Применение плазменно-дугового жидкофазного восстановления металлов газами для переработки комплексного сырья
Рассмотрена возможность избирательного восстановления металлов из комплексного сырья различными восстановителями. Предложена схема получения ферроникеля из побужских окисленных никелевых руд, демонстрирующая преимущества использования газообразных восстановителей....
Gespeichert in:
| Datum: | 2011 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2011
|
| Schriftenreihe: | Современная электрометаллургия |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96266 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Применение плазменно-дугового жидкофазного восстановления металлов газами для переработки комплексного сырья / Д.М. Жиров // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 3 (104). — С. 24-27. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-96266 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-962662016-03-14T03:02:05Z Применение плазменно-дугового жидкофазного восстановления металлов газами для переработки комплексного сырья Жиров, Д.М. Плазменно-дуговая технология Рассмотрена возможность избирательного восстановления металлов из комплексного сырья различными восстановителями. Предложена схема получения ферроникеля из побужских окисленных никелевых руд, демонстрирующая преимущества использования газообразных восстановителей. The feasibility of selective reduction of metals from complex raw materials by different reducing agents is considered. A diagram of producing ferronickel from Pobuzhsk oxide-bearing nickel ores, demonstrating the advantages of use of gaseous reducing agents, is offered. 2011 Article Применение плазменно-дугового жидкофазного восстановления металлов газами для переработки комплексного сырья / Д.М. Жиров // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 3 (104). — С. 24-27. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 0233-7681 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96266 669.187.58 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Плазменно-дуговая технология Плазменно-дуговая технология |
| spellingShingle |
Плазменно-дуговая технология Плазменно-дуговая технология Жиров, Д.М. Применение плазменно-дугового жидкофазного восстановления металлов газами для переработки комплексного сырья Современная электрометаллургия |
| description |
Рассмотрена возможность избирательного восстановления металлов из комплексного сырья различными восстановителями. Предложена схема получения ферроникеля из побужских окисленных никелевых руд, демонстрирующая преимущества использования газообразных восстановителей. |
| format |
Article |
| author |
Жиров, Д.М. |
| author_facet |
Жиров, Д.М. |
| author_sort |
Жиров, Д.М. |
| title |
Применение плазменно-дугового жидкофазного восстановления металлов газами для переработки комплексного сырья |
| title_short |
Применение плазменно-дугового жидкофазного восстановления металлов газами для переработки комплексного сырья |
| title_full |
Применение плазменно-дугового жидкофазного восстановления металлов газами для переработки комплексного сырья |
| title_fullStr |
Применение плазменно-дугового жидкофазного восстановления металлов газами для переработки комплексного сырья |
| title_full_unstemmed |
Применение плазменно-дугового жидкофазного восстановления металлов газами для переработки комплексного сырья |
| title_sort |
применение плазменно-дугового жидкофазного восстановления металлов газами для переработки комплексного сырья |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Плазменно-дуговая технология |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96266 |
| citation_txt |
Применение плазменно-дугового жидкофазного восстановления металлов газами для переработки комплексного сырья / Д.М. Жиров // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 3 (104). — С. 24-27. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
| series |
Современная электрометаллургия |
| work_keys_str_mv |
AT žirovdm primenenieplazmennodugovogožidkofaznogovosstanovleniâmetallovgazamidlâpererabotkikompleksnogosyrʹâ |
| first_indexed |
2025-07-07T03:27:52Z |
| last_indexed |
2025-07-07T03:27:52Z |
| _version_ |
1836957169613799424 |
| fulltext |
УДК 669.187.58
ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОГО
ЖИДКОФАЗНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
ГАЗАМИ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ КОМПЛЕКСНОГО СЫРЬЯ
Д. М. Жиров
Рассмотрена возможность избирательного восстановления металлов из комплексного сырья различными восстано-
вителями. Предложена схема получения ферроникеля из побужских окисленных никелевых руд, демонстрирующая
преимущества использования газообразных восстановителей.
