α = 0,25 процесс восстановления протекает за счет  водорода, влияние СО незначительно. Расход 54 м3/т газа позволяет достигнуть степени восстановления никеля 98,5 %, содержания оксида  никеля в расплаве 0,028 %, кратности шлака 46 единиц. При одинаковом расходе газа с увеличением в исходной смеси долей СО2 и Н2О  за счет повышения α ухудшаются показатели восстановления металлов из расплава: значения СNiO и СFeO и кратность шлака повышаются,  а степени восстановления никеля и железа снижаются. Сравнение результатов с ранее полученными данными по восстановлению металлов из аналогичных расплавов оксидом углерода и водородом показало, что большей эффективностью обладает водород, несколько хуже  показатели при использовании конвертированного газа с α = 0,25. Восстановление никеля конвертированным газом (α = 0,35) до степени  восстановления  88  %,  что  соответствует  его  расходу  60  м3/т,  происходит  более  эффективно,  чем  чистым  СО.  Однако  конечные  степени  восстановления при использовании конвертированного газа достигают 90 %, в то время как при использовании СО приближаются к 100 %.

Common  method  of  oxidized  nickel  ores  processing  includes  ore feeding in countercurrent with high-temperature waste gases, melting in bubbling zone of a two-zone furnace, supplying carbonaceous  fuel and oxygen-containing blasting to produce melt that is reduced by  solid  reducing  agent  in  plasma  zone  when  heated  with  nitrogen.  The  main disadvantages of this method are low nickel content in alloy and  presence  of  silicon,  carbon,  chromium  and  other  impurities.  To  improve quality of ferronickel, it is proposed to use converted natural gas  in  plasma  zone,  which,  when  processed  by  plasma,  is  not  only  a heat  carrier,  but  also  a  reducing  agent.  The  method  is  based  on  assumption that at melt bubbling, composition of gas in bubbles that reached  bath surface is close to equilibrium. Gas-reducing agent is obtained by  oxygen conversion of natural gas with ratio α equal to 0.25; 0.35 and  0.50  respectively  (T = 1823 K).  Based  on  calculations,  dependencies  of content of nickel and iron oxides in silicate melt, degree of their reduction, ratio of slag and metal and nickel content in the alloy on total  gas flow determined as the product of the gas amount in a single batch  and the number of calculation cycles, as well as the amount of nickel  and iron, reduced by a single portion of gas are revealed. Regardless of proportion of hydrogen and carbon monoxide in source gases, increase  in  their  consumption  monotonously  reduces  content  of  nickel  oxide  in  the  melt,  while  content  of  iron  oxide  initially  increases,  and  then  decreases.  When  melt  is  blown  with  natural  gas  conversion  products  with  α = 0.25,  reduction  process  takes  place  due  to  hydrogen,  effect  of  CO  is  insignificant.  Flow  rate  of  54 m3/t  of  gas  allows  to  achieve  98.5 %  degree  of  nickel  reduction,  content  of  nickel  oxide  in  melt  is  0.028 %, ratio of slag and metal is 46 units. At equal gas consumption,  with increase in proportions of CO2 and H2O in the initial mixture, by  increasing α, values of metals reduction from melt deteriorate: valu es  of  CNiO  and  CFeO  and  ratio  of  slag  and  metal  increase,  and  degree  of  nickel  and  iron  reduction  decreases.  Comparison  of  results  with  previously  obtained  data  on  metals  reduction  from  similar  melts  by  carbon monoxide and hydrogen has shown that hydrogen has greater efficiency, somewhat worse results are demonstrated when converted gas  with α = 0.25 is applied. Nickel reduction by converted gas (α = 0.35)  to reduction rate of 88 %, which corresponds to its consumption of  60 m3/t,  is  more  effective  than  by  pure  CO.  However,  final  values  of  degree of reduction using converted gas reach 90 %, while for CO they  approach 100 %.

