blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-10-761-767blackmet-2194Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESРазделение компонентов железомарганцевой руды бесконтактным и контактным карботермическим восстановлениемSeparation of ferromanganese ore components by non-contact and contact carbothermic reductionhttps://orcid.org/0000-0002-1570-4188КосдаулетовН.KosdauletovN.

Косдаулетов Нурлыбай - аспирант кафедры пирометаллургических процессов.

454080, Челябинск, пр. Ленина, 76.

Nurlybai Kosdauletov - Postgraduate of the Chair “Pyrometallurgical Processes”, South Ural State University.

76 Lenina Ave., Chelyabinsk 454080.

kosdauletovn@susu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6555-6817МухамбетгалиевЕ. К.MukhambetgalievE. K.

Мухамбетгалиев Ербол Кенжегалиулы - ведущий научный сотрудник лаборатории «Металлургические расплавы».

100009, Караганда, ул. Ермекова, 63.

Erbol K. Mukhambetgaliev - Leading Researcher of the Laboratory “Metallurgical Alloys”, Abishev Chemical-Metallurgical Institute.

63 Ermekova Str., Karaganda 100009.

ye.kenzhegaliuly@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3648-8821РощинВ. Е.RoshchinV. E.

Рощин Василий Ефимович – доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник кафедры пирометаллургических процессов.

454080, Челябинск, пр. Ленина, 76.

Vasilii E. Roshchin - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Chief Researcher of the Chair “Pyrometallurgical Processes”, South Ural State University.

76 Lenina Ave., Chelyabinsk 454080.

roshchinve@susu.ruЮжно-Уральский государственный университет (НИУ)РоссияSouth Ural State University (NRU)Russian FederationХимико-металлургический институт им. Ж. АбишеваКазахстанAbishev Chemical-Metallurgical InstituteKazakhstan2021241120216410761767Copyright © Косдаулетов Н., Мухамбетгалиев Е.К., Рощин В.Е., 20212021Косдаулетов Н., Мухамбетгалиев Е.К., Рощин В.Е.Kosdauletov N., Mukhambetgaliev E.K., 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/2194

Экспериментально подтверждена возможность совместного селективного твердофазного восстановления железа и фосфора в железомарганцевой руде. Эксперименты проведены в лабораторной печи Таммана при температуре 1000 °C и выдержке в течение 2 и 5 ч. Приведены результаты исследования фазового состава и соотношения количества фаз продуктов восстановления, а также их химического состава. Установлено, что при восстановительном обжиге в атмосфере СО обеспечивается переход из оксидной фазы в металлическую только железа и фосфора. При этом в оксидной фазе руды повышается концентрация оксида марганца MnO. Использование в качестве восстановителя твердого углерода в этих же условиях приводит к переходу в металлическую фазу вместе с железом и фосфором части марганца. Исходя из полученных данных предлагается селективное восстановление железа и фосфора проводить при температуре 1000 °С восстановительным газом. Газовое восстановление позволит использовать для металлизации железа и фосфора в железомарганцевой руде существующие газовые, в частности, многоподовые печи, а в качестве восстановителя и энергоносителя - природный газ, в том числе обогащенный водородом, и даже чистый водород. Благодаря этому на стадии металлизации руды при производстве марганцевых сплавов могут быть уменьшены выбросы парникового газа СО2 . Результаты работы могут быть использованы при разработке теоретических и технологических основ переработки железомарганцевых руд с повышенным содержанием фосфора, которые существующими технологиями не перерабатываются.

