blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-3-205-210blackmet-2073Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESТермодинамическое моделирование восстановления железа и никеля из оксидных расплавовThermodynamic simulation of iron and nickel reduction from oxide meltshttps://orcid.org/0000-0002-6395-0834ВусихисА. С.VusikhisA. S.

Александр Семенович Вусихис, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории пирометаллургии цветных металлов620016, 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.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4343-914XЛеонтьевЛ. И.Leont’evL. I.

Леопольд Игоревич Леонтьев, академик, советник; д.т.н., профессор; главный научный сотрудник

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

119049, Москва, Ленинский пр., 4

119991, Москва, Ленинский пр., 32а

Leopol’d I. Leont’ev, Academician, Adviser;  Dr. Sci. (Eng.), Prof.; Chief Researcher

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016

4 Leninskii Ave., Moscow 119049

32a Leninskii Ave., Moscow 119991

СеливановЕ. 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 Pyrometallurgyof Non-Ferrous Metals

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016

СергееваС. В.SergeevaS. V.

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

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

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

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016

https://orcid.org/0000-0002-0864-0462ТюшняковС. Н.TyushnyakovS. N.

Станислав Николаевич Тюшняков, к.т.н., старший научныйсотрудник лаборатории пирометаллургии цветных металлов

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Stanislav N. Tyushnyakov, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of theLaboratory of Pyrometallurgy of Non-Ferrous Metals

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016

Институт металлургии УрО РАНРоссияInstitute of Metallurgy, UB RASRussian FederationПрезидиум РАН; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»; Институт металлургии УрО РАНРоссияRussian Academy of Sciences; National University of Science and Technology “MISIS”; Institute of Metallurgy, UB RASRussian FederationИнститут металлургии УрО РАНРоссияInstitute of Metallurgy, UB RASRussian Federation202108042021643205210Copyright © Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Селиванов Е.Н., Сергеева С.В., Тюшняков С.Н., 20212021Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Селиванов Е.Н., Сергеева С.В., Тюшняков С.Н.Vusikhis A.S., Leont’ev L.I., Selivanov E.N., Sergeeva S.V., Tyushnyakov S.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/2073

Значимость исследований по восстановлению металлов из оксидных расплавов связана, в первую очередь, с пирометаллургической переработкой руд черных и цветных металлов. Так основной задачей в ходе переработки окисленных никелевых руд является повышение извлечения ценных металлов при требуемом (10 – 20 %) содержании никеля в ферроникеле и минимальном количестве примесей. С помощью методов термодинамического моделирования дана оценка показателям, достигаемым при восстановлении железа и никеля из оксидного расплава. Проведено две серии расчетов. В первой серии состав рабочего тела меняли по количеству оксидов железа и никеля при соотношении СFeО /СNiО, равном 10. Во второй серии при содержании СNiО , равном 1,8 %, варьировали СFeО для соотношений СFeО / СNiО от 10 до 20. Дозированное повышение количества СО в рабочем теле позволило проследить изменение составов оксидного (СМеО ) и металлического (СМе ) расплавов, а также степеней перехода никеля (φNi ) и железа (φFe ) в металлическое состояние. Корреляционные зависимости СNiO , φNi = f (C0 , VCO ) представлены в виде полиномов второй степени. Показатели φNi и φFe меняются с количеством введенного восстановителя, но мало зависят от состава исходной конденсированной фазы. На состав формируемого сплава Fe – Ni влияют содержания элементов в исходном расплаве и количество введенного восстановителя. Для сплавов характерно высокое (65 – 90 %) содержание никеля. Значение φNi около 98 % достигнуто при количестве введенного СО около 80 м3 на 1 т расплава. При этом степень восстановления железа не превышает 5 %. При соотношении СFeО / СNiО , равном 10, содержание никеля в сплаве практически не зависит от содержания его оксида в исходном рудном расплаве и близко к 65 %. Увеличение СFeО / СNiО с 10 до 20 приводит к изменению СNi соответственно от 68,5 до 52,9 %. Полученные данные значимы для обоснования технологии переработки низкокачественных окисленных никелевых руд с выделением ферроникеля требуемого состава.

