blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-7-560-567blackmet-1947Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESСелективное восстановление железа и фосфора из оолитовой рудыSelective reduction of iron and phosphorus from oolitic oreСалиховС. П.SalikhovS. P.

к.т.н., доцент кафедры пирометаллургических процессов

454080, Россия, Челябинск, пр. Ленина, 76

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Pyrometallurgical Processes"

Chelyabinsk

salikhovsp@susu.ruСулейменБ.SuleimenB.

аспирант кафедры пирометаллургических процессов

454080, Россия, Челябинск, пр. Ленина, 76

Postgraduate of the Chair “Pyrometallurgical Processes"

Chelyabinsk

bakytsuleimen@mail.ruРощинВ. Е.RoshchinV. E.

д.т.н., профессор кафедры пирометаллургических процессов

454080, Россия, Челябинск, пр. Ленина, 76

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Pyrometallurgical Processes"

Chelyabinsk

oshchinve@susu.ruЮжно-Уральский государственный университетРоссияSouth Ural State UniversityRussian Federation202005102020637560567Copyright © Салихов С.П., Сулеймен Б., Рощин В.Е., 20202020Салихов С.П., Сулеймен Б., Рощин В.Е.Salikhov S.P., Suleimen B., Roshchin V.E.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/1947

Экспериментально подтверждена возможность селективного твердофазного восстановления железа из оолитовой руды. Твердофазное восстановление проводили при температурах 850 и 1000 °С в атмосфере оксида углерода СО и в смеси с твердым углеродом. Распределение железа и фосфора исследовано с помощью электронного сканирующего микроскопа. Установлено, что при температуре 1000 °С минимальное количество фосфора (до 0,3 %) переходит в металлическую фазу при восстановлении оксидом углерода СО. При восстановлении в смеси руды с углеродом содержание фосфора в металлической фазе достигает 1,0 – 1,3 % даже при 850 °С. Проведено термодинамическое моделирование процессов при восстановительном обжиге оолитовой руды в зависимости от температуры (1000 – 1400 К) и количества углерода в системе. Показано, что температура восстановления и степень восстановления фосфора меняются в зависимости от соотношения CO и CO2 в газовой фазе. При температуре меньше 892 °С фосфор не восстанавливается, а все железо находится в металлической фазе. С увеличением количества углерода в системе в металлической фазе появляется фосфор. При избытке углерода в системе весь фосфор находится в металлической фазе уже при 892 °С. Таким образом, при определенном количестве углерода в системе и, соответственно, при определенном соотношении CO и CO2 в составе газовой фазы возможно селективное восстановление железа без восстановления фосфора даже при температуре 1100 °С. Сравнение экспериментальных результатов с результатами термодинамического расчета подтверждает возможность селективного восстановления железа без восстановления фосфора только оксидом углерода СО.

Possibility of selective solid-phase reduction of iron from oolitic ore has been experimentally confirmed. Solid phase reduction was carried out at temperatures of 850 and 1000 °C in CO atmosphere and in the mixture with solid carbon. Distribution of iron and phosphorus was investigated with scanning electron microscope. It was found that at temperature of 1000 °C minimum amount of phosphorus (up to 0.3 %) is transformed into the metallic phase at reduction by carbon monoxide. Upon reduction in mixture of ore with carbon, phosphorus content in metal phase reaches 1.0 – 1.3 % evenat temperature of 850 °C. Thermodynamic modeling of the processes occurring during reductive roasting of oolitic ore was carried out depending on temperature (1000 – 1400 K) and amount of carbon in the system. It is shown that reduction temperature and degree of phosphorus reduction vary depending on ratio of CO and CO2 in the gas phase. At temperatures below 892 °C, phosphorus is not reduced and all iron is in metal phase. With an increase in amount of carbon in the system, phosphorus appears in metal phase. With an excess of carbon in the system, all phosphorus is in metal phase at temperature of 892 °С. Thus, with a certain amount of carbon in the system and, correspondingly, with a certain ratio of CO and CO2 in gas phase, selective reduction of iron is possible without phosphorus reduction even at temperature of 1100 °С. Comparison of experimental results with results of thermodynamic calculation confirms possibility of se selective reduction of iron without phosphorus reduction only by carbon monoxide.