The feasibility of selective reduction of metals from complex raw materials by different reducing agents is considered.
A diagram of producing ferronickel from Pobuzhsk oxide-bearing nickel ores, demonstrating the advantages of use of
gaseous reducing agents, is offered.
Ключ е вы е с л о в а : комплексное сырье; избирательное
восстановление; константа равновесия реакции; актив-
ность; ферроникель; обогащенный шлак
Эффективным способом получения металлов из ок-
сидных материалов, в том числе техногенных отхо-
дов, является их восстановление углеродом в про-
цессе плавки [1, 2]. Степень восстановления железа
достигает 97, хрома – 96, никеля – 100 %. При
этом одновременно происходит довольно полное
восстановление ряда металлов и науглероживание
продукта. Для получения из «бедного» сырья вы-
сокопроцентных ферросплавов или обогащенных
шлаков предлагается осуществлять избирательное
восстановление путем введения ограниченного ко-
личества восстановителя. Примерами могут быть
производство «богатого» ферроникеля из окислен-
ных никелевых руд [3], титанового шлака из иль-
менитового концентрата [4], передельного марган-
цевого шлака с низким содержанием фосфора [5].
Водород и монооксид углерода при высоких тем-
пературах уступают углероду по восстановительно-
му потенциалу, однако могут использоваться для
жидкофазного восстановления как железа [6, 7], так
и металлов из комплексного сырья [8, 9]. В послед-
нем случае невысокая восстановительная способ-
ность газов, по сравнению с углеродом, способству-
ет избирательному восстановлению [9].
В ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ исследуется про-
цесс плазменно-дугового жидкофазного восстанов-
ления железа газообразными восстановителями из
железорудного сырья Криворожского бассейна
[10]. В экспериментах восстановителями являются
продукты, образовавшиеся в плазме дуги в резуль-
тате пиролиза или воздушной конверсии углеводо-
родов, подаваемых в реакционное пространство в
качестве плазмообразующих газов.
В отличие от технологий, использующих в ка-
честве восстановителя углерод, в данном процессе,
кроме железа, восстановление других элементов, в
частности кремния, заметного развития не получи-
ло, также не происходило науглероживание про-
дукта. Это свидетельствует о том, что предлагаемый
процесс предоставляет возможность проводить из-
бирательное восстановление металлов из комплек-
сного сырья с получением низкоуглеродистых фер-
росплавов или обогащенных шлаков.
При температуре экспериментов около 2000 К
[10] для реакций восстановления железа из его
монооксида углеродом, водородом и монооксидом
углерода значение энергии Гиббса равняется соот-
ветственно —136,2; +13,9 и +38,5 кДж/моль [11].
В таком случае константы равновесия реакций сос-
тавляют 3500; 0,43 и 0,1. Из этого следует, что прак-
тически весь углерод, попадая в расплав, восста-
навливает железо, в то время как водород, особенно
монооксид углерода, взаимодействовуют непол-
ностью.
Основной примесью, входящей в состав железо-
рудного сырья, является кремний. Изменение
энергии Гиббса при 2000 К в случае его восстанов-
ления углеродом, водородом и монооксидом угле-
рода составляет соответственно —2,5; +33 и
+39 кДж/моль [11]. При этом константа равнове-
сия равняется 1,16; 0,14 и 0,1. Таким образом, при
содержании в расплаве значительного количества
оксида железа восстановление кремния и его пере-
ход в металл не получают заметного развития, что
подтвердилось лабораторными исследованиями [10].
© Д. М. ЖИРОВ, 2011
24
Изменение энергии Гиббса реакций восстанов-
ления никеля углеродом, водородом и монооксидом
углерода при температуре 2000 К соответствует зна-
чениям —223; —73 и —48,3 кДж/моль. При этом
константа равновесия реакций равняется 633500; 80
и 18, т. е., восстановление никеля более вероятно,
чем восстановление железа [11].
