blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-1-46-51blackmet-2039Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESТермодинамическое моделирование восстановления металлов из расплавов высокожелезистой окисленной никелевой рудыThermodynamic modeling of metal reduction from melts of high-iron oxidized nickel orehttps://orcid.org/0000-0002-6395-0834ВусихисА. С.VusikhisA. S.

Александр Семенович Вусихис, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории пирометаллургии цветных металлов

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Aleksandr S. Vusikhis, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Laboratory of Pyrometallurgy of Non-Ferrous Metals

101, Amundsena str., Yekaterinburg 620016

vas58@mail.ruСеливановЕ. Н.SelivanovE. N.

Евгений Николаевич Селиванов, д.т.н., заведующий лабораторией пирометаллургии цветных металлов

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Evgenii N. Selivanov, Dr. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory of Pyrometallurgy of Non-Ferrous Metals

101, Amundsena str., Yekaterinburg 620016

СергееваС. В.SergeevaS. V.

Светлана Владимировна Сергеева, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории пирометаллургии цветных металлов

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Svetlana V. Sergeeva, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Laboratory of Pyrometallurgy of Non-Ferrous Metals

101, Amundsena str., Yekaterinburg 620016

ЛеонтьевЛ. И.Leont’evL. I.

Леопольд Игоревич Леонтьев, академик РАН, советник, Президиум РАН, д.т.н., профессор, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», главный научный сотрудник, Институт металлургии УрО РАН

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101119049, Москва, Ленинский проспект, 4119991, Москва, Ленинский проспект, 32а 

Leopol'd I. Leont'ev Dr. Sci. (Eng.), Academician, Adviser of RAS, Prof., Chief Researcher, Institute of Metallurgy, National University of Science and Technology "MISIS”

101, Amundsena str., Yekaterinburg 6200164, Leninskii ave., Moscow 11904932a, Leninskii ave., Moscow 119991 

Институт металлургии УрО РАНРоссияInstitute of Metallurgy, UB RASRussian FederationИнститут металлургии УрО РАН; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»; Президиум РАНРоссияInstitute of Metallurgy, UB RAS; National University of Science and Technology "MISIS" (MISIS); Scientific Council on Metallurgy and Metal Science of Russian Academy of SciencesRussian Federation2021160220216414651Copyright © Вусихис А.С., Селиванов Е.Н., Сергеева С.В., Леонтьев Л.И., 20212021Вусихис А.С., Селиванов Е.Н., Сергеева С.В., Леонтьев Л.И.Vusikhis A.S., Selivanov E.N., Sergeeva S.V., Leont’ev L.I.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/2030

Ферроникель, получаемый в настоящее время из окисленных никелевых руд в различных агрегатах, содержит 5 – 20 % Ni. Экспериментально показана возможность получения богатого (около 70 % Ni) ферроникеля из расплава силикатной никелевой руды в ходе ее обработки газом-восстановителем. Используя методику термодинамического моделирования металлургических процессов, адаптированную к открытым системам, рассмотрены особенности восстановления высокожелезистой разновидности никелевой руды Серовского месторождения монооксидом углерода. Для расчетов принят следующий состав оксидного расплава, % (по массе): 60,4 Fe2O3; 1,4 NiO; 0,14 СоО; 5,8 Аl2O3 ; 17,0 SiO2; 4,2 MgO; 11,1 CaO. Моделирование вели при давлении 0,1 МПа, количестве монооксида углерода в единичной порции 10,6 дм3/кг и температурах 1673, 1723, 1773 К. В ходе расчетов выявлены зависимости, связывающие содержания оксидов никеля (CNiO), железа (СFe2O3 , CFe3O4 , CFeO) и кобальта (CСоО) в оксидном расплаве и металлов в сплаве (СNi, СFe, СCo), а также степени их перехода в металлическое состояние (φNi , φFe, φCo) с количеством введенного газа. Определены содержания металлов в единичной порции восстановленного металла. В интервале температур 1673 – 1773 К и количестве введенного СО, равном 190 дм3/кг, содержание Fe2O в оксидном расплаве составляет 0,17 – 0,12 % , Fe3O4 – 1,77 – 1,05 %, FeO – 55,6 – 56,5 %, NiO – 0,026 – 0,037 %, СоО3 – 0,061 – 0,068 %. При степени восстановления никеля 98 % степень восстановления железа составляет 5 %, а кобальта – 56 – 61 %. В сплаве, сформированном из восстановленных металлов, содержится около 30 % никеля, 63 – 65 % железа и 2 % кобальта. Таким образом, показана возможность при определенных условиях селективного восстановления никеля и кобальта. Полученные данные значимы для обоснования параметров технологических процессов производства ферроникеля из высокожелезистых окисленных никелевых руд.