The possibility of joint selective solid-phase reduction of iron and phosphorus in ferromanganese ore has been experimentally confirmed. The experiments were carried out in a Tamman laboratory furnace at a temperature of 1000 °C and holding for two and five hours. The article presents results of the study of phase composition and phases' quantitative ratio of the reduction products, as well as chemical composition of the phases. It was established that reduction roasting in CO atmosphere provides a transition from oxide phase to metal phase only of iron and phosphorus. At the same time, the concentration of manganese oxide MnO increases in the ore oxide phase. The use of solid carbon as a reducing agent under the same conditions leads to transition to the metallic phase together with iron and phosphorus of a part of manganese. Based on the obtained data, it is proposed to selectively reduce iron and phosphorus at a temperature of 1000 °C with a reducing gas. Gas reduction will make it possible to use existing gas furnaces, in particular, multi-pod furnaces, for metallization of iron and phosphorus in ferromanganese ore, and natural gas, including hydrogen -enriched gas, and even pure hydrogen, as a reducing agent and energy carrier. Due to this, at the stage of ore metallization in production of manganese alloys, greenhouse gas CO2 emissions can be reduced. The results of the work can be used in the development of theoretical and technological bases for processing ferromanganese ores with a high content of phosphorus, which are not processed by existing technologies.