Свыше 80 % разведанных мировых запасов ни-
келя представляют собой окисленные руды [3, 12]
с его содержанием 1…2 %. Основными компонен-
тами шихты являются оксиды железа и кремния.
Извлечение никеля из такой руды осуществляют
двумя группами способов. Первая представляет со-
бой гидрометаллургическое выщелачивание при по-
мощи серной кислоты или аммиака, вторая является
металлургическими способами: электроплавка с по-
лучением штейна (75 % NiS), который затем обжи-
гают до NiО и восстанавливают до металлического
никеля, или электроплавка (иногда доменная плав-
ка) для получения ферроникеля. В последнем слу-
чае происходит карботермическое восстановление
как никеля, так и железа. Из-за высокой концент-
рации железа в руде и низкой никеля содержание
последнего в ферросплаве незначительно. При этом
расход электроэнергии на переработку 1 т руды сос-
тавляет около 0,8 или 80 МВт⋅ч на 1 т никеля в
ферросплаве при его содержании в руде примерно
1 % [3, 9, 12].
Путем уменьшения количества подаваемого вос-
становителя можно добиться уменьшения степени
перехода железа в ферросплав. При этом при пе-
реработке руды Побужских месторождений массо-
вая доля никеля увеличивается от 4,5 до 29,5 %, но
уменьшается его извлечение от 93,5 до 68,8 % [3].
Следует отметить, что после восстановления никеля
из расплава целесообразно получать стальной по-
лупродукт в отдельном агрегате. В результате со-
держание железа в остаточном шлаке снижается до
11,6 %, что находится на уровне его концентрации
в шлаке при производстве «бедного» ферроникеля
по традиционной схеме. Извлечение никеля в этом
случае осуществляется полностью.
В Институте металлургии УрО РАН установле-
но, что при продувке рудного расплава восстанови-
тельным газом можно получить металл с содержа-
нием 40…60 % никеля при степени его извлечения
около 80 % [9]. Это подтверждает большую эффек-
тивность избирательного восстановления газом, по
сравнению с углеродом.
Более детально рассмотрим возможность осу-
ществления такого процесса на примере производ-
ства ферроникеля из побужских окисленных нике-
левых руд, состав которых следующий, %: 0,86…
...0,96 Ni; 23,3…36,6 SiO2; 4,9…8,9 Al2O3;
23,3…34,5 Fe3O4; 0,91…1,44 CaO; 3,93…
...6,59 MgO; 1,28…7,16 Cr2O3; 0,017…0,076 S;
0,021…0,061 P; 0,047…0,089 Co; 4,12…7,94 H2O;
потери при прокаливании — 6,74…8,84.
Существующая схема производства ферроспла-
ва на Побужском ферроникелевом комбинате пред-
ставлена на рис. 1 [3, 12]. После сушки в трубчатой
вращающейся печи (ТВП) никелевая руда в смеси
с восстановителем и известняком поступает в ТВП
для восстановительного обжига.
Эти печи изначально отапливали мазутом, но
сейчас переведены на смесь природного и отходя-
щего из рудовосстановительной печи (РВП) газов
[13, 14]. Из ТВП горячий огарок перегружается в
РВП мощностью 50 МВт с шестью самоспекающи-
мися электродами диаметром 1,2 м.
Полученный черновой ферроникель обычно со-
держит (мас. %) до 10 Si, 3 Cr, 1,5 C, 0,4 S и 0,3 P
[3]. В ковше его очищают от серы при помощи соды,
а затем в конвертерах с кислой и основной футе-
ровкой – от различных примесей.
При высокой степени извлечения никеля также
интенсивно восстанавливается железо, из-за чего
при производстве ферросплава из собственной руды
средняя концентрация никеля в нем составляла 6 %.
Это послужило причиной перевода комбината на
импортную руду с содержанием никеля около 2 %,
благодаря чему его концентрация в ферросплаве
выросла до 20 % [13, 14].