Ferronickel, currently obtained from oxidized nickel ores in various aggregates, contains 5 – 20 % Ni. The possibility of obtaining rich (about 70 % Ni) ferronickel from a melt of silicate-nickel ore during its treatment with reducing gas has been experimentally shown. Features of reduction of high-iron variety of nickel ore from the Serovskoye deposit with carbon monoxide are considered using the methodology of metallurgical processes thermodynamic modeling, adapted to open systems. For the calculations, the following composition of the oxide melt was adopted, mass. %: 60,4 Fe2O3; 1,4 NiO; 0,14 СоО; 5,8 Аl2O3; 17,0 SiO2 ; 4,2 MgO; 11,1 CaO. The simulation was carried out at a pressure of 0.1 MPa, at amount of carbon monoxide in one portion – 10.6 dm3/kg and at temperature of 1673, 1723, 1773 K. During the calculations, dependencies were found that bind the content of nickel (CNi ), iron (СFe2O3, CFe3O4, CFeO) and cobalt (ССoО) oxides in the oxide melt and metals in the alloy (СNi, СFe, СCo) as well as the degree of their transition to the metallic state (φNi, φFe, φCo) with the amount of introduced gas. Contents of the components in a single portion of the reduced metal were determined. In the temperature range of 1673 – 1773 K and the introduced amount of CO equal to 190 dm3/kg, the content of Fe2O3 in the oxide melt is 0,17 – 0,12 %; Fe3O4 – 1,77 – 1,05 %; FeO – 55,6 – 56,5 %; NiO – 0,026 – 0,037 % and CoO – 0,061 – 0,068 %. With a degree of nickel reduction of 98 %, degree of iron reduction is 5 %, and degree of cobalt reduction is 56 – 61 %. An alloy formed from reduced metals contains about 30 % Ni, 63 – 65 % Fe and 2 % Co. Thus, the possibility of selective reduction of nickel and cobalt under certain conditions is shown. The data obtained are significant for substantiating the parameters of technological processes for the production of ferronickel from high-iron oxidized nickel ores.