оолитовая рудаселективное восстановлениеметаллизациявосстановление фосфорастепень восстановлениятемпература восстановлениятермодинамическое моделированиеoolitic oreselective reductionmetallizationphosphorus reductionreduction degreereduction temperaturethermodynamic modelingReferencesМеталлургия чугуна / Е.Ф. Вегман, Б.Н. Жеребин, А.Н. Похвиснев и др.; под ред Ю.С. Юсфина. – М.: Металлургия, 1978. – 480 с.Vegman E.F., Zherebin B.N., Pokhvisnev A.N., Yusfin Yu.S., Kurunov I.F., Paren’kov A.E., Chernousov P.I. Metallurgiya chuguna [Cast iron metallurgy]. Yusfin Yu.S. ed. Moscow: Metallurgiya, 1978, 480 p. (In. Russ.).Мирко В.А., Кабанов Ю., Найденов В. Современное состояние развития месторождений бурых железняков Казахстана // Промышленность Казахстана. 2002. № 1. С. 79 – 82.Mirko V.A., Kabanov Yu., Naidenov V. Current state of deposits of brown iron ore in Kazakhstan. Promyshlennost’ Kazakhstana. 2002, no. 1, pp. 79–82. (In Russ.).Смирнов Л.А., Бабенко А.А. Вовлечение в производство Лисаковского концентрата – одно из направлений расширения железорудной базы Урала и Сибири. – В кн.: Матер. Междунар. конгр. «300 лет Уральской металлургии». – Екатеринбург: изд. Уральского университета, 2001. С. 48 – 49.Smirnov L.A., Babenko A.A. Introduction of Lisakovsky concentrate in production as one of the directions for expanding iron ore base of the Urals and Siberia. In: Mater. Mezhdunar. kongr. “300 let Ural’skoi metallurgii” [Materials of Int. Congress “300 Years of the Ural Metallurgy”]. Ekaterinburg: izd. Ural’skogo universiteta, 2001, pp. 48–49. (In Russ.).Cao Y.Y., Zhang Y.R., Sun T.C. Dephosphorization behavior of high-phosphorus oolitic hematite-solid waste containing carbon briquettes during the process of direct reduction-magnetic separation // Metals. 2018. Vol. 11. No. 8. Article 897.Cao Y.Y., Zhang Y.R., Sun T.C. Dephosphorization behavior of high-phosphorus oolitic hematite-solid waste containing carbon briquettes during the process of direct reduction-magnetic separation. Metals. 2018, vol. 11, no. 8, article 897.Тигунов Л.П., Ануфриева С.И., Броницкая Е.С., Кривоконева Г.К., Соколова В.Н., Аликберов В.М., Сладкова Г.А., Файнштейн Г.Г., Паровинчак М.С. Современные технологические решения переработки железосодержащих руд Бакчарского месторождения // Разведка и охрана недр. 2010. № 2. С. 37 – 43.Tigunov L.P., Anufrieva S.I., Bronitskaya E.S., Krivokoneva G.K., Sokolova V.N., Alikberov V.M., Sladkova G.A., Fainshtein G.G., Parovinchak M.S. Modern technological solutions for processing of iron ores of the Bakcharsky deposit. Razvedka i okhrana nedr. 2010, no. 2, pp. 37–43. (In Russ.).Li K., Ni W., Zhu M., Zheng M., Li Y. Iron extraction from oolitic iron ore by a deep reduction process // Journal of Iron and Steel Research Int. 2011. Vol. 18. No. 8. P. 9 − 13.Li K., Ni W., Zhu M., Zheng M., Li Y. Iron extraction from oolitic iron ore by a deep reduction process. Journal of Iron and Steel Research Int. 2011, vol. 18, no. 8, pp. 9−13.Yu Y.F., Qi C.Y. Magnetizing roasting mechanism and effective ore dressing process for oolitic hematite ore // Journal of Wuhan University of Technology: Material Science. 2011. Vol. 26. No. 2. P. 177 − 182.Yu Y.F., Qi C.Y. Magnetizing roasting mechanism and effective ore dressing process for oolitic hematite ore. Journal of Wuhan University of Technology: Material Science. 2011, vol. 26, no. 2, pp. 177−182.Sun Y.S., Han Y.X., Gao P., Wang Z.H., Ren D.Z. Recovery of iron from high phosphorus oolitic iron ore using coal-based reduction followed by magnetic separation // Int. Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 2013. Vol. 20. No. 5. P. 411 – 419.Sun Y.S., Han Y.X., Gao P., Wang Z.H., Ren D.Z. Recovery of iron from high phosphorus oolitic iron ore using coal-based reduction followed by magnetic separation. Int. Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 2013, vol. 20, no. 5, pp. 411–419.Xu C.Y., Sun T.C., Kou J., Li Y.L., Mo X.L., Tang L.G. Mechanism of phosphorus removal in beneficiation of high phosphorous oolitic hematite by direct reduction roasting with dephosphorization agent // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012. Vol. 22. No. 11. P. 2806 – 2812.Xu C.Y., Sun T.C., Kou J., Li Y.L., Mo X.L., Tang L.G. Mechanism of phosphorus removal in beneficiation of high phosphorous oolitic hematite by direct reduction roasting with dephosphorization agent. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012, vol. 22, no. 11, pp. 2806–2812.Li G.H., Zhang S.H., Rao M.J., Zhang Y.B., Jiang T. Effects of sodium salts on reduction roasting and Fe–P separation of highphosphorus oolitic hematite ore // Int. Journal of Mineral Processing. 2013. Vol. 124. P. 26 – 34.Li G.H., Zhang S.H., Rao M.J., Zhang Y.B., Jiang T. Effects of sodium salts on reduction roasting and Fe–P separation of highphosphorus oolitic hematite ore. Int. Journal of Mineral Processing. 2013, vol. 124, pp. 26–34.Карелин В.Г., Зайнуллин Л.А., Епишин А.Ю., Артов Д.А. Особенности пиро-, гидрометаллургической технологии обесфосфоривания бурого железняка Лисаковского месторождения // Сталь. 2015. № 3. С. 8 – 11.Karelin V.G., Zainullin L.A., Epishin A.Yu., Artov D.A. Features of pyro-, hydrometallurgical technology of dephosphorization of brown iron ore of the Lisakovskoye deposit. Stal’. 2015, no. 3, pp. 8–11. (In Russ.).Wang H.H., Li G.Q., Zhao D., Ma J.H., Yang J. Dephosphorization of high phosphorus oolitic hematite by acid leaching and the leaching kinetics // Hydrometallurgy. 2017. Vol. 171. P. 61 – 68.Wang H.H., Li G.Q., Zhao D., Ma J.H., Yang J. Dephosphorization of high phosphorus oolitic hematite by acid leaching and the leaching kinetics. Hydrometallurgy. 2017, vol. 171, pp. 61–68.Jin Y., Jiang T., Yang Y., Li Q., Li G., Guo Y. Removal of phosphorus from iron ores by chemical leaching // Journal of Central South University of Technology. 2006. Vol. 13. No. 6. P. 673 – 677.Jin Y., Jiang T., Yang Y., Li Q., Li G., Guo Y. Removal of phosphorus from iron ores by chemical leaching. Journal of Central South University of Technology. 2006, vol. 13, no. 6, pp. 673–677.Wang J., Shen S., Kang J., Li H., Guo Z. Effect of ore solid concentration on the bioleaching of phosphorus from high-phosphorus iron ores using indigenous sulfur-oxidizing bacteria from municipal wastewater // Process Biochemistry. 2010. Vol. 45. No. 10. P. 1624 – 1631.Wang J., Shen S., Kang J., Li H., Guo Z. Effect of ore solid concentration on the bioleaching of phosphorus from high-phosphorus iron ores using indigenous sulfur-oxidizing bacteria from municipal wastewater. Process Biochemistry. 2010, vol. 45, no. 10, pp. 1624–1631.Tang H., Guo Z., Zhao Z. Phosphorus removal of high phosphorus iron ore by gas-based reduction and melt separation // Journal of Iron and Steel Research, Int. 2010. Vol. 17. No. 9. P. 1 – 6.Tang H., Guo Z., Zhao Z. Phosphorus removal of high phosphorus iron ore by gas-based reduction and melt separation. Journal of Iron and Steel Research Int. 2010, vol. 17, no. 9, pp. 1–6.Yu W., Tang Q., Chen J., Sun T. Thermodynamic analysis of the carbothermic reduction of a high-phosphorus oolitic iron ore by FactSage // Int. Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 2016. Vol. 23. No. 10. P. 1126 – 1132.Yu W., Tang Q., Chen J., Sun T. Thermodynamic analysis of the carbothermic reduction of a high-phosphorus oolitic iron ore by FactSage. Int. Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 2016, vol. 23, no. 10, pp. 1126–1132.Ватолин Н.А., Моисеев Г.К., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах. – М.: Металлургия, 1994. – 352 с.Vatolin N.A., Moiseev G.K., Trusov B.G. Termodinamicheskoe modelirovanie v vysokotemperaturnykh neorganicheskikh sistemakh [Thermodynamic modeling in high-temperature inorganic systems]. Moscow: Metallurgiya, 1994, 352 p. (In Russ.).Гамов П.А., Мальков Н.В., Рощин В.Е. Термодинамическое моделирование процесса восстановления металлов из титаномагнетитовых концентратов Суроямского месторождения // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2018. Т. 18. № 2. С. 21 – 28.Gamov P.A., Mal’kov N.V., Roshchin V.E. Thermodynamic modeling of metal reduction from titanium-magnetite concentrates of the Suroyamskoye field. Vestnik Yuzhno-Ural’skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Metallurgiya. 2018, vol. 18, no. 2, pp. 21–28. (In Russ.).Okamoto H. The Fe-P (iron-phosphorus) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1990. Vol. 11. No. 4. P. 404 – 412.Okamoto H. The Fe–P (iron-phosphorus) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1990, vol. 11, no. 4, pp. 404–412.Кубашевский О., Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия / Пер с англ. – М: Металлургия, 1982. – 392 с.Kubaschewski O., Alcock C.B. Metallurgical Thermochemistry. Oxford, New York: Pergamon Press, 1967. (Russ. ed.: Kubaschewski O., Alcock C.B. Metallurgicheskaya termokhimiya. Moscow: Metallurgiya, 1982, 392 p.).

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