blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2025-5-444-453blackmet-2918Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESОценка технологической возможности совместной переработки ильменитовых и перовскитовых концентратовAssessment of the technological possibility of joint processing of ilmenite and perovskite concentrateshttps://orcid.org/0000-0001-6731-3595АгафоновС. Н.AgafonovS. N.

Сергей Николаевич Агафонов, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории редких тугоплавких металлов

620016, Россия, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Sergei N. Agafonov, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Laboratory of Rare Refractory Metals

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

agafonovs@ya.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8699-6587УдоеваЛ. Ю.UdoevaL. Yu.

Людмила Юрьевна Удоева, к.т.н., ведущий научный сотрудник лаборатории редких тугоплавких металлов

620016, Россия, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Lyudmila Yu. Udoeva, Cand. Sci. (Eng.), Leading Researcher of the Labo­ratory of Rare Refractory Metals

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

lyuud@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6395-0834ВусихисА. С.VusikhisA. S.

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

620016, Россия, 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, Russian Federation

vas58@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4343-914XЛеонтьевЛ. И.Leont’evL. I.

Леопольд Игоревич Леонтьев, академик, советник, Президиум РАН; д.т.н., профессор, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»; главный научный сотрудник, Институт металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАН

620016, Россия, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 32а

Leopol’d I. Leont’ev, Academician, Adviser, Russian Academy of Scien­ces; Dr. Sci. (Eng.), Prof., National University of Science and Techno­logy “MISIS”; Chief Researcher, Vatolin Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

32a Leninskii Ave., Moscow 119991, Russian Federation

leo@presidium.ras.ruИнститут металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАНРоссияVatolin Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАН; Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»; Президиум РАНРоссияVatolin Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; National University of Science and Technology “MISIS”; Scientific Council on Metallurgy and Metal Science of the Russian Academy of Sciences (Department of Chemistry and Material Sciences)Russian Federation202508112025685444453Copyright © Агафонов С.Н., Удоева Л.Ю., Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., 20252025Агафонов С.Н., Удоева Л.Ю., Вусихис А.С., Леонтьев Л.И.Agafonov S.N., Udoeva L.Y., Vusikhis A.S., 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/2918

Актуальной задачей, стоящей перед современной металлургической промышленностью, является повышение комплексности использования минерального и техногенного сырья путем разработки новых технологий, основанных на принципе совместной переработки сырья из месторождений, отличающихся минеральным составом рудной составляющей, например, титансодержащих руд – ильменитовых и перовскитовых. Совместная переработка титансодержащих руд позволит повысить экологическую и экономическую эффективность переработки отечественного минерального сырья, а также создаст предпосылки для развития производства диоксида титана в России. С целью научного обоснования целесообразности совместной переработки разнотипного титанового сырья методом термодинамического моделирования установлено влияние температуры, расхода восстановителя и соотношения концентратов на процесс фазообразования при карботермическом восстановлении смесей концентратов. Рассмотрено распределение целевых металлов по продуктам взаимодействия, предложены оптимальные параметры процесса формирования богатых титановых шлаков. Оценены перспективы попутного извлечения редких и редкоземельных металлов. Термодинамический анализ процесса карботермического восстановления смесей, выполненный на модельных составах перовскитового концентрата (ПК) и ильменитового концентрата (ИК), показал, что при малых значениях соотношения ПК/ИК возможно образование высокотитанистых шлаков с содержанием TiO2 более 80 %. Однако концент­рация извлекаемого в сплав ниобия и содержание в шлаке редкоземельных элементов снизятся в разы по сравнению с их исходными значениями в перовскитовым концентрате. При соотношении ПК/ИК, равном 1, можно аккумулировать в сплаве до 2,5 % Nb при содержании в шлаке до 74 % TiO2 . Преимущество совместной переработки ильменитового и перовскитового сырья пирометаллургичес­ким способом заключается в возможности в рамках одной технологической схемы получать богатые титановые шлаки и селективно концентрировать редкие металлы в металлической фазе, отделяя их от титана, и редкоземельные металлы в шлаке.

