blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-3-344-355blackmet-2558Research ArticleПо материалам Международной научной конференции «ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ» им. академика А.М. Самарина, Выкса, 10 – 14 октября 2022 г.Materials of the International Scientific Conference “PHYSICO-CHEMICAL FOUNDATIONS OF METALLURGICAL PROCESSES” named after Academician A.M. Samarin, Vyksa, October 10 – 14, 2022Изучение селективного извлечения свинца и цинка из пыли ДСП при нагреве в печах сопротивления в токе аргонаLead and zinc selective extraction from EAF dust while heating in resistance furnace with flowing argonhttps://orcid.org/0000-0002-4124-0444ПодусовскаяН. В.PodusovskayaN. V.

Надежда Владимировна Подусовская, младший научный сотрудник лаборатории диагностики материалов, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; аспирант кафедры металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»

Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Nadezhda V. Podusovskaya, Junior Researcher of the Laboratory of Materials Diagnostics, Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences; Postgraduate of the Chair of Metallurgy of Steel, New Production Technologies and Metal Protection, National University of Science and Technology “MISIS”

49 Leninskii Ave., Moscow 119991, Russian Federation

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

ndemidova_n@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9517-8263КомоловаО. А.KomolovaO. A.

Ольга Александровна Комолова, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории диагностики материалов, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; доцент кафедры металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»

Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Ol’ga A. Komolova, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Laboratory of Materials Diagnostics, Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences; Assist. Prof. of the Chair of Metallurgy of Steel, New Production Technologies and Metal Protection, National University of Science and Technology “MISIS”

49 Leninskii Ave., Moscow 119991, Russian Federation

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

o.a.komolova@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-5669-4262ГригоровичК. В.GrigorovichK. V.

Константин Всеволодович Григорович, академик РАН, д.т.н., заведующий лабораторией диагностики материалов, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; профессор кафедры металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»

Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Konstantin V. Grigorovich, Academician, Dr. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory of Materials Diagnostics, Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences; Prof. of the Chair of Metallurgy of Steel, New Production Technologies and Metal Protection, National University of Science and Technology “MISIS”

49 Leninskii Ave., Moscow 119991, Russian Federation

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

grigorov@imet.ac.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3773-9469ПавловА. В.PavlovA. V.

Александр Васильевич Павлов, д.т.н., профессор кафедры металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Aleksandr V. Pavlov, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair of Metallurgy of Steel, New Production Technologies and Metal Protection

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

pav-gnts@misis.ruАксеноваВ. В.AksenovaV. V.

Виктория Владимировна Аксенова, аспирант кафедры металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Viktoriya V. Aksenova, Postgraduate of the Chair of Metallurgy of Steel, New Production Technologies and Metal Protection

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

axenovaviki@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8250-3565РумянцевБ. А.RumyantsevB. A.

Борис Алексеевич Румянцев, к.т.н., научный сотрудник лаборатории диагностики материалов

Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

Boris A. Rumyantsev, Cand. Sci. (Eng.), Research Associate of the Laboratory of Materials Diagnostics

49 Leninskii Ave., Moscow 119991, Russian Federation

brumyantsev@imet.ac.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3821-6790ЖелезныйМ. В.ZheleznyiM. V.

Марк Владимирович Железный, младший научный сотрудник лаборатории диагностики материалов, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; ассистент кафедры физического материаловедения, Национальный исследовательс­кий технологический университет «МИСИС»

Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Mark V. Zheleznyi, Junior Researcher of the Laboratory of Materials Diagnostics, Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences; Assistant of the Chair of Physical Materials, National University of Science and Technology “MISIS”

49 Leninskii Ave., Moscow 119991, Russian Federation

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

markiron@mail.ruИнститут металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences; National University of Science and Technology “MISIS”Russian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”Russian FederationИнститут металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАНРоссияBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of SciencesRussian Federation202330062023663344355Copyright © Подусовская Н.В., Комолова О.А., Григорович К.В., Павлов А.В., Аксенова В.В., Румянцев Б.А., Железный М.В., 20232023Подусовская Н.В., Комолова О.А., Григорович К.В., Павлов А.В., Аксенова В.В., Румянцев Б.А., Железный М.В.Podusovskaya N.V., Komolova O.A., Grigorovich K.V., Pavlov A.V., Aksenova V.V., Rumyantsev B.A., Zheleznyi M.V.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/2558