Из-за низкого содержания оксида никеля в шла-
ке для его восстановления при производстве фер-
роникеля существенное значение имеет следующая
реакция [3]:
(NiO) + [Fe] = [Ni] + (FeO).
Таким образом, для восстановления никеля же-
лательно иметь большую активность железа в рас-
плаве. При высоких температурах эти металлы ха-
рактеризуются существованием непрерывного ряда
Рис. 1. Схема производства ферроникеля на Побужском ферроникелевом комбинате
25
твердых растворов [15], и их расплав должен быть
близок к идеальному [16]. Экспериментально по-
казано наличие отрицательного отклонения систе-
мы Fe—Ni от закона Рауля [3].
Кремний с железом образуют интерметаллидные
фазы [15], что вызывает значительные отрицатель-
ные отклонения системы Fe—Si от закона Рауля [3,
16]. Снижению активности железа в расплаве спо-
собствует также и углерод, поскольку происходит
образование карбидов [3, 16]. Использование газо-
образных восстановителей позволяет избежать су-
щественного восстановления кремния из шлака и
науглероживания металла и, следовательно, обес-
печить высокую активность железа в расплаве.
Повлиять на восстановление кремния из шлако-
вого расплава можно введением в него оксида каль-
ция, поскольку при этом образуются силикаты
кальция и, как следствие, активность оксида крем-
ния снижается, а оксида железа – повышается
[17]. Например, при использовании газообразных
восстановителей при прочих равных условиях бла-
годаря введению СаО из железорудного сырья сте-
пень извлечения железа увеличивается от 65 до 90 %,
а кремния – уменьшается от 0,12 до 0,03 % [10],
также повышается степень извлечения железа и ни-
келя из окисленной никелевой руды [8].
Избирательное восстановление газообразными
восстановителями позволяет не только получать
ферросплав с большим содержанием никеля из
«бедного» сырья, но и избегать заметного восста-
новления кремния, хрома и фосфора, в результате
чего отпадает необходимость производить рафини-
рование продукта от этих элементов (рис. 2).
Следует отметить, что основным источником се-
ры в получаемом ферроникеле является восстано-
витель (чаще всего антрацит). Очевидно, благодаря
использованию газообразного восстановителя в
предлагаемом процессе не будет происходить науг-
лероживание ферросплава, и он также будет более
чистым по содержанию серы. Так, в результате
плазменно-дугового жидкофазного восстановления
железа газами из сырья Криворожского бассейна
концентрация углерода в продукте составляла око-
ло 0,02, а серы – 0,007 мас. % [10].
В предлагаемой схеме появляется возможность
использования пылевидных шихтовых материалов
[18, 19], вследствие чего решается вопрос утили-
зации никельсодержащей пыли без ее окомкования.
Следует учесть, что из-за низкой концентрации ни-
келя в руде на эффективность использования газо-
образных восстановителей и производительность
процесса существенное влияние оказывает обеспе-
чение подвода реагентов в зону восстановления. По-
дача пылевидной шихты восстановительным газом
в зону дуги является эффективным решением этой
проблемы.
Избирательное восстановление применяется
для получения обогащенных шлаков. В Украине
имеются значительные запасы ильменитовых руд
(FeO⋅TiO2) [20]. При производстве титана или фер-
ротитана даже после обогащения в ильменитовом
концентрате содержится более 40 % оксидов железа.
Для производства титановой губки необходимо по-
лучение шлака, содержащего не менее 80 % оксидов
титана и не более 5 % оксидов железа [4, 21].
Обогащение шлака оксидами титана происходит
за счет избирательного восстановления из ильмени-
та оксидов железа в рудотермической печи. Для
этого в шихту вводят углеродсодержащий восста-
новитель, чаще всего молотый кокс.
Оксиды железа углеродом восстанавливаются
легче, чем оксиды титана, поскольку изменение
энергии Гиббса при 2000 К для восстановления ти-
тана углеродом составляет +11,8 кДж/моль [11].