термодинамикавосстановлениеникельжелезосодержаниерасплавникелевая рудаthermodynamicsreductionnickelironcontentmeltnickel oreРабота выполнена по государственному заданию ИМЕТ УрО РАН в рамках Программы фундаментальных исследований государственных академий.The work was performed under the State Assignment of Institute of Metallurgy, UB RAS within the framework of the Program of Fundamental Research of State Academies.ReferencesПирометаллургическая 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. Pyrometallurgical Processing of Complex Ores. Moscow: Metallurgiya, 1997, 432 p. (In Russ.).Yucel O., Turan A., Yildirim H. Investigation of pyrometallurgical nickel pig iron (NPI) production process from lateritic ores // 3 rd Int. Symposium on High Temperature Processing, TMS (The Minerals, Metals & Material Society). 2012. P. 17–23.Yucel O., Turan A., Yildirim H. Investigation of pyrometallurgical nickel pig iron (NPI) production process from lateritic ores. In: 3rd Int. Symposium on High Temperature Processing, TMS (The Minerals, Metals & Material Society). 2012, pp. 17–23.Yildirim H., Morcali M.H., Turan A., Yucel O. Nickel pig iron production from lateritic nickel ores // 13 th Int. Ferroalloys Congress, June 2013, Almaty, Kazakhstan. P. 237–244.Yildirim H., Morcali M.H., Turan A., Yucel O. Nickel pig iron production from lateritic nickel ores. In: 13 th Int. Ferroalloys Congress, Almaty, Kazakhstan, June 2013, pp 237–244.Kruger P., Silva C.A., Vieira C.B., Araujo F.G.S., Seshadri V. Relevant aspects related to production of iron nickel alloys (pig iron containing nickel) in mini blast furnaces // 12 th Int. Ferroalloys Congress, Sustainable Future, June 6–9, 2010, Helsinki, Finland. P. 671–681.Kruger P., Silva C.A., Vieira C.B., Araujo F.G.S., Seshadri V. Relevant aspects related to production of iron nickel alloys (pig iron containing nickel) in mini blast furnaces. In: 12 th Int. Ferroalloys Congress, Sustainable Future, Helsinki, Finland, June 6 – 9, 2010, pp. 671–681.Turan A., Yucel O., Yildirim H. Nickel pig iron (NPI) production from domestic lateritic nickel ores using induction furnace // Int. Iron & Steel Symposium, Karabuk, Turkey, April 2012. Р. 337–344.Turan A., Yucel O., Yildirim H. Nickel pig iron (NPI) production from domestic lateritic nickel ores using induction furnace. In: Int. Iron & Steel Symposium, Karabuk, Turkey, April 2012, pp 337–344.Резник И.Д., Ермаков Г.П., Шнеерсон Я.М. Никель. Т. 2. М.: Наука и техника, 2001. 468 с.Reznik I.D., Ermakov G.P., Shneerson Ya.M. Nickel. Vol. 2. Moscow: Nauka i tekhnika, 2001, 468 p. (In Russ.).Kotze I.J. Pilot plant production of ferronickel from nickel oxide ores and dusts in a DC arc furnace // Minerals Engineering. 2002. Vol. 15. No. 11. Р. 1017–1022. https://doi.org/10.1016/S0892-6875(02)00127-9Kotze I.J. Pilot plant production of ferronickel from nickel oxide ores and dusts in a DC arc furnace. Minerals Engineering. 2002, vol. 15, no. 11, pp. 1017–1022. https://doi.org/10.1016/S0892-6875(02)00127-9Тарасов А.В., Парецкий В.М. Современный взгляд на роль электроплавки в производстве тяжелых цветных металлов // Электрометаллургия. 2003. № 5. С. 12–23.Tarasov A.V., Paretskii V.M. Modern role of electric melting in production of heavy non-ferrous metals. Elektrometallurgiya. 2003, no. 5, pp. 12–23. (In Russ.).Reynolds Q.G., Jones R.T. Semi-empirical modelling of the electrical behavior of DC-arc smelting furnaces // Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy. 2004. No. 6. Р. 1–7.Reynolds Q.G., Jones R.T. Semi-empirical modelling of the electrical behavior of DC-arc smelting furnaces. Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy. 2004, no. 6, pp. 1–7.Keskinkilic E. Nickel laterite smelting processes and some examples of recent possible modifications to the conventional route // Metals. 2019. Vol. 9. No. 9. P. 974–990. https://doi.org/10.3390/met9090974Keskinkilic E. Nickel laterite smelting processes and some examples of recent possible modifications to the conventional route. Metals. 2019, vol. 9, no. 9, pp. 974–990. https://doi.org/10.3390/met9090974Ковган П.А., Абуов М.Г., Едильбаев А.И. Перспективные технологии переработки бедных окисленных никелевых руд // Цветные металлы. 