Thermodynamic modeling of iron recovery processes

One of the promising directions in metallurgy is the use of iron-containing waste, such as converter production sludge, iron-containing concentrates, rolling scale, iron ore processing waste and others. Development of new resource-saving technologies using such waste requires preliminary research and accumulation of information in the field of iron recovery. The paper considers the processes of iron recovery from oxides under various conditions. The authors used the method of thermodynamic modeling based on the search for the entropy maximum. The thermodynamic modeling tool was TERRA software package created at the Bauman Moscow State Technical University. TERRA complex is designed to calculate the thermodynamic properties and composition of the phases of equilibrium state of arbitrary systems with chemical and phase transformations. Using this software package, studies of the processes of iron recovery by various reducing agents (carbon, manganese, and silicon) in model thermodynamic systems were carried out, and optimal conditions for temperature and consumption of reducing agents were determined. The paper presents the results of a study of processes in the metal-slag system in equilibrium. The analysis of the metal-slag system equilibrium state was carried out for the temperature range of 1773 - 1973 K with different amounts of slag. Boundaries of the areas of redox processes were determined and the influence of metal components on conditions for iron oxides recovery from slag to metal was evaluated. The dependences of the system equilibrium composition on temperature at different ratios of metal and slag were obtained, as well as the optimal conditions for iron recovery.

1. Люнген Х.Б., Кноп К., Стеффен Р. Современное состояние процессов прямого и жидкофазного восстановления железа // Черные металлы. 2007. № 2. С. 13-25.

2. Юсфин Ю.С., Гиммельфарб А.А., Пашков Н.Ф. Новые процессы получения металла. М.: Металлургия, 1994. 320 с.

3. Цымбал В.П., Мочалов С.П. Создание новых металлургических процессов и принципов управления на основе синергетического подхода // Известия вузов. Черная металлургия. 2012. № 2. С. 64-68.

4. Нохрина О.И., Рожихина И.Д., Дмитриенко В.И., Прошунин И.Е., Голодова М.А. Особенности применения природных и техногенных материалов для легирования и модифицирования стали // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2019. Т. 75. № 8. С. 944-955. https://doi.org/10.32339/0135-5910-2019-8-944-954

5. Роменец В.А. Процесс Ромелт. М.: МИСИС, ИД «Руда и Металлы», 2005. 400 с.

6. Кожухов А.А. Энергосберегающие технологии выплавки стали на основе вспенивания сталеплавильных шлаков. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011. 357 с.

7. Цымбал В.П., Протопопов Е.В., Рыбенко И.А., Олеников А.А., Кожемяченко В.И., Сеченов П.А. Экологически замкнутая энергометаллургическая технология переработки пылевидных железорудных и угольных отходов обогащения // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2019. Т. 75. № 4. С. 507-513. https://doi.org/10.32339/0135-5910-2019-4-507-513

8. Sakthivel R., Vasumathi N., Sahu D., Mishra B.K. Synthesis of magnetite powder from iron ore tailings // Powder Technology. 2010. Vol. 201. No. 2. Р. 187-190. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2010.03.005

9. Jiabin C., Wenlong J., Lianghui Y. Survey and evaluation of the iron tailings resources in China // Mineral Resources Development. 2010. No. 3. Р. 60-62.

10. Bates P., Muir A. HIsmelt - low cost iron making. In: Int. Conf. «Commercializing New Hot Metal Processes beyond the Blast Furnace», 2000, June 5-7. Atlanta, Georgia, USA. 2000. Р. 1-12.

11. Nokhrina O.I., Rozhikhina I.D., Khodosov I.E. Manufacturing and application of metalized ore-coal pellets in synthetic pig iron smelting // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 142. Article 12068. https://doi.org/10.1088/1757-899X/142/1/012068

12. Inada Y. Improvements in the MIDREX® direct reduction process // R&D Kobe Steel Engineering Reports. 2000. Vol. 50. No. 3. P. 86-89.

13. Mouer A., etc. Direct from MIDREX, 2nd Quarter. 2009. P. 3-9.

14. Kempken J., Kleinschmidt G., Schmale K., Thiedemann U., Gaines H.P., Kopfle J.T. Short route - long-term success, integrated mini-mill solutions by Midrex and SMS Demag // Archives of Metallurgy and Materials. 2008. Vol. 53. No. 2. P. 331-336.

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

16. Белов Г.В., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование химически реагирующих систем. М.: изд. МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2013. 96 с.

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

18. Golodova M.A., Rozhihina I.D., Nakhrina O.I., Rybenko I.A. Thermodynamic modeling of restoring items converter vanadium slag // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 150. Article 012016. https://doi.org/10.1088/1757-899X/150/1/012016

19. Рыбенко И.А., Нохрина О.И., Рожихина И.Д., Голодова М.А., Цымбал В.П. Разработка ресурсосберегающих технологий прямого легирования стали на основе методов термодинамического моделирования процессов восстановления металлов в элементарных системах // Известия вузов. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 2. С. 91-98. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-2-91-98

20. Нохрина О.И., Рожихина И.Д., Рыбенко И.А., Ходосов И.Е. Разработка основ энергоэффективных процессов металлизации с использованием термодинамического моделирования // Известия вузов. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 4. С. 237-244. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2016-4-237-244