При выплавке титанового шлака для предотвра-
щения перехода титана в металлическую фазу со-
держание углеродсодержащего восстановителя в
шихте выбирается несколько уменьшенное, по срав-
нению с теоретически необходимым для полного
восстановления оксидов железа.
Согласно термодинамическим данным, восста-
новление титана водородом и монооксидом углеро-
да не происходит (изменение энергии Гиббса при
2000 К соответственно +312 и +362 кДж/моль
[11]), что дает возможность осуществлять более
глубокое обогащение шлака путем восстановления
железа газами.
Особый интерес вызывает переработка комплек-
сного сырья, когда ценность представляют как обо-
гащенный шлак, так и восстановленный металл.
Примером такого сырья являются железомарганце-
вые конкреции, которые наряду с железом и мар-
ганцем содержат такие элементы как медь, никель,
кобальт и другие. Именно благодаря высокому со-
держанию примесных элементов зафиксирован за-
метный интерес к разработке этих месторождений,
находящихся на морском дне [5, 22].
По одному из вариантов переработки данного
сырья осуществляется предварительное селектив-
ное твердофазное восстановление водородом меди,
никеля и кобальта (до 90 %), частично железа
(60…70 %) при практически полном сохранении
марганца в виде оксидов.
Извлечение металлов происходит путем элект-
роплавки продукта восстановления без введения
восстановителя. В результате получается комплек-
сный сплав с суммарным содержанием меди, никеляРис. 2. Производство ферроникеля по предлагаемой схеме
26
и кобальта более 20 %, а также передельный шлак
с концентрацией марганца 34…35 %. Фосфор, по
сравнению с марганцем, является легковосстанови-
мым компонентом и практически полностью пере-
ходит в металл, его содержание в шлаке составляет
менее 0,015 % [5, 22].
Предлагаемая схема плазменно-дугового жидко-
фазного восстановления газами позволяет прово-
дить совмещенный процесс плавки железомарган-
цевых конкреций и избирательное восстановление
элементов, имеющих низкое сродство к кислороду.
Использование отходящих из плавильного прост-
ранства газов для нагрева и предварительного твер-
дофазного восстановления сырья повышает эффек-
тивность предлагаемого процесса [10].
Из-за истощения запасов полезных ископаемых
и роста потребления редких элементов следует рас-
сматривать многие полезные ископаемые Украины
как комплексные руды [20]. Восстановительная
плавка с использованием газообразных восстанови-
телей может быть эффективным средством для пе-
реработки такого сырья.
Выводы
1. Определено, что меньшая восстановительная спо-
собность монооксида углерода и водорода, по срав-
нению с углеродом, при их применении для изби-
рательного восстановления способствует получе-
нию ферросплавов и шлаков с повышенным содер-
жанием заданных элементов.
2. Установлено, что использование газообраз-
ных восстановителей позволяет получать продукт с
низкой концентрацией примесей, благодаря чему в
ряде случаев можно избежать операции рафиниро-
вания.
1. Григоренко Г. М., Костяков В. Н. Физико-химические
процессы при плазменно-дуговом переплаве оксидосодер-
жащих материалов // Актуальн. пробл. современ. мате-
риаловед. – Т.1. – Киев: Академпериодика, 2008. –
С. 379—393.
2. Ясинська О. О. Дослідження закономірностей рідкофаз-
ного відновлення металів і розробка технології виплавки
ливарних сплавів з оксидовміщуючих матеріалів: Авто-
реф. дис. … канд. техн. наук / ФТІМС НАНУ. – Київ,
2009. – 23 с.
3. Грань Н. И., Онищин Б. П., Майзель Е. И. Электро-
плавка окисленных никелевых руд. – М.: Металлургия,
1971. – 248 с.
4. О применении электрошлаковой плавки для получения фер-
росплавов и лигатур из минерального сырья / М. Л. Жад-
кевич, Ф. К. Биктагиров, В. А. Шаповалов и др. //
Соврем. электрометаллургия. – 2005. – № 1. – С. 12—16.