The significance of research on recovery of metals from oxide melts is primarily associated with pyrometallurgical processing of ferrous and non- ferrous metals. The main task during the processing of oxidized nickel ores is to increase the extraction of valuable metals with the required (10 – 20 %) nickel content in ferronickel and a minimum amount of impurities. The indicators achieved during the reduction of iron and nickel from oxide melt were evaluated by the thermodynamic simulation methods. Two series of calculations were carried out. In the first series, the working medium composition was changed by the amount of iron and nickel oxides at a СFeО / СNiО ratio equal to 10. In the second series, at a СNiО content equal to 1.8 %, СFeО value for СFeО / СNiО ratios was varied from 10 to 20. A dosed increase of CO amount in the working medium made it possible to trace the changes in compositions of oxide (СМеО ) and metal (СМе ) melts, as well as the transition degrees of nickel (φNi) and iron (φFe) to the metal state. The СNiO , φNi = f (C0 , VCO ) correlation dependences are presented in form of the second-degree polynomials. The φNi and φFe indicators are changed with amount of introduced reducing agent, but it depends little on the initial condensed phase composition. The composition of the formed Fe – Ni alloy is affected by the content of elements in the initial melt and amount of the introduced reducing agent. Alloys are characterized by the high (65 – 90 %) nickel content. The φNi value of about 98 % was achieved with the amount of introduced CO of about 80 m3 per ton of melt. In this case, the degree of iron reduction was no more than 5 %. When the СFeО / СNiО ratio is 10, the nickel content in the alloy is practically independent of the content of its oxide in the initial ore melt and is close to 65 %. An increase in the СFeО / СNiО ratio from 10 to 20 leads to the change in СNi from 68.5 to 52.9 %, respectively. The data obtained are significant for substantiation of the technology for processing low-quality oxidized nickel ores with the release of the required ferronickel composition.