An urgent task facing the modern metallurgical industry is to increase the complexity of using mineral and technogenic raw materials by developing new technologies based on the principle of joint processing of raw materials from deposits that differ in the mineral composition of the ore component, for example, titanium-containing ores – ilmenite and perovskite. Joint processing of titanium-containing ores will improve the environmental and economic efficiency of processing domestic mineral raw materials, and will also create prerequisites for the development of titanium dioxide production in Russia. In order to scientifically substantiate the feasibility of joint processing of different types of titanium raw materials, the effect of temperature, reducing agent consumption and concentrate ratio on the phase formation process during carbothermic reduction of concentrate mixtures was established using thermodynamic modeling. The distribution of target metals by interaction products is consi­dered, optimal parameters for the process of formation of rich titanium slags are proposed. The authors assessed the prospects for the associa­ted extraction of rare and rare-earth metals. Thermodynamic analysis of the process of carbothermic reduction of mixtures, performed on model compositions of perovskite and ilmenite concentrates, showed that at low values ​​of the perovskite concentrate / ilmenite concentrate (PC/IC) ratio, one can expect the formation of high-titanium slags with a TiO2 content of more than 80 %. However, concentration of Nb extracted into the alloy and content of rare earth elements in the slag will decrease several times compared to their initial values ​​in the perovskite concentrate. At a PC/IC ratio of 1, it is possible to accumulate up to 2.5 % Nb in the alloy with a TiO2 content of up to 74 % in the slag. The advantage of joint processing of ilmenite and perovskite raw materials by the pyrometallurgical method is the ability to obtain rich titanium slags and selectively concentrate rare metals in the metallic phase, separating them from titanium, and rare earth metals in the slag within the framework of a single process flow sheet.