Изучены элементный и фазовый составы пыли дуговой сталеплавильной печи ПАО «Северсталь», проведено термодинамическое моделирование процесса селективного извлечения цинка и свинца из пыли. Определены возможные механизмы его протекания. Выполнен нагрев электросталеплавильной пыли в диапазоне температур 20 – 1300 °С в вакуумной печи сопротивления и печи Таммана в токе аргона. Эксперименты в вакуумной печи сопротивления с линейным нагревом показали, что удаление свинца и цинка из образца протекало в интервале температур 800 – 1200 °С. При этом скорость удаления свинца была выше. Интенсивное удаление свинца наблюдали при температурах свыше 1000 °С, а интенсивное удаление цинка при температурах свыше 1200 °С. Уточняющие изотермические эксперименты, выполненные в печи Таммана, показали, что полный переход свинца в газовую фазу достигался при температуре 1100 °С (время выдержки 12 мин) и при температуре 1200 °С (время выдержки 6 мин и более). Параллельно с этим наблюдали удаление цинка в количестве 14,4 и 32,2 % (отн.) соответственно, что позволило сделать вывод о возможности последовательного получения двух продуктов: смеси свинца с цинком и цинка, не загрязненного свинцом. При сопоставлении экспериментальных данных и данных термодинамического моделирования определены реакции, протекание которых наиболее вероятно при восстановлении свинец- и цинксодержащих фаз углеродом.

The elemental and phase compositions of electric arc furnace (EAF) dust from PJSC Severstal were studied. We carried out the thermodynamic modeling of zinc and lead selective extraction process and determined its possible mechanisms. EAF dust was heated in the temperature range of 20 – 1300 °C in vacuum resistance furnace and the Tamman furnace with flowing argon. Experiments in the vacuum resistance furnace with linear heating showed that lead and zinc removal from the sample occurs in the temperature range of 800 – 1200 °C, with higher lead removal rate. Intensive lead removal was observed at temperature above 1000 °C, while intensive zinc removal occurs at temperature above 1200 °C. Clarifying isothermal experiments performed in the Tamman furnace showed that lead complete transition to the gas phase was achieved at a temperature of 1100 °C (holding time – 12 min) and at a temperature of 1200 °C (holding time – 6 min or more). At the same time, zinc removal was observed in the amount of 14.4 % ratio and 32.2 % ratio, respectively, which allows us to conclude that it is possible to consistently obtain two products: lead and zinc mixture and zinc not contaminated with lead. When comparing experimental and thermodynamic modeling data, the reactions that are most likely to occur during the carbon reduction of lead- and zinc-containing phases were determined.