методикатермодинамическое моделированиекинетикавосстановительный газбарботажмногокомпонентный оксидный расплавконвертированный газtechniquethermodynamic modelingkineticsreducing gasesbubblingmulticomponent oxide meltsReferencesРоменец В.А., Валавин В.С., Усачев А.Б. Процесс Ромелт / Под общ. ред. В.А. Роменца. – М.: Руда и металлы, 2005. – 399 с.Romenets V.A., Valavin V.S., Usachev A.B. Protsess Romelt. Rome nets V.A. ed. Moscow: Ruda i metally, 2005, 399 p. (In Russ.)Плавка в жидкой ванне / А.В. Ванюков, В.П. Быстров, А.Д. Васкевич и др. – М.: Металлургия, 1988. – 208 с.Vanyukov A.V., Bystrov V.P., Vaskevich A.D. etc. Plavka v zhidkoi vanne [Melting in a liquid bath]. Moscow: Metallurgiya, 1988, 208 p. (In Russ.)Роменец В.А., Валавин В.С., Похвиснев Ю.В. Технологическая оценка реализации процесса Ромелт в классическом и двухзонном вариантах // Металлург. 2014. No 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.Лазарев В.И., Спесивцев А.В., Быстров В.П., Ладин Н.А., Зайцев В.И. Развитие плавки Ванюкова с обеднением шлаков // Цветные металлы. 2000. No 6. C. 33 – 36.Lazarev V.I., Spesivtsev A.V., Bystrov V.P., Ladin N.A., Zaitsev V.I. Development of Vanyukov melting with slags depletion. Tsvetnye metally. 2000, no. 6, pp. 33–36. (In Russ.)Ковган П.А., Волков В.А., Козырев В.В. и др. Экологически чистая технология бескоксовой плавки окисленных никелевых руд // Цветная металлургия. 1994. No 11-12. С. 16 – 17.Kovgan P.A., Volkov V.A., Kozyrev V.V. etc. Environment friendly technology for coke-free melting of oxidized nickel ores. Tsvetnaya metallurgiya. 1994, no. 11-12, pp. 16–17. (In Russ.)Федоров А.Н., Комков А.А., Бруэк В.Н., Гнусков Н.А., Крыжановский А.П. Освоение процесса Ванюкова для переработки окисленных никелевых руд на Южно-уральском никелевом комбинате // Цветные металлы. 2007. No 12. С. 33 – 37.Fedorov A.N., Komkov A.A., Bruek V.N., Gnuskov N.A., Kryzhanovskii A.P. Mastering Vanyukov Process for oxidized nickel ores processing at the South Ural Nickel Plant. Tsvetnye metally. 2007, no. 12. pp. 33–37. (In Russ.)Ковган П.А., Абуов М.Г., Едильбаев А.И. Перспективные технологии переработки бедных окисленных никелевых руд // Цветные металлы. 2008. No 2. С. 43 – 45.Kovgan P.A., Abuov M.G., Edil’baev A.I. Promising technologies for processing of poor oxidized nickel ores. Tsvetnye metally. 2008, no. 2, pp. 43–45. (In Russ.)Цымбулов Л.Б., Князев М.В., Цемехман Л.Ш., Кудабаев Е.А., Головлев Ю.И. Анализ различных вариантов технологической схемы переработки окисленных никелевых руд на ферроникель с применением двухзонной печи Ванюкова // Цветные металлы. 2010. No 10. С. 15 – 21.Tsymbulov L.B., Knyazev M.V., Tsemekhman L.Sh., Kudabaev E.A., Golovlev Yu.I. Analysis of various variants of technological scheme for oxidized nickel ores processing to ferronickel using Vanukov two-zone furnace. Tsvetnye metally. 2010, no. 10, pp. 15–21. (In Russ.)Быстров В.П., Федоров А.Н., Щелкунов В.В., Быстров С.В. Использование процесса Ванюкова для переработки окисленных никелевых руд // Цветные металлы. 2011. No 8-9. С. 155 – 158.Bystrov V.P., Fedorov A.N., Shchelkunov V.V., Bystrov S.V. Using Vanyukov process for oxidized nickel ores processing. Tsvetnye metally. 2011, no. 8-9, pp. 155–158. (In Russ.)Пахомов Р.А., Старых Р.В. Особенности плавки окисленных никелевых руд в агрегате барботажного типа. I. Термодинамический анализ плавок // Металлы. 2015. No 5. С. 3 – 14.Pakhomov R.A., Starykh R.V. Melting of oxidized nickel ores in a barbotage unit: I. Thermodynamic analysis of melting. Russian Metallurgy (Metally). 2015, no. 9, pp. 675–684.Пат. No 2064516 РФ. Способ переработки окисленных никелевых руд / Ковган П.