титановые концентратыильменитперовскиткарботермическое восстановлениетермодинамическое моделированиеtitanium concentratesilmeniteperovskitecarbothermic reductionthermodynamic modelingРабота выполнена по Государственному заданию Института металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАН.The work was performed according to the State assignment of the Vatolin Institute of Metallurgy, Ural Branch of RAS.ReferencesБыховский Л.З., Тигунов Л.П. Титановое сырье России. Российский химический журнал. 2010;54(2):73–86.Bykhovskii L.Z., Tigunov L.P. Titanium raw materials of Russia. Rossiiskii chimicheskii zhurnal. 2010;54(2):73–86. (In Russ.).Николаев А.И., Герасимова Л.Г., Петров В.Б., Майоров В.Г. Перовскитовый концентрат – перспективное нетрадиционное сырье для производства титановой и редкометалльной продукции. Комплексное использование минерального сырья (КИМС). 2015;(2(293)):26–34.Nikolaev A.I., Gerasimova L.G., Petrov V.B., Mayorov V.G. Perovskite concentrate - as a source for titanium and rare-metal products. Kompleksnoe ispol'zovanie mineral'nogo syr'ya (KIMS). 2015;(2(293)):26–34. (In Russ.).Красоткин И.С., Войтеховский Ю.Л., Лесков А.Л. Африканда: начало истории. В сб.: Труды VIII Всероссийской Ферсмановской научной сессии, (18–19 апреля 2011 г.). 2011:23–30.Krasotkin I.S., Voitekhovskii Yu.L., Leskov A.L. Afrikanda: beginning of the story. In: Proceedings of VIII All-Russian Fersman Scientific Session (April 18–19, 2011). 2011:23–30. (In Russ.).Соколов С.В., Нечелюстов Г.Н., Быстров И.Г. Щелочной магматизм земли и связанные с ним месторождения стратегических металлов. Школа «Щелочной магматизм Земли». В сб.: Труды ХХХIII Международной конференции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской Академии Наук. 2016:116–118.Sokolov S.V., Nechelyustov G.N., Bystrov I.G. Alkaline magmatism of the Earth and related deposits of strategic metals. School “Alkaline magmatism of the Earth”. In: Proceedings of the XXXIII Int. Conf. Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Scien­ces. 2016:116–118. (In Russ.).Герасимова Л.Г., Артеменков А.Г., Николаев А.И., Щукина Е.С. Титано-редкометалльные концентраты из сырья Кольского региона и возможность их совместной переработки с получением дефицитной продукции. Арктика: экология и экономика. 2024;14(2):217–225. https://doi.org/10.25283/2223-4594-2024-2-217-225Gerasimova L.G., Artemenkov A.G., Nikolaev A.I., Shchukina E.S. Titanium-rare metal concentrates from raw materials of the Kola region and the possibility of their joint processing to obtain scarce products. Arctic: Ecology and Economics. 2024;14(2):217–225. (In Russ.). https://doi.org/10.25283/2223-4594-2024-2-217-225Резниченко В.А., Устинов В.С., Карязин И.А., Петрунь­­ко А.Н. Электрометаллургия и химия титана. Москва: Наука; 1982:276.Reznicenko V.A., Ustinov V.S., Karyazin I.A., A.N. Petrun’ko A.N. Electrometallurgy and Chemistry of Titanium. Moscow: Nauka; 1982:276. (In Russ.).Ma N., Warner N.A. Smelting reduction of ilmenite by carbon in molten pig iron. Canadian Metallurgical Quarterly. 1999;38(3):165–173.Ma N., Warner N.A. Smelting reduction of ilmenite by carbon in molten pig iron. Canadian Metallurgical Quarterly. 1999;38(3):165–173.Smirnov K.I., Gamov P.A. Pyro-metallurgical processing of ilmenite concentrate with production of iron and titanium oxides. Solid State Phenomena. 2021;316:385–389. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ssp.316.385Smirnov K.I., Gamov P.A. Pyro-metallurgical processing of ilmenite concentrate with production of iron and titanium oxides. Solid State Phenomena. 2021;316:385–389. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ssp.316.385Гудим Ю.А., Мейржан А., Рощин В.Е. Возможности пирометаллургического обогащения ильменитовых концентратов. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2016;16(1): 23–32. http://dx.doi.org/10.14529/met160103Gudim Yu.A., Meirzhan A., Roshchin V.E. Possibilities of pyrometallurgical enrichment of ilmenite concentrates. Bulletin of the South Ural State University. Series: Metallurgy. 2016;16(1):23–32. (In Russ.). http://dx.doi.org/10.14529/met160103Мотов Д.Л. Технологическое решение проблемы перовскита. В сб.: Труды VII Всероссийской Ферсмановской научной сессии, (2–5 мая 2010 г.). 2010:187–192.Motov D.L. Technological solution to the perovskite problem. Proceedings of VII All-Russian Fersman Scientific Session (May 2–5, 2010). 2010:187–192 (In Russ.).Горощенко Я.Г., Мотов Д.Л., Белокосков В.И. и др. К вопросу и выборе схемы технологического процесса для получения титановых пигментов из перовскитового концентрата с попутным извлечением редких металлов. Сборник трудов по химической технологии минерального сырья Кольского полуострова. Ленинград: Издательство АН СССР; 1959;1:148–221.Goroshchenko Ya.G., Motov D.L., Belokoskov V.I., etc. On the issue and choice of a process flow sheet for obtaining titanium pigments from perovskite concentrate with concomitant extraction of rare metals. In: Proceedings of the Conf. on Chemical Technology of Mineral Resources of the Kola Peninsula. Leningrad: Academy of Sciences USSR; 1959;1:148–221. (In Russ.).Киселев Ю.Г., Щукина Е.С. Растворимость гидратного продукта, полученного при азотнокислотной обработке перовскита, в серной кислоте. Вестник Кольского научного центра РАН. 2017;(2):81–86.Kiselev Yu.G., Shchukina E.S. The solubility of the hydrated product obtained by perovskite nitric acid treatment in sulfuric acid. Bulletin of the Kola Science Center of the Russian Academy of Sciences. 