Исследование процесса восстановления желез из концентратов гидрометаллургического обогащения

Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов твердофазного восстановления железа из железосодержащего концентрата, полученного в результате гидрометаллургического обогащения железомарганцевых и полиметаллических марганецсодержащих руд, углями марок Д (длиннопламенный) и 2Б (бурый). Методом термодинамического моделирования с использованием программного комплекса «Терра» проведено исследование восстановительных свойств углей путем расчетов равновесных составов в диапазоне температур 373 - 1873 К. Получены зависимости составов и объема газовой фазы, образующейся в результате выделения летучих компонентов в процессе нагрева, от температуры для углей рассматриваемых марок. В результате термодинамического моделирования определены оптимальные температуры и расходы углей, обеспечивающие полное восстановление железа из железосодержащего концентрата. Результаты экспериментальных исследований были получены с использованием современных методов исследований с применением лабораторного и аналитического оборудования, а также методов статистической обработки результатов. Результаты анализа углей, проведенного с помощью термического анализатора Setaram LabSys Evo, показали, что процесс термического разложения углей исследуемых марок протекает согласно общим закономерностям. Процесс термического разложения длиннопламенного угля протекает менее интенсивно, чем бурого. Результаты экспериментального изучения процессов термического разложения восстановителей показали, что объемы газовых фаз, образующихся при нагреве углей до температуры 1173 К в атмосфере аргона, практически совпадают с расчетными значениями. В результате термодинамического моделирования и экспериментального изучения процесса восстановления железа из железного концентрата определены оптимальные расходы углей марок Д и 2Б при температуре 1473 К. Наилучшим восстановителем с минимальным удельным расходом является уголь длиннопламенный марки Д. При определении оптимального количества восстановителя в шихтовых смесях при изучении процессов металлизации установлено, что при избытке восстановителя можно достичь практически полного извлечения (98 - 99 %) железа из концентрата.

1. Рудыка В.В. Перспективы технологии прямого восстановления железа в металлургическом производстве // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2017. № 10. С. 14-23.

2. Rutherford S.D., Kopfle J.T. Mesabi nugget: World's first commercial ITmk3® plant // AISTech - Iron and Steel Technology Conference Proceedings. 2009. Vol. 1. P. 177-185.

3. Seki K., Tanaka H. Changes in Paradigm - Development of Iron & Steel Industry by Applying Coal Based DR Processes: Fastmelt® & ITmk3®. Kobe Steel Ltd, Tokyo. 2008. 37 p.

4. Nagano K.I. The current status and future of iron ore and coal resources for Japanese steel mills // Tetsu-to-Hagane. 2004. Vol. 90. No. 2. P. 51-60. https://doi.org/10.2355/tetsutohagane1955.90.2_51

5. Zhang Y.Y., Qi Y.H., Zou Z.S., Li Y.G. Development prospect of rotary hearth furnace process in China // Advanced Materials Research. 2013. Vol. 746. P. 533-538. http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.746.533

6. Wiesinger H., Eberle A., Siuka D., Freydorfer H., Bohm C. Status, realized improvements and future potentials of the Corex technology // Stahl und Eisen. 2002. Vol. 122. No. 6. P. 23-28.

7. Nobuhiko T. Development of iron-making technology // Nippon Steel Technical Report . 2012. No. 101. P. 79-88.

8. Kirschen M., Badr K., Pfeifer H. Influence of direct reduced iron on the energy balance of the electric arc furnace in steel industry // Energy. 2011. Vol. 36. No. 10. P. 6146-6155. http://doi.org/10.1016/j.energy.2011.07.050

9. Tanaka H., Miyagawa K., Harada T. Fastmet, Fastmelt, and ITmk3: Development of new coal-based ironmaking processes // Direct from Midrex. 2007/2008. Р. 8-13.

10. Никитченко Т.В., Тимофеева А.С. Производство железа прямого восстановления // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2014. № 3. С. 46-50.

11. Hryha E., Dudrova E. The sintering behaviour of Fe-Mn-C powder system, correlation between thermodynamics and sintering process, Mn distribution and microstructure // Materials Science Forum. 2007. Vol. 534-536. Part 1. P. 761-764. https://doi.org/10.4028/0-87849-419-7.761

12. Sheshukov О., Mikheenkov М., Vedmid L., Nekrasov I., Egiazaryan D. Mechanism of ion-diffusion solid-phase reduction of iron oxides of technogenic origin in the presence of the liquid phase and without it // Metals. 2020. Vol. 10. No. 12. P. 1-12. https://doi.org/10.3390/met10121564

13. Нохрина О.И., Рожихина И.Д., Рыбенко И.А., Ходосов И.Е. Разработка основ энергоэффективных процессов металлизации с использованием теродинамического моделирования // Известия вузов. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 4. С. 237-244.

14. Нохрина О.И., Рожихина И.Д., Голодова М.А., Израильский А.О. Изучение возможности обогащения железомарганцевых руд Кузбасса // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2020. Т. 76. № 9. С. 904-909.

15. Ватолин Н.А., Трусов Б.Г., Моисеев Г.К. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах. М.: Металлургия, 1994. 352 с.

16. Трусов Б.Г. Программная система ТЕРРА для моделирования фазовых и химических равновесий при высоких температурах. В кн.: III Международный симпозиум «Горение и плазмохимия». 24 - 26 августа 2005. Алматы, Казахстан. Алматы: Казак университету 2005. С. 52-57.

17. Рыбенко И.А., Нохрина О.И., Рожихина И.Д., Голодова М.А. Моделирование и оптимизация условий и режимов процессов прямого восстановления металлов. Новокузнецк: ИЦ СибГИУ, 2019. 182 с.

18. Ходосов И.Е., Нохрина О.И., Рожихина И.Д., Рыбенко И.А. Моделирование твердофазного восстановления железа каменными углями. В кн.: Современные проблемы электрометаллургии стали. Мат. XVI междунар. конф. в 2-х ч. Магнитогорск: изд. Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), 2015. С. 210-214.

19. Юсфин Ю.С., Пашков Н.Ф. Металлургия железа. М:. Металлургия, 2007. 464 с.