2008. № 2. С. 43–45.Kovgan P.A., Abuov M.G., Edil’baev A.I. Promising technologies for processing 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 раз¬личных вариантов технологической схемы переработки окисленных никелевых руд на ферроникель с применением двухзонной печи Ванюкова // Цветные металлы. 2010. № 10. С. 15–21.Tsymbulov L.B., Knyazev M.V., Tsemekhman L.Sh., Kudabaev E.A., Golovlyov Yu.I. Analysis of various variants of processing of oxidized nickel ores into ferronickel using a two-zone Vanyukov 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. № 8–9. С. 155–158.Bystrov V.P., Fedorov A.N., Shchelkunov V.V., Bystrov S.V. Using the Vanyukov process for processing oxidized nickel ores. Tsvetnye metally. 2011, no. 8-9, pp. 155–158. (In Russ.).Bakker M.L., Nikolic S., Mackey P.J. ISASMELT™ TSL applications for nickel // Minerals Engineering. 2011. Vol. 24. No. 7. P. 610–619. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2010.09.016Bakker M.L., Nikolic S., Mackey P.J. ISASMELT™ TSL applications for nickel. Minerals Engineering. 2011, vol. 24, no. 7, pp. 610–619. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2010.09.016Крашенинников 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.).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. Thermodynamic Modeling in High Temperature Inorganic Systems. Moscow: Metallurgiya, 1994, 352 p. (In Russ.).Белов Г.В., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование химически реагирующих систем. М.: МГТУ, 2013. 96 с.Belov G.V., Trusov B.G. Thermodynamic Modeling of Chemically Reacting Systems. Moscow: MGTU, 2013, 96 p. (In Russ.).Pickles C.A., Harris C.T., Peacey J., Forster J. Thermodynamic analysis of the Fe–Ni–Co–Mg–Si–O–H–S–C–Cl system for selective sulphidation of a nickeliferous limonitic laterite ore // Mineral Engineering. 2013. Vol. 54. Р. 52–62. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2013.03.029Pickles C.A., Harris C.T., Peacey J., Forster J. Thermodynamic analysis of the Fe–Ni–Co–Mg–Si–O–H–S–C–Cl system for selective sulphidation of a nickeliferous limonitic laterite ore. Mineral Engineering. 2013, vol. 54, pp. 52–62. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2013.03.029Sohn H.Y. Process modeling in non-ferrous metallurgy // Treatise on Process Metallurgy: Industrial Processes. Oxford: Elsevier Ltd., 2014. Chapter 2.4. P. 701–838.Sohn H.Y. Process modeling in non-ferrous metallurgy. In: Treatise on Process Metallurgy: Industrial Processes. Oxford: Elsevier Ltd., 2014, Chapter 2.4, pp. 701–838.Elliott R., Pickles C.A., Forster J. Thermodynamics of the reduction roasting of nickeliferous laterite ores // Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering. 2016. No. 4. P. 320–346. https://doi.org/10.4236/jmmce.2016.46028Elliott R., Pickles C.A., Forster J. Thermodynamics of the reduction roasting of nickeliferous laterite ores. Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering. 2016, no. 4, pp. 320–346. https://doi.org/10.4236/jmmce.2016.46028Vusikhis A.S., Dmitriev A.N., Kudinov D.Z., Leontiev L.I. The study of liquid and gas phases interaction during the reduction of metal oxides from the melts by gas reductant in bubbled layer // 3rd Int. Conf. on Mathematical Modeling and Computer Simulation of Materials Technologies (MMT-2004), Ariel, Israel. 2004. Р. 1_72–77.Vusikhis A.S., Dmitriev A.N., Kudinov D.Z., Leontiev L.I. The study of liquid and gas phases interaction during the reduction of metal oxides from the melts by gas reductant in bubbled layer. 3 rd Int. Conf. on Mathematical Modeling and Computer Simulation of Materials Technologies (MMT-2004), Ariel, Israel. 2004, pp. 1_72–77.Dmitriev A., Leontiev L., Vusikhis A., Kudinov D. Liquid and gas interactio during reduction in bubbled layer // European Metallurgical Conf. EMC’2005, Dresden, Germany, September 18–21, 2005. Vol. 3. P. 1349–1358.Dmitriev A., Leontiev L, Vusikhis A., Kudinov D. Liquid and gas interactio during reduction in bubbled layer. European Metallurgical Conf. EMC’2005, Dresden, Germany, September 18 – 21, 2005. Vol. 3, pp. 1349–1358.Slag Atlas. 2nd ed. Düsseldorf: Verlag Stahleisen GmdH, 1995. 616 p.Slag Atlas. 2 nd ed. Düsseldorf: Verlag Stahleisen GmdH, 1995, 616 p.Raynor G.V., Rivlin V.G. Co–Fe–Ni in Phase Equilibria in Iron Ternary Alloys. London: Inst. Metals, 1988. P. 247–255.Raynor G.V., Rivlin V.G. Co–Fe–Ni in Phase Equilibria in Iron Ternary Alloys. London: Inst. Metals, 1988, pp. 247–255.

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