черная металлургияцветные металлысталеплавильная пыльпыль ДСПбезуглеродный процессселективное извлечениеиспарениецинксвинецжелезовторичные ресурсыресурсосбережениеferrous metallurgynon-ferrous metalssteel dustelectric-arc furnace dustEAF-dustcarbon-free processselective extractionevaporationzincleadironsecondary resourcesresource savingReferencesПатрушов А.Е. Оценка технико-экономической эффективности пирометаллургической технологии переработки пылей электросталеплавильного производства. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020;24(3):672–683. http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2020-3-672-683Patrushov A.E. Technical and economic efficiency evaluation of pyrometallurgical technology for processing dust from electric steel production. iPolytech Journal. 2020;24(3): 672–683. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-3-672-683Тюшняков С.Н., Селиванов Е.Н., Панкратов А.А. Формы нахождения цинка в пыли газоочистки электросталеплавильных печей. Металлург. 2018;(6):8–13.Tyushnyakov S.N., Selivanov E.N., Pankratov A.A. Forms of zinc found in electric steel smelting furnace gas cleaning dust. Metallurgist. 2018;62(5-6):485–492. https://doi.org/10.1007/s11015-018-0685-zDa Silva Machado J.G.M., Brehm F.A., Moraes C.A.M., dos Santos C.A., Vilela A.C.F. Characterization study of electric arc furnace dust phases. Materials Research. 2006;9(1):30–36. https://doi.org/10.1590/S1516-14392006000100009Da Silva Machado J.G.M., Brehm F.A., Moraes C.A.M., dos Santos C.A., Vilela A.C.F. Characterization study of electric arc furnace dust phases. Materials Research. 2006;9(1):30–36. https://doi.org/10.1590/S1516-14392006000100009Ahmad S., Sajal W.R., Gulshan F., Hasan M., Rham­dhani M.A. Thermodynamic analysis of caustic–roasting of electric arc furnace dust. Heliyon. 2022;8(10):e11031. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e11031Ahmad S., Sajal W.R., Gulshan F., Hasan M., Rham­dhani M.A. Thermodynamic analysis of caustic–roasting of electric arc furnace dust. Heliyon. 2022;8(10):e11031. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e11031Omran M., Fabritius T. Effect of steelmaking dust characteristics on suitable recycling process determining: Ferrochrome converter (CRC) and electric arc furnace (EAF) dusts. Powder Technology. 2017;308:47–60. http://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2016.11.049Omran M., Fabritius T. Effect of steelmaking dust characteristics on suitable recycling process determining: Ferrochrome converter (CRC) and electric arc furnace (EAF) dusts. Powder Technology. 2017;308:47–60. http://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2016.11.049Halli P., Agarwal V., Partinen J., Lundström M. Recovery of Pb and Zn from a citrate leach liquor of a roasted EAF dust using precipitation and solvent extraction. Separation and Purification Technology. 2020;236:116264. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.116264Halli P., Agarwal V., Partinen J., Lundström M. Recovery of Pb and Zn from a citrate leach liquor of a roasted EAF dust using precipitation and solvent extraction. Separation and Purification Technology. 2020;236:116264. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.116264Leclerc N., Meux E., Lecuire J.-M. Hydrometallurgical recovery of zinc and lead from electric arc furnace dust using mononitrilotriacetate anion and hexahydrated ferric chloride. Journal of Hazardous Materials. 2001;91(1–3):257–270. https://doi.org/10.1016/S0304-3894(01)00394-6Leclerc N., Meux E., Lecuire J.-M. Hydrometallurgical recovery of zinc and lead from electric arc furnace dust using mononitrilotriacetate anion and hexahydrated ferric chloride. Journal of Hazardous Materials. 2001;91(1–3):257–270. https://doi.org/10.1016/S0304-3894(01)00394-6Antuñano N., Cambra J.F., Arias P.L. Hydrometallurgical processes for Waelz oxide valorisation – An overview. Process Safety and Environmental Protection. 2019;129:308–320. https://doi.org/10.1016/j.psep.2019.06.028Antuñano N., Cambra J.F., Arias P.L. Hydrometallurgical processes for Waelz oxide valorisation – An overview. Process Safety and Environmental Protection. 2019;129:308–320. https://doi.org/10.1016/j.psep.2019.06.028Al-Harahsheh M., Altarawneh S., Al-Omari M. Selective dissolution of zinc and lead from electric arc furnace dust via oxidative thermolysis with polyvinyl chloride and water-leaching process. Hydrometallurgy. 2022;212:105898. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2022.105898Al-Harahsheh M., Altarawneh S., Al-Omari M. Selective dissolution of zinc and lead from electric arc furnace dust via oxidative thermolysis with polyvinyl chloride and water-leaching process. Hydrometallurgy. 2022;212:105898. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2022.105898Разинкова О.А. Источники загрязнения окружающей среды в гидрометаллургическом производстве и пути их использования. Научный потенциал регионов на службу модернизации. 2013;(1):25–29.Razinkova O.A. Sources of environmental pollution in hydrometallurgical production and ways of their use. Nauchnyi potentsial regionov na sluzhbu modernizatsii. 2013;(1): 25–29. (In Russ.).Wang L., Peng Z., Lin X., Ye Q., Ye L., Zhang J., Liu Y., Liu M., Rao M., Li G., Jiang T. Microwave-intensified treatment of low-zinc EAF dust: A route toward high-grade metal­lized product with a focus on multiple elements. Powder Techno­logy. 2021;383:509–521. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.01.047Wang L., Peng Z., Lin X., Ye Q., Ye L., Zhang J., Liu Y., Liu M., Rao M., Li G., Jiang T. Microwave-intensified treatment of low-zinc EAF dust: A route toward high-grade metal­lized product with a focus on multiple elements. Powder Techno­logy. 2021;383:509–521. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.01.047Adedoyin F.F., Gumede M.I., Bekum F.V., Etokakpan M.U., Balsalobre-Lorente D. Modelling coal rent, economic growth and CO2 emissions: Does regulatory quality matter in BRICS economies? Science of the Total Environment. 2020;710:136284 https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.136284Adedoyin F.F., Gumede M.I., Bekum F.V., Etokakpan M.U., Balsalobre-Lorente D. Modelling coal rent, economic growth and CO2 emissions: Does regulatory quality matter in BRICS economies? Science of the Total Environment. 2020;710:136284. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.136284Марченко Н.В., Вершинина Е.П., Гильдебрандт Э.М. Металлургия тяжелых цветных металлов: Электронное учебное пособие [Электронный ресурс]. Красноярск: ИПК СФУ, 2009. URL: https://c-metal.ru/image/catalog/books/Marchenko.pdf (дата обращения 11.05.2023).Marchenko N.V., Vershinina E.P., Gil’debrandt E.M. Metal­lurgy of Heavy Non-Ferrous Metals. Available at URL: https://c-metal.ru/image/catalog/books/Marchenko.pdf (Accessed 11.05.2023). (In Russ.).Симонян Л.М., Демидова Н.В. Исследование процесса безуглеродного селективного извлечения цинка и свинца из пыли ДСП. Известия вузов. Черная металлургия. 2020;63(8):631–638. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-8-631-638Simonyan L.M., Demidova N.V. Selective extraction of carbon-free zinc and lead from EAF-dust. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2020;63(8):631–638. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-8-631-638Грудинский П.И., Дюбанов В.Г., Козлов П.А. Исследование процессов дистилляционного разделения пыли плавки меди с первичным извлечением свинца. Металлы. 2018;(1):9–16.Grudinsky P.I., Dyubanov V.G., Kozlov P.A. Distillation sepa­ration of the copper-smelting dusts with primary recovery of lead. Russian Metallurgy(Metally). 2018;2018(1):7–13. https://doi.org/10.1134/S003602951801007XJabbour K., El Hassan N. Optimized conditions for reduction of iron (III) oxide into metallic form under hydrogen atmosphere: A thermodynamic approach. Chemical Engineering Science. 2022;252:117297. https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.117297Jabbour K., El Hassan N. Optimized conditions for reduction of iron (III) oxide into metallic form under hydrogen atmosphere: A thermodynamic approach. Chemical Engineering Science. 2022;252:117297. https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.117297Клеоновский М.В., Шешуков О.Ю., Михеенков М.А., Лозовая Е.Ю. Термодинамическое моделирование восстановления цинка из шламов черной металлургии. Известия вузов. Черная металлургия. 2022;65(3):170–178. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-3-170-178Kleonovskii M.V., Sheshukov O.Yu., Mikheenkov M.A., Lozovaya E.Yu. Thermodynamic modeling of zinc recovery from ferrous metallurgy sludge. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2022;65(3):170–178. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-3-170-178Omran M., Fabritius T. Utilization of blast furnace sludge for the removal of zinc from steelmaking dusts using microwave heating. Separation and Purification Technology. 2019;210:867–884. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.09.010Omran M., Fabritius T. Utilization of blast furnace sludge for the removal of zinc from steelmaking dusts using microwave heating. Separation and Purification Technology. 2019;210:867–884. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.09.010Li C., Liu W., Jiao F., Yang C., Li G., Liu S., Qin W. Separation and recovery of zinc, lead and iron from electric arc furnace dust by low temperature smelting. Separation and Purification Technology. 2023;312:123355. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.123355Li C., Liu W., Jiao F., Yang C., Li G., Liu S., Qin W. Separation and recovery of zinc, lead and iron from electric arc furnace dust by low temperature smelting. Separation and Purification Technology. 2023;312:123355. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.123355Трусов Б.Г. Программная система TERRA для моделирования фазовых и химических равновесий. Тезисы докладов XIV Международной конференции по химической термодинамике. СПб: НИИ Химии СПбГУ; 2002:483.Trusov B.G. TERRA software system for modeling phase and chemical equilibria. In: Abstracts of the XIV Int. Conf. on Chemical Thermodynamics. St. Petersburg: NII Chimii SpbSU; 2002:483. (In Russ.).Вусихис А.С., Селиванов Е.Н., Леонтьев Л.И., Тюшняков С.Н. Термодинамическое моделирование процессов восстановления металлов из расплавов B2O3–CaO–FeO–ZnO. Металлы. 2022;(3):17–23.Vusikhis A.S., Selivanov E.N., Leont’ev L.I., Tyushnyakov S.N. Thermodynamic simulation of metal reduction from B2O3–CaO–FeO–ZnO melts by hydrogen and carbon monoxide. Russian Metallurgy (Metally). 2022;2022(5): 475–480. https://doi.org/10.1134/S0036029522050111Wu C.-C., Chang F.-C., Chen W.-S., Tsay M.-S., Wang Y.-N. Reduction behavior of zinc ferrite in EAF-dust recycling with CO gas as a reducing agent. Journal of Environmental Management. 2014;143:208–213. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2014.04.005Wu C.-C., Chang F.-C., Chen W.-S., Tsay M.-S., Wang Y.-N. Reduction behavior of zinc ferrite in EAF-dust recycling with CO gas as a reducing agent. Journal of Environmental Management. 2014;143:208–213. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2014.04.005

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