5. Металлургия марганца Украины / Б. Ф. Величко, В. А. Гав-
рилов, М. И. Гасик и др. – Киев: Техніка, 1996. – 472 с.
6. Безкоксова металургія заліза: Підручник / В. П. Іващен-
ко, О. Г. Величко, В. С. Терещенко, В. А. Чеченів. –
Дніпропетровськ: РВА «Дніпро-ВАЛ», 2002. – 338 с.
7. Морфологические и химические характеристики железа,
полученного плазменно-дуговым жидкофазным восстанов-
лением / Д. Е. Кирпичев, А. А. Николаев, А. В. Никола-
ев, Ю. В. Цветков // Сталь. – 2007. – № 9. – С. 41—44.
8. Влияние вида и степени офлюсования окисленной никеле-
вой руды на развитие процессов восстановления железа и
никеля / А. А. Гиммельфарб, С. Н. Дунайчук, А. В. Ре-
венко, Н. М. Медведев // Плазменные процессы в ме-
таллургии и технологии неорганических материалов: Тез.
докл. V всесоюзн. совещ. (к 85-летию академика Н. Н. Ры-
калина), г. Москва, 4—6 окт. 1988 г. – М.: Черметин-
формация, 1988. – Ч. 1. – 171 с.
9. О новых решениях в переработке комплексного сырья
черной металлургии / Л. И. Леонтьев, С. К. Носов,
А. А. Карпов и др. // Сталь. – 2003. – № 11. –
С. 19—21.
10. Жиров Д. М. Особливості процесу плазмово-дугового
рідкофазного відновлення заліза газами: Автореф. дис. …
канд. техн. наук / ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАНУ. – Київ,
2011. – 21 с.
11. Григорян В. А., Белянчиков Л. Н., Стомахин А. Я. Тео-
ретические основы электросталеплавильных процессов. –
М.: Металлургия, 1987. – 272 с.
12. Гасик М. И., Лякишев Н. П., Емлин Б. И. Теория и тех-
нология производства ферросплавов: Учебник для ву-
зов. – М.: Металлургия, 1988. – 784 с.
13. http://www.rada.com.ua/rus/catalog/14362/.
14. http://krashiy.com/rus/nominations2008/?nid=40&id=1
4362&pid=1008&sd=.
15. Диаграммы состояния двойных металлических систем:
Справочник. В 3 т. Т.2 / Под ред. Н. П. Лякишева. –
М.: Машиностроение, 1997. – 1024 с.
16. Меджибожский М. Я. Основы термодинамики и кинетики
сталеплавильных процессов. – Киев, Донецк: Вища шк.,
1986. – 280 с.
17. Эллиот Д. Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия
сталеплавильных процессов. – М.: Металлургия, 1969. –
252 с.
18. Исследование основных технико-экономических показате-
лей производства марганцевых сплавов с применением
плазменного нагрева / К. И. Лежава, В. В. Асланикаш-
вили, В. Т. Ахобадзе и др. // Пробл. спец. электроме-
таллургии. – 2000. – № 4. – С. 38—44.
19. Исследование плазменных процессов переработки отходов
и углеродотермического восстановления высокоуглеродис-
того феррохрома / О. С. Забарило, А. А. Ждановский,
Г. А. Мельник и др. // Там же. – 1998. – № 4. –
С. 38—48.
20. Кулиш Е. А., Комов И. Л., Покалюк В. В. Месторожде-
ния руд металлов и их комплексное использование. –
Киев: Ин-т геохимии окружающей среды, 2008. – 275 с.
21. Металлургия титана / В. А. Гармата, Б. С. Гуляницкий,
В. Ю. Крамник и др. – М.: Металлургия, 1967. – 643 с.
22. Гасик М. И. Железомарганцевые конкреции мирового
океана: юрисдикция, геология, геохимия, металлур-
гия // Геология и полезные ископаемые мирового океа-
на. – 2005. – № 1. – С. 34—50.
Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины
Поступила 30.06.2011
27
|