Термодинамическое моделирование восстановления металлов в медеплавильных шлаках и экспериментальная проверка результатов

В отвалах медеплавильных предприятий Российской Федерации накоплено свыше 110 млн т шлака и их количество продолжает увеличиваться. Экологические налоги и затраты на содержание отвалов требуют значительных расходов, что делает необходимым возможно более полную утилизацию этих отходов производства. В то же время в этих шлаках содержатся ценные элементы, в частности, железо, медь, цинк, селен, мышьяк и некоторые другие, извлечение которых может сделать утилизацию шлаков рентабельной. В работе приведены результаты термодинамического расчета поведения элементов медеплавильного шлака в смеси с углеродом при нагреве. Моделирование выполнено с использованием программного комплекса ТЕРРА. Проанализировано влияние температуры процесса в интервале 600  –  1750  °С на восстановление железа, цинка и кремния при количестве в системе углерода, соответствующем стехиометрии реакций восстановления железа и превышающем стехиометрическое. Установлено, что при нагреве выше 650  °С в системе появляется металлическое железо, а  его полное восстановление завершается при 1250 °С. Появление металлического цинка наблюдается в двух температурных интервалах: в первом наблюдается появление цинка с одновременным понижением концентрации оксида цинка, во втором – повышение концентрации металлического цинка при одновременном понижении концентрации сульфида цинка. При температуре выше 1650  °С в системе появляется кремний. В лабораторных условиях опробованы процессы твердофазного восстановления железа с улавливанием оксида цинка и разделением продуктов восстановления. Установлено, что в результате пирометаллургического разделения плавлением продуктов восстановления могут быть получены сплавы железа с углеродом (сталь и чугун) и сплавы с повышенным содержанием кремния. Полученные результаты могут быть использованы при разработке теоретических и технологических основ переработки медеплавильных шлаков, которые существующими технологиями не перерабатываются.

1. Санакулов К.С., Хасанов А.С. Переработка шлаков медного производства. Ташкент: Фан, 2007. 238 с.

2. Сабанова М.Н., Орехова Н.Н. Перспективы применения флотации для переработки экологически опасных лежалых шлаков медной плавки // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 2. С. 336–343.

3. Сабанова М.Н. Интенсификация процесса флотации медного шлака в условиях водооборота: автореф. дис.... канд. техн. наук. М.: 2016. 23 с.

4. Лыкасов А.А. Металлургия цветных металлов. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2017. 197 с.

5. ICSG, 2015: The World Copper Factbook 2015. International Copper Study Group. Lisbon-Portugal, 2015. 64 p.

6. Kho T.S., Swinbourne D.R., Lehner T. Cobalt distribution during copper matte smelting // Metallurgical and Materials Transactions B. 2006. Vol. 37. No. 2. P. 209–214. https://doi.org/10.1007/BF02693150

7. Chen C., Zhang L., Jahanshahi S. Thermodynamic modeling of arsenic in copper smelting processes // Metallurgical and Materials Transactions B. 2010. Vol. 41. No. 6. P. 1175–1185. https://doi.org/10.1007/s11663-010-9431-z

8. Bhavin Desaia, Vilas Tathavadkara, Somnath Basub, Kaushik Vakil. Behavior of selenium in copper smelting slag. In: Advances in Molten Slags, Fluxes, and Salts: Proceedings of the 10th Int. Conf. on Molten Slags, Fluxes and Salts. 2016. P. 677–685.

9. Nadirov R., Syzdykova L., Zhussupova A. Copper smelter slag treatment by ammonia solution: Leaching process optimization // Journal of Central South University. 2017. Vol. 24. No. 12. P. 2799–2804. https://doi.org/10.1007/s11771-017-3694-3

10. Sukla L.B., Kar R.N., Panchanadikar V. Leaching of copper converter slag with Aspergillus niger culture filtrate // Biometals. 1992. Vol. 5. No. 3. P. 169–172. https://doi.org/10.1007/BF01061324

11. Muravyov M.I., Fomchenko N.V. Leaching of nonferrous metals from copper converter slag with application of acidophilic microorganisms // Applied Biochemistry and Microbiology. 2013. Vol. 49. No. 6. P. 562–569. https://doi.org/10.1134/S0003683813060136

12. Prince S., Young J., Ma G., Young C. Characterization and recovery of valuables from waste copper smelting slag. In: Advances in Molten Slags, Fluxes, and Salts: Proceedings of the 10th Int. Conf. on Molten Slags, Fluxes and Salts. 2016. P. 889–898.

13. Sun S., Li H., Fan J., Li C., Liu Q. Recovery of cobalt from copper converter slag by reduction-sulfurization smelting at high temperature. In: 8th Int. Symp. on High-Temperature Metallurgical Processing. 2017. P. 459–468.

14. Gonzalez C., Parra R., Klenovcanova A., Imris I., Sanchez M. Reduction of Chilean copper slags: a case of waste management pro­ject // Scandinavian Journal of Metallurgy. 2005. Vol. 34. No. 2. P. 143–149. https://doi.org/10.1111/j.1600-0692.2005.00740.x

15. Li K.Q., Ping S., Wang H.Y., Ni W. Recovery of iron from copper slag by deep reduction and magnetic beneficiation // International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 2013. Vol. 20. No. 11. P. 1035–1041. https://doi.org/10.1007/s12613-013-0831-3

16. Рощин В.Е., Потапов К.О. Селективное восстановление и пирометаллургическое извлечение железа из шламов медеплавильного производства // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2014. № 3 (14). С. 25–29.

17. Пат. 2460813 РФ. Способ селективного извлечения металлов из комплексных руд / Рощин В.Е., Рощин А.В., Рощин Е.В.; опубл. 10.09.2012. Бюл. № 25.

18. Пат. 2507277 РФ. Способ селективного извлечения металлов из комплексных руд, образованных твердыми оксидными растворами или оксидными химическими соединениями / Рощин В.Е., Рощин А.В.; опубл. 20.02.2014. Бюл. № 5.

19. Косдаулетов Н., Рощин В.Е. Определение условий селективного восстановления железа из железомарганцевой руды // Известия вузов. Черная Металлургия. 2020. Т. 63. № 11-12. С. 952–959. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-11-12-952-959

20. Kelamanov B., Samuratov Ye., Akuov A., Sariev O., Tastanova L., Abdirashit A. Thermodynamic-diagram analysis of Fe–Ni–C–O system // Metalurgija. 2022. Vol. 61. No. 1. P. 261–264.

21. Makhambetov Y., Timirbayeva N., Baisanov S., Baisanov A., Shabanov E. Thermodynamic modeling of phase composition for Fe–Ca–Si–Al system // Metalurgija. 2021. Vol. 60. No. 1-2. P. 117–120.

22. O’neill H.St.C. Quartz-fayalite-iron and quartz-fayalite-magnetite equilibria and the free energy of formation of fayalite and magnetite // American Mineralogist. 1987. Vol. 72. No. 1-2.

23. P. 67–75.

24. Салихов С.П., Сулеймен Б., Рощин В.Е. Селективное восстановление железа и фосфора из оолитовых руд // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 7. С. 560–567. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-7-560-567