железомарганцевая рудамарганецферромарганецфосфоржелезоконцентраткарботермическое прямое и косвенное восстановлениетемпература восстановленияferromanganese oremanganeseferromanganesephosphorusironconcentratecarbothermic direct and indirect reductionreduction temperatureИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90112, а также при финансовой поддержке РФФИ и Челябинской области в рамках научного проекта № 20-48-740034.The work was supported by the Russian Foundation for Basic Research, scientific project No. 20-38-90112, and with participation of Chelyabinsk Region (scientific project No. 20-48-740034).ReferencesДашевский В.Я., Александров А.А., Жучков В.И., Леонтьев Л.И. Проблема марганца в российской металлургии // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 8. С. 579-590. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-8-579-590Dashevskii V.Ya., Aleksandrov A.A., Zhuchkov V.I., Leont'ev L.I. Problem of manganese in the Russian metallurgy. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2020, vol. 63, no. 8, pp. 579-590. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-8-579-590Нохрина О.И., Рожихина И.Д., Едильбаев А.И., Едильбаев Б.А. Марганцевые руды Кемеровской области - Кузбасса и методы их обогащения // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 5. С. 344-350. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-5-344-350Nokhrina O.I., Rozhikhina I.D., Edil'baev A.I., Edil'baev B.A. Manganese ores of the Kemerovo Region-Kuzbass and methods of their enrichment. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2020, vol. 63, no. 5, pp. 344-350. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-5-344-350Kononov R., Ostrovski O., Ganguly S. Carbothermal solid state reduction of manganese ores: 3. Phase development // ISIJ International. 2009. Vol. 49. No. 8. P. 1115-1122. https://doi.org/10.2355/isijinternational.49.1115Kononov R., Ostrovski O., Ganguly S. Carbothermal solid state reduction of manganese ores: 3. Phase development. ISIJ International. 2009, vol. 49, no. 8, pp. 1115-1122. https://doi.org/10.2355/isijinternational.49.1115Chen J., Tian P.F., Song X.A., Li N., Zhou J.X. Microstructure of solid phase reduction on manganese oxide ore fines containing coal by microwave heating // Journal of Iron and Steel Research International. 2010. Vol. 17. No. 3. P. 13-20. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(10)60066-0Chen J., Tian P.F., Song X.A., Li N., Zhou J.X. Microstructure of solid phase reduction on manganese oxide ore fines containing coal by microwave heating. Journal of Iron and Steel Research International. 2010, vol. 17, no. 3, pp. 13-20. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(10)60066-0Yuan S., Zhou W., Han Y., Li Y. Separation of manganese and iron for low-grade ferromanganese ore via fluidization magnetization roasting and magnetic separation technology // Minerals Engineering. 2020. Vol. 152. Article 106359. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2020.106359Yuan S., Zhou W., Han Y., Li Y. Separation of manganese and iron for low-grade ferromanganese ore via fluidization magnetization roasting and magnetic separation technology. Minerals Engineering. 2020, vol. 152, article 106359. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2020.106359Gao L., Liu Z., Pan Y., Feng C., Ge Y., Chu M. A study on separation of Mn and Fe from high-alumina ferruginous manganese ores by the carbothermal roasting reduction process // Advanced Powder Technology. 2020. Vol. 31. No. 1. P. 51-60. https://doi.org/10.1016/j.apt.2019.09.036Gao L., Liu Z., Pan Y., Feng C., Ge Y., Chu M. A study on separation of Mn and Fe from high-alumina ferruginous manganese ores by the carbothermal roasting reduction process. Advanced Powder Technology. 2020, vol. 31, no. 1, pp. 51-60. https://doi.org/10.1016/j.apt.2019.09.036Liu B., Zhang Y., Su Z., Lu M., Peng Z., Li G., Jiang T. Formation mechanism of MnxFe3-xO4 by solid-state reaction of MnO2 and Fe2O3 in air atmosphere: morphologies and properties evolution // Powder Technology. 2017. Vol. 313. P. 201-209. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.03.012Liu B., Zhang Y., Su Z., Lu M., Peng Z., Li G., Jiang T. Formation mechanism of MnxFe3-xO4 by solid-state reaction of MnO2 and Fe2O3 in air atmosphere: morphologies and properties evolution. Powder Technology. 2017, vol. 313, pp. 201-209. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.03.012Liu B., Zhang Y., Wang J., Wang J., Su Z., Li G., Jiang T. New understanding on separation of Mn and Fe from ferruginous manganese ores by the magnetic reduction roasting process // Applied Surface Science. 2018. Vol. 444. P. 133-144. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.02.234Liu B., Zhang Y., Wang J., Wang J., Su Z., Li G., Jiang T. New understanding on separation of Mn and Fe from ferruginous manganese ores by the magnetic reduction roasting process. Applied Surface Science. 2018, vol. 444, pp. 133-144. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.02.234Gao P., Sun Y.S., Ren D.Z., Han Y.X. Growth of metallic iron particles during coal-based reduction of a rare earths-bearing iron ore // Mining, Metallurgy and Exploration. 2013. Vol. 30. P. 74-78. https://doi.org/10.1007/bf03402343Gao P., Sun Y.S., Ren D.Z., Han Y.X. Growth of metallic iron particles during coal-based reduction of a rare earths-bearing iron ore. Mining, Metallurgy and Exploration. 2013, vol. 30, pp. 74-78. https://doi.org/10.1007/bf03402343Li Y.J., Sun Y.S., Han Y.X., Gao P. Coal-based reduction mechanism of low-grade laterite ore // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013. Vol. 23. P. 3428-3433. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(13)62884-8Li Y.J., Sun Y.S., Han Y.X., Gao P. Coal-based reduction mechanism of low-grade laterite ore. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013, vol. 11, pp. 3428-3433. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(13)62884-8Tang H.Q., Guo Z.C., Zhao Z.L. Phosphorus removal of high phosphorus iron ore by gas-based reduction and melt separation // Journal of Iron and Steel Research International. 2010. Vol. 17. No. 9. P. 1-6. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(10)60133-1Tang H.Q., Guo Z.C., Zhao Z.L. Phosphorus removal of high phosphorus iron ore by gas-based reduction and melt separation. Journal of Iron and Steel Research International. 2010, vol. 17, no. 9, pp. 1-6. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(10)60133-1Kim D.-Y., Kim H.-S., Jung S.-M. Production of (Mn, Fe)-carbide containing low phosphorus by carbothermic reduction of Mn oxide and Fe oxide // ISIJ International. 2015. Vol. 55. No. 3. P. 504-512. https://doi.org/10.2355/isijinternational.55.504Kim D.-Y., Kim H.-S., Jung S.-M. Production of (Mn, Fe)-carbide containing low phosphorus by carbothermic reduction of Mn oxide and Fe oxide. ISIJ International. 2015, vol. 55, no. 3, pp. 504-512. https://doi.org/10.2355/isijinternational.55.504Салихов С.П., Сулеймен Б., Рощин В.Е. Селективное восстановление железа и фосфора из оолитовой руды // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 7. С. 560-567. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-7-560-567Salikhov S.P., Suleimen B., Roshchin V.E. Selective reduction of iron and phosphorus from oolitic ore. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2020, vol. 63, no. 7, pp. 560-567. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-7-560-567Грошкова А.Л., Полулях Л.А., Травянов А.Я., Дашевский В.Я., Юсфин Ю.С. Распределение фосфора между фазами при выплавке высокоуглеродистого ферромарганца в доменной печи // Известия вузов. Черная металлургия. 2007. № 11. С. 12-16.Groshkova A.L., Polulyakh L.A., Travyanov A.Ya., Dashevkii V.Ya., Yusfin Yu.S. Distribution of phosphorus between phases during high-carbon ferromanganese smelting in a blast furnace. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2007, no. 11, pp. 12-16. (In Russ.).Iwama T., Du Chuan-ming, Gao Xu, Kim S., Ueda S., Kitamura S. Extraction of phosphorus from steelmaking slag by selective leach-ing using citric acid // ISIJ International. 2018. Vol. 58. No. 7. P. 1351-1360. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2017-658Iwama T., Du Chuan-ming, Gao Xu, Kim S., Ueda S., Kitamura S. Extraction of phosphorus from steelmaking slag by selective leaching using citric acid. ISIJ International. 2018, vol. 58, no. 7, pp. 1351-1360. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2017-658Shin D.J., Gao X., Ueda S., Kitamura S.Y. Selective recovery of P and Mn from steelmaking slag by carbothermic reduction. Minerals, Metals and Materials Series. 2018. Vol. F10. P. 305-311. https://doi.org/10.1007/978-3-319-72138-5_31Shin D.J., Gao X., Ueda S., Kitamura S.Y. Selective recovery of P and Mn from steelmaking slag by carbothermic reduction. Minerals, Metals and Materials Series. 2018, vol. F10, pp. 305-311. https://doi.org/10.1007/978-3-319-72138-5_31Пат. № 2594997 РФ. Способ дефосфорации марганцевых руд и концентратов / В.Я. Дашевский, Ю.С. Юсфин, Л.А. Полулях и др. Заявл. 26.06.2015; опубл. 20.08.2016. Бюл. № 23.Dashevskii V.Ya., Yusfin Yu.S., Polulyakh L.A., etc. Method of dephosphorization of manganese ores and concentrates. Patent no. 2594997 RF. Bulleten' izobretenii. 2016, no. 23. (In Russ.).Дашевский В.Я., Александров А.А., Леонтьев Л.И., Овчинникова Г.А. Марганцевые ферросплавы из отечественных руд. В кн.: Институт металлургии материаловедения им. А.А. Байкова РАН - 80 лет. Сборник научных трудов. М.: Интерконтакт Наука, 2018. С. 313-326.Dashevskii V.Ya., Aleksandrov A.A., Leont'ev L.I., Ovchinnikova G.A. Manganese ferroalloys from domestic ores. In: A.A. Baikov Institute of Metallurgy of Materials Science of the Russian Academy of Sciences-80 years. Coll. of sci. papers. Moscow: Interkontakt Nauka, 2018, pp. 313-326. (In Russ.).Лякишев Н.П., Гасик М.И., Дашевский В.Я. Металлургия ферросплавов. Ч. 1. Металлургия сплавов кремния, марганца и хрома. М.: Учеба, 2006. 117 с.Lyakishev N.P., Gasik M.I., Dashevskii V.Ya. Metallurgy of Ferroalloys. Part 1. Metallurgy of Silicon, Manganese and Chromium Alloys. Moscow: Ucheba, 2006, 117 p. (In Russ.).Косдаулетов Н., Рощин В.Е. Определение условий селективного восстановления железа из железомарганцевой руды // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 11-12. С. 952-959. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-11-12-952-959Kosdauletov N., Roshchin V.E. Definition of conditions of selective iron reduction from iron-manganese ore. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2020, vol. 63, no. 11-12, pp. 952-959. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-11-12-952-959Kosdauletov N.Y., Roshchin V.E. Estimation of selective reduction of iron and phosphorus from manganese ores of different genesis // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 966. No. 1. Article 012036. https://doi.org/10.1088/1757-899X/966/1/012036Kosdauletov N.Y., Roshchin V.E. Estimation of selective reduction of iron and phosphorus from manganese ores of different genesis. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020, vol. 966, no. 1, article 012036. https://doi.org/10.1088/1757-899X/966/1/012036

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