А., Рогов П.В., Муфтахов А.С., Волков В.А., Козырев В.В., Барсуков В.В.; заявл. 13.07.1994.Kovgan P.A., Rogov P.V., Muftakhov A.S., Volkov V.A., Kozyrev V.V., Barsukov V.V. Sposob pererabotki okislennykh nikelevykh rud [Method of processing oxidized nickel ores]. Patent RF no. 2064516. (In Russ.)Грань Н.И., Онищин Б.П., Майзель Е.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.)Резник И.Д., Ермаков Г.П., Шнеерсон Я.М. Никель. В 3 т. Т. 2. – М.: ООО Наука и Технология, 2001. – 468 с.Reznik I.D., Ermakov G.P., Shneerson Ya.M. Nikel’. V 3 t. T. 2 [Nickel. In 3 vols. Vol. 2]. Moscow: OOO Nauka i Tekhnologiya, 2001, 468 p. (In Russ.)Жиров Д.М. Применение плазменно-дугового жидкофазного восстановления металлов газами для переработки комплексного сырья // Современная электрометаллургия. 2011. No 3. С. 24 – 27.Zhirov D.M. Application of plasma-arc liquid-phase reduction of metals with gases for recycling of complex raw materials. Sovremennaya elektrometallurgiya. 2011, no. 3, pp. 24–27. (In Russ.).Пирометаллургическая переработка комплексных руд / Л.И. Леонтьев, Н.А. Ватолин, С.В. Шаврин, Н.С. Шумаков. – М.: Металлургия, 1997. – 432 с.Leont’ev L.I., Vatolin N.A., Shavrin S.V., Shumakov N.S. Pirome­ tallurgicheskaya pererabotka kompleksnykh rud [Pyrometallurgical processing of complex ores]. Moscow: Metallurgiya, 1997, 432 p. (In Russ.)Вусихис А.С., Дмитриев А.Н. Исследование процессов восстановления оксидов металлов из расплава газом-восстановителем в барботируемом слое // Вестник УГТУ-УПИ. 2004. No 15 (45). Ч. 1. С. 93 – 95.Vusikhis A.S., Dmitriev A.N. Investigation of processes of metal oxides reduction from the melt by reducing gas in bubbled layer. Vestnik UGTU­UPI. 2004, no. 15 (45), p. 1, pp. 93–95. (In Russ.)Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Кудинов Д.З., Селиванов Е.Н. Особенности восстановления никеля и железа из многокомпонентного силикатного расплава при барботаже. Сообщение 1. Восстановитель – смесь СО – СО2 // Изв. вуз. Черная металлургия. 2018. Т. 61. No 9. С. 731 – 736.Vusikhis A.S., Leont’ev L.I., Kudinov D.Z., Selivanov E.N. Thermodynamic modeling of nickel and iron reduction from multicomponent silicate melt in bibling process. Report 1. Reducing agent – a mixture of CO – CO2 . Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenij. Chernaya Metallurgiya. 2018, vol. 61, no. 9, pp. 731–736. (In Russ.).Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Кудинов Д.З., Селиванов Е.Н. Особенности восстановления никеля и железа из многокомпонентного силикатного расплава при барботаже. Сообщение 2. Восстановитель – смесь Н – Н О // Изв. вуз. Черная металлургия. Т. 61. No 10. С. 794 – 799.Vusikhis A.S., Leont’ev L.I., Kudinov D.Z., Selivanov E.N. Osobennosti Thermodynamic modeling of nickel and iron reduction from multicomponent silicate melt in bibling process. Report 2. Reducing agent – a mixture of Н2 – Н2О. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenij. Chernaya Metallurgiya. 2018, vol. 61, no. 10, pp. 794–799. (In Russ.).Кутепов А.Н., Бондарева Т.И., Беренгартен Т.И. Общая химическая технология. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. – 405 с.Kutepov A.N., Bondareva T.I., Berengarten T.I. Obshchaya khimicheskaya tekhnologiya [General chemical technology]. Moscow: Akademkniga, 2004, 405 p. (In Russ.)Арутюнов В.С. Окислительная конверсия природного газа. – М.: Красанд, 2011. – 590 с.Arutyunov V.S. Okislitel’naya konversiya prirodnogo gaza [Oxidative conversion of natural gas]. Moscow: Krasand, 2011, 590 p. (In Russ.).

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