Термодинамическое моделирование восстановления железа и никеля из оксидных расплавов

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 С_FeО /С_NiО, равном 10. Во второй серии при содержании С_NiО , равном 1,8 %, варьировали С_FeО для соотношений С_FeО / С_NiО от 10 до 20. Дозированное повышение количества СО в рабочем теле позволило проследить изменение составов оксидного (С_МеО ) и металлического (С_Ме ) расплавов, а также степеней перехода никеля (φ_Ni ) и железа (φ_Fe ) в металлическое состояние. Корреляционные зависимости С_NiO , φ_Ni = f (C₀ , V_CO ) представлены в виде полиномов второй степени. Показатели φ_Ni и φ_Fe 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 φ_Ni около 98 % достигнуто при количестве введенного СО около 80 м³ на 1 т расплава. При этом степень восстановления железа не превышает 5 %. При соотношении С_FeО / С_NiО , равном 10, содержание никеля в сплаве практически не зависит от содержания его оксида в исходном рудном расплаве и близко к 65 %. Увеличение С_FeО / С_NiО с 10 до 20 приводит к изменению С_Ni соответственно от 68,5 до 52,9 %. Полученные данные значимы для обоснования технологии переработки низкокачественных окисленных никелевых руд с выделением ферроникеля требуемого состава.

1. Пирометаллургическая переработка комплексных руд / Л.И. Леонтьев, Н.А. Ватолин, С.В. Шаврин, Н.С. Шумаков. М.: Металлургия, 1997. 432 с.

2. Бугельский Ю.Ю., Витовская И.В., Никитина А.П. Экзогенные рудообразующие системы коры выветривания. М.: Наука, 1990. 244 c.

3. Булах А.Г., Кривовичев В.Г., Золотарев А.А. Общая минералогия. М.: Академия, 2008. 416 с.

4. 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.

5. 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.

6. Пахомов Р.А., Старых Р.В. Предварительное восстановление окисленных никелевых руд // Металлы. 2014. № 6. С. 3–11.

7. 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.v5i1.3954

8. Chen J., Hayes P.C. Mechanisms and kinetics of reduction of solid NiO in CO/CO₂ and CO/Ar gas mixtures // Metallurgical and Materials Transactions B. 2019. Vol. 50B. P. 2623–2635. http://doi.org/10.1007/s11663-019-01662-5

9. Antola 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/10.1080/08827509508914195

10. Liu 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.54.1749

11. Wang X., Sun T., Chen C., Hu T. Current studies of treating processes for nickel laterite ores // 2^nd International Conference on Mechatronics Engineering and Information Technology (ICMEIT 2017). P. 139–152.

12. 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.2016.46028

13. Pickles 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.2014.05.006

14. Rhamdhani 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/10.1179/174328509X431409

15. Luoma 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-B

16. Chen 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)63943-7

17. Prostakova 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.2013.02.019

18. Prostakova V., Chen J., Jak E., Decterov S.A. Experimental study and thermodynamic optimization of the CaO–NiO, MgO–NiO and NiO–SiO₂ systems // CALPHAD. 2012. Vol. 37. P. 1–10. http://doi.org/10.1016/j.calphad.2011.12.009

19. 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 // Third Int. Conf. on Mathematical Modeling and Computer Simulation of Materials Technologies (MMT-2004), Ariel, Israel, 2004. Р. 1_72–77.

20. 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.