термодинамикавосстановлениеникельжелезосодержаниерасплавникелевая рудаthermodynamicsreductionnickelironcontentmeltnickel oreРабота выполнена по государственному заданию ИМЕТ УрО РАН.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.).Бугельский Ю.Ю., Витовская И.В., Никитина А.П. Экзогенные рудообразующие системы коры выветривания. М.: Наука, 1990. 244 c.Bugel’skii Yu.Yu., Vitovskaya I.V., Nikitina A.P. Exogenous OreForming Systems of Weathering Crust. Moscow: Nauka, 1990, 244 p. (In Russ.).Булах А.Г., Кривовичев В.Г., Золотарев А.А. Общая минералогия. М.: Академия, 2008. 416 с.Bulakh A.G. Krivovichev V.G., Zolotarev A.A. General Mineralogy. Moscow: Akademiya, 2008, 416 p. (In Russ.).Селиванов Е.Н., Сергеева С.В., Удоева Л.Ю., Панкратов А.А. Распределение никеля по фазовым составляющим окисленной никелевой руды Серовского месторождения // Обогащение руд. 2011. № 5. С. 46–50.Selivanov E.N., Sergeeva S.V., Udoeva L.Yu., Pankratov A.A. Distribution of nickel by phase components of oxidized nickel ore of the Serovskoye deposit. Obogashchenie rud. 2011, no. 5, pp. 46–50. (In Russ.).Сорокин Е.М., Астахова Ю.М., Быстров И.Г., Иванова М.В. и др. Минералого-технологические особенности железных руд Серовского месторождения // Вестник Института геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН. 2015. № 1. С. 18–23.Sorokin E.M., Astakhova Yu.M., Bystrov I.G., Ivanova M.V., etc. Mineralogical and technological features of iron ores of the Serovskoye deposit. Vestnik Instituta geologii Komi nauchnogo tsentra Ural’skogo otdeleniya RAN. 2015, no. 1, pp. 18–23. (In Russ.).Пахомов Р.А., Старых Р.В. Предварительное восстановление окисленных никелевых руд // Металлы. 2014. № 6. С. 3–11.Pakhomov R.A., Starykh R.V. Preliminary reduction of oxidized nickel ores. Russian Metallurgy (Metally). 2014, vol. 2014, no. 11, pp. 853–860.Selivanov E.N., Sergeeva S.V. Prospects for the ferronickel production development from the Urals oxidized nickel ores // KnE Materials Science. 2019. Vol. 5. No. 1. Р. 77–91. http://doi.org/10.18502/kms.v5i1.3954Selivanov E.N., Sergeeva S.V. Prospects for the ferronickel production development from the Urals oxidized nickel ores. KnE Materials Science. 2019, vol. 5, no. 1, pp. 77–91. http://doi.org/10.18502/kms.v5i1.3954Chen J., Hayes P.C. Mechanisms and kinetics of reduction of solid NiO in CO/CO<sub>2</sub> and CO/Ar gas mixtures // Metallurgical and Materials Transactions B. 2019. Vol. 50B. P. 2623–2635. http://doi.org/10.1007/s11663-019-01662-5Chen J., Hayes P.C. Mechanisms and kinetics of reduction of solid NiO in CO/CO<sub>2</sub> and CO/Ar gas mixtures. Metallurgical and Materials Transactions B. 2019, vol. 50, no. 6, pp. 2623–2635. http://doi.org/10.1007/s11663-019-01662-5Antola O., Holappa L., Paschen P. Nickel ore reduction by hydrogen and carbon monoxide containing gases // Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. 1995. Vol. 15. No. 1–4. P. 169–179. http://doi.org/10.1080/08827509508914195Antola O., Holappa L., Paschen P. Nickel ore reduction by hydrogen and carbon monoxide containing gases. Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. 1995, vol. 15, no. 1-4, pp. 169–179. http://doi.org/10.1080/08827509508914195Liu M., Liu X., Guo E., Chen P., Yuan Q. Novel process of ferronickel nugget production from nickel laterite by semi-molten state reduction // ISIJ International. 2014. Vol. 54. No. 8. P. 1749–1754. http://doi.org/10.2355/isijinternational.54.1749Liu M., Liu X., Guo E., Chen P., Yuan Q. Novel process of ferronickel nugget production from nickel laterite by semi-molten state reduction. ISIJ International. 2014, vol. 54, no. 8, pp. 1749–1754. http://doi.org/10.2355/isijinternational.54.1749Wang X., Sun T., Chen C., Hu T. Current studies of treating processes for nickel laterite ores // 2<sup>nd</sup> International Conference on Mechatronics Engineering and Information Technology (ICMEIT 2017). P. 139–152.Wang X., Sun T., Chen C., Hu T. Current studies of treating processes for nickel laterite ores. In: 2<sup>nd</sup> International Conference on Mechatronics Engineering and Information Technology (ICMEIT 2017), pp. 139–152.Elliott R., Pickles C.A., Forster J. Thermodynamic of the reduction roasting of nickeliferous laterite ore // Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering. 2016. Vol. 4. P. 320–346. http://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, vol. 4, pp. 320–346. http://doi.org/10.4236/jmmce.2016.46028Pickles C.A., Forster J., Elliott R. Thermodynamic analysis of the carbothermic reduction roasting of a nickeliferous limonitic laterite ore // Minerals Engineering. 2014. Vol. 65. P. 33–40. http://doi.org/10.1016/j.mineng.2014.05.006Pickles C.A., Forster J., Elliott R. Thermodynamic analysis of the carbothermic reduction roasting of a nickeliferous limonitic laterite ore. Minerals Engineering. 2014, vol. 65, pp. 33–40. http://doi.org/10.1016/j.mineng.2014.05.006Rhamdhani M., Hayes P., Jak E. Nickel laterite. Part 2 – Thermodynamic analysis of phase transformations occurring during reduction roasting // Transactions of the Institutions of Mining and Metallurgy, Section C: Mineral Processing and Extractive Metallurgy. 2009. Vol. 118. P. 146–155. http://doi.org/10.1179/174328509X431409Rhamdhani M.A., Hayes, P.C., Jak E. Nickel laterite. Part 2 – Thermodynamic analysis of phase transformations occurring during reduction roasting. Transactions of the Institutions of Mining and Metallurgy, Section C: Mineral Processing and Extractive Metallurgy. 2009, vol. 118, pp. 146–155. http://doi.org/10.1179/174328509X431409Luoma R. A thermodynamic analysis of the system Fe–Ni–O // CALPHAD. 1995. Vol. 19. No. 3. P. 279–295. http://doi.org/10.1016/0364-5916(95)00026-BLuoma R. A thermodynamic analysis of the system Fe – Ni – O. CALPHAD. 1995, vol. 19, no. 3, pp. 279–295. http://doi.org/10.1016/0364-5916(95)00026-BChen S., Guo S., Jiang L., Xu Y., Ding W. Thermodynamic of selective reduction of laterite ore by reducing gases // Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition). 2015. Vol. 25. No. 9. P. 3133−3138. http://doi.org/10.1016/S1003-6326(15)63943-7Chen S., Guo S., Jiang L., Xu Y., Ding W. Thermodynamic of selective reduction of laterite ore by reducing gases. Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition). 2015, vol. 25, no. 9, pp. 3133−3138. http://doi.org/10.1016/S1003-6326(15)63943-7Prostakova V., Chen J., Jak E., Decterov S.A. Experimental study and thermodynamic modeling of the MgO–NiO–SiO2 system // Journal of Chemical Thermodynamics. 2013. Vol. 62. P. 43–55. http://doi.org/10.1016/j.jct.2013.02.019Prostakova V., Chen J., Jak E., Decterov S.A. Experimental study and thermodynamic modeling of the MgO–NiO–SiO<sub>2</sub> system. Journal of Chemical Thermodynamics. 2013, vol. 62, pp. 43–55. http://doi.org/10.1016/j.jct.2013.02.019Prostakova V., Chen J., Jak E., Decterov S.A. Experimental study and thermodynamic optimization of the CaO–NiO, MgO–NiO and NiO–SiO<sub>2</sub> systems // CALPHAD. 2012. Vol. 37. P. 1–10. http://doi.org/10.1016/j.calphad.2011.12.009Prostakova V., Chen J., Jak E., Decterov S.A. Experimental study and thermodynamic optimization of the CaO–NiO, MgO–NiO and NiO–SiO<sub>2</sub> systems. CALPHAD. 2012, vol. 37, pp. 1–10. http://doi.org/10.1016/j.calphad.2011.12.009Vusikhis 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 // Third 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. In: Third 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 // Proc. of European Metallurgical Conf. Emc2005, 18-21 September, 2005, Dresden, Germany. Vol. 3. P. 1349–1358.Dmitriev A., Leontiev L, Vusikhis A., Kudinov D. Liquid and gas interactio during reduction in bubbled layer. In: Proc. of European Metallurgical Conf. Emc2005, 18-21 September, 2005, Dresden, Germany, vol. 3, pp. 1349–1358.

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