2017;(2):81–86. (In Russ.).Gerasimova L.G., Maslova M.V., Shchukina E.S. Preparation of titanium dioxide for heat-resistant sealants. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2011;45(4): 511–516. https://doi.org/10.1134/S0040579513050035Gerasimova L.G., Maslova M.V., Shchukina E.S. Preparation of titanium dioxide for heat-resistant sealants. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2011;45(4): 511–516. https://doi.org/10.1134/S0040579513050035Герасимова Л.Г., Мельник Н.А., Николаев А.И., Петров В.Б., Щукина Е.С., Быченя Ю.Г. Солянокислотная технология перовскитового концентрата и ее радиа­ционная оценка. Экология промышленного производства. 2015;89:54–58.Gerasimova L.G., Mel’nik N.A., Nikolaev A.I., Petrov V.B., Shchukina E.S., Bychenya Yu.G. Hydrochloric acid techno­logy of perovskite concentrate and its radiation assessment. Ekologiya promyshlennogo proizvodstva. 2015;89:54–58. (In Russ.).Rezan S.A., Zhang G., Ostrovski O. Carbothermal reduction and nitridation of ilmenite concentrate. ISIJ International. 2012;52(3):363–368.Rezan S.A., Zhang G., Ostrovski O. Carbothermal reduction and nitridation of ilmenite concentrate. ISIJ International. 2012;52(3):363–368.Xiao J., Jiang B., Huang K., Jiao S., Zhu H-m. Selective reduction of TiO2–SiO2 in the carbothermal reduction of titanium raw materials for preparation og titanium oxycarbide. In: The Minerals, Metals &Materials Society: 7th Int. Symp. on High-Temperature Metallurgical Processing. 2016: 419–425. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48093-0_52Xiao J., Jiang B., Huang K., Jiao S., Zhu H-m. Selective reduction of TiO2–SiO2 in the carbothermal reduction of titanium raw materials for preparation og titanium oxycarbide. In: The Minerals, Metals &Materials Society: 7th Int. Symp. on High-Temperature Metallurgical Processing. 2016: 419–425. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48093-0_52Будин О.Н., Кропачев А.Н., Агафонов Д.Г., Черепов В.В. Изучение карботермического способа вскрытия титанового сырья на примере искусственно синтезированного перовскита. Известия вузов. Цветная металлургия. 2018;(5):23–30. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2018-5-23-30Budin O.N., Kropachev A.N., Agafonov D.G., Cherepov V.V. Study into carbothermic method of titanium raw material decomposition in case of artificially synthesized perovskite. Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2018;(5):23–30. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0021-3438-2018-5-23-30Васютинский Н.А. Титановые шлаки. Москва: Металлургия; 1972:208.Vasyutinskii N.A. Titanium Slags. Moscow: Metallurgiya; 1972:208. (In Russ.).Асанов А.В., Аношкин И.В., Мальков А.В., Сенин А.В., Рощин А.В. Влияние химического состава и температуры на вязкость высокотитанистых шлаков. Вестник ЮУрГУ. 2008;(9):7–9.Asanov A.V., Anoshkin I.V., Mal’kov A.V., Senin A.V., Roshchin A.V. Influence of chemical composition and temperature on the viscosity of high-titanium slags. Bulletin of SUSU. 2008;(9):7–9. (In Russ.).Jing J., Guo Y., Wang S., Chen F., Yang L., Yang J., Xu F., Yu L. Melting properties and phase composition transformation of Ti-bearing electric furnace slags in CaO–SiO2–MgO–Al2O3–50%TiO2. Metals and Materials International. 2024;30:2045–2056. https://doi.org/10.1007/s12540-024-01630-yJing J., Guo Y., Wang S., Chen F., Yang L., Yang J., Xu F., Yu L. Melting properties and phase composition transformation of Ti-bearing electric furnace slags in CaO–SiO2–MgO–Al2O3–50%TiO2. Metals and Materials International. 2024;30:2045–2056. https://doi.org/10.1007/s12540-024-01630-yYan Z.-m., Lv X.-w., Li Z.-s. Physicochemical properties and structure of titania-containing metallurgical slags: A review. Journal of Iron and Steel Research International. 2022;29:187–206. https://doi.org/10.1007/s42243-021-00678-zYan Z.-m., Lv X.-w., Li Z.-s. Physicochemical properties and structure of titania-containing metallurgical slags: A review. Journal of Iron and Steel Research International. 2022;29:187–206. https://doi.org/10.1007/s42243-021-00678-zDaněk V., Nerád I. Phase diagram and structure of melts of the system CaO–TiO2–SiO2 . Chemical Papers. 2002; 56(4):241–246.Daněk V., Nerád I. Phase diagram and structure of melts of the system CaO–TiO2–SiO2 . Chemical Papers. 2002; 56(4):241–246.Roine A. HSC Chemistry. Version 6.12 for Windows, Outotec Research Oy. Pori, Finland; 1974–2007.Roine A. HSC Chemistry. Version 6.12 for Windows, Outotec Research Oy. Pori, Finland; 1974–2007.Сафонов А.В., Якушевич Н.Ф., Лебошкин В.Н., Шад­рин В.Н., Гордин С.О. Углетермическое восстановление ильменитовых концентратов в твердой фазе. Известия вузов. Черная металлургия. 2004;47(2):19–22.Safonov A.V., Yakushevich N.F., Leboshkin V.N., Shad­rin V.N., Gordin S.O. Carbothermic reduction of ilmenite concentrates in the solid phase. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2004;47(2):19–22. (In Russ.).Леонтьев Л.И., Ватолин Н.А., Шаврин С.В., Шумаков Н.С. Пирометаллургическая переработка комплексных руд. Москва: Металлургия; 1997:432.Leont’ev L.I., Vatolin N.A., Shavrin S.V., Shumakov N.S. Pyrometallurgical Processing of Complex Ores. Moscow: Metallurgiya; 1997:432. (In Russ.).

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