Моделирование совместного восстановления железа и цветных металлов (никеля, меди, свинца и цинка) из оксидных расплавов конвертированным метаном

Цель – оценка возможности использования метана различных методов конверсии (СО₂, Н₂О, О₂) для совместного восстановления железа и цветных металлов (никеля, меди, свинца и цинка) из оксидных расплавов B₂O₃-CaO-Fe₂O₃-МеО в интервале температур 1273–1673 К. Для термодинамического моделирования применена методика, позволяющая оценить изменения в составах фаз в зависимости от количества введенного восстановителя, и отличающаяся от известных проведением последовательных расчетных циклов с выводом из состава рабочего тела образовавшихся газов и металлической фазы. Установлено, что, независимо от состава газа, процесс протекает в несколько этапов. При совместном восстановлении железа и никеля (свинца или цинка) на первом этапе происходит восстановление Fe₂O₃ до Fe₃O₄ и FeO. Содержание Fe₂O₃ уменьшается, а содержания FeO и Fe₃O₄ увеличиваются (к концу содержание последнего достигает максимального значения). На втором этапе имеет место переход Fe₃O₄ → FeO, когда значения содержания Fe₂O₃ и Fe₃O₄ снижаются до следов, на третьем этапе появляется металлическая фаза. При совместном восстановлении железа и меди по изменению величин содержаний оксидов железа процесс можно разделить на три этапа, а по содержаниям CuO и Cu₂O – на два. По железу первый этап заканчивается в момент достижения максимального значения содержания магнетита, второй – при появлении металлической фазы. По меди первый этап включает переход CuO в Cu₂O и достижение максимального значения содержания Cu₂O, а второй – восстановление меди из Сu₂O. Показано, что наиболее эффективным восстановителем является газ с повышенной долей водорода, соответствующий паровой конверсии метана. Полученные результаты позволяют прогнозировать показатели процесса восстановления металлов в ходе барботажа оксидных систем продуктами конверсии метана и будут полезны для создания технологий селективного восстановления металлов.

1. Серегин П.С., Попов В.А., Цемехман Л.Ш. Новые методы переработки материалов, содержащих цинк, олово и свинец // Цветные металлы. 2010. № 10. С. 27–33.

2. Диханбаев Б.И., Диханбаев А.Б. Разработка энергосберегающего способа для переработки техногенных отходов // Комплексное использование минерального сырья. 2019. № 4. С. 82–92. https://doi.org/10.31643/2019/6445.41

3. Вусихис А.С., Селиванов Е.Н., Тюшняков С.Н., Ченцов В.П. Моделирование восстановления металлов из расплавов B2O3-CaO-Fe2O3-ZnО смесями СО-СО2 // Бутлеровские сообщения. 2020. Т. 62. № 4. С. 94–98.

4. 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 // The Third International Conference on Mathematical Modeling and Computer Simulation of Materials Technologies MMT-2004 (Ariel, 4–9 September 2004). Р. 1-72–1-77.

5. Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Селиванов Е.Н., Ченцов В.П. Mоделирование процесса газового восстановления металлов из многокомпонентного оксидного расплава в барботируемом слое // Бутлеровские сообщения. 2018. Т. 55. № 7. С. 58–63.

6. Федоров А.Н., Малевский А.А, Иденбаум Г.В., Гладюк Е.В. Поведение цветных металлов при восстановлении глубоко окисленных шлаков // Цветные металлы. 1995. № 11. С. 7–10.

7. Комков А.А., Камкин Р.И., Кузнецов А.В., Каряев В.И. Особенности извлечения меди из шлаков при восстановлении в условиях барботажа // Цветные металлы. 2018. № 11. С. 21–26. https://doi.org/10.17580/tsm.2018.11.03

8. Старых Р.В., Пахомов Р.А. Особенности плавки окисленных никелевых руд в агрегате барботажного типа. II. Экспериментальные исследования // Металлы. 2016. № 4. С. 10–14.

9. Фиалков А.С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. М.: Аспект-пресс, 1997. 718 с.

10. Петин С.Н., Бурмакина А.В., Кирюшина К.С. Новые энергоэффективные способы производства водорода для генерации электрической и тепловой энергии // Энергетика теплотехнологии. 2018. № 1. С. 2–4.

11. Арутюнов В.С., Крылов О.В. Окислительная конверсия метана // Успехи химии. 2005. Т. 74. Вып. 12. С. 1216–1245. https://doi.org/10.1070/RC2005v074n12ABEH001199

12. Арутюнов В.С. Окислительная конверсия природного газа. М.: Красанд, 2011. 590 с.

13. Бондаренко Б.И., Шаповалов В.А., Гармаш Н.И. Технология и теория бескоксовой металлургии. Киев: Наукова думка, 2003. 536 с.

14. Астановский Д.Л., Астановский Л.З., Кустов П.В. Высокоэффективный способ получения синтез-газа // Нефтепереработка и нефтехимия. Научнотехнические достижения и передовой опыт. 2017. № 12. С. 29–35.

15. Потемкин Д.И., Усков С.И., Горлова А.М., Кириллов В.А., Шигаров А.Б., Брайко А.С. [и др.]. Низкотемпературная паровая конверсия природного газа в метано-водородные смеси // Катализ в промышленности. 2020. Т. 20. № 3. С. 184–189. https://doi.org/10.18412/1816-0387-2020-3-184-189

16. Пугачева А.А., Разина Г.Н. Плазмохимическая переработка углеродсодержащих соединений // Успехи в химии и химической технологии. 2008. Т. 22. № 6. С. 65–70.

17. Пушкарев А.И., Сазонов Р.В., Чжу Ай-Мин, Ли Хиао-Сонг. Конверсия метана в низкотемпературной плазме // Химия высоких энергий. 2009. Т. 43. № 3. С. 202–208.

18. Рутберг Ф.Г., Братцев А.Н., Кузнецов В.А., Наконечный Г.В., Никонов А.В., Попов В.Е. [и др.] Получение синтез-газа конверсией метана в плазме водяного пара и диоксида углерода // Письма в журнал технической физики. 2014. Вып. 17. С. 1–10.

19. Шарафутдинов З.Г., Константинов В.О., Федосеев В.И., Щукин В.Г. Конверсия природного и попутного нефтяного газов в холодной электронно-пучковой плазме // Прикладная физика. 2017. № 2. С. 13–18.

20. Морозов А.Н. Современное производство стали в дуговых печах. Челябинск: Металлургия, 1987. 175 с.

21. Дюдкин Д.А., Кисленко В.В. Производство стали. Т. 1. Процессы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки. М.: Теплотехник, 2008. 528 с.

22. Dmitriev A.N., Vusikhis A.S., Sitnikov V.A., Leontiev L.I., Kudinov D.Z. Thermodynamic modeling of iron oxide reduction by hydrogen from the B2O3–CaO– FeO melt in bubbled layer // Israel Journal of Chemistry. 2007. Vol. 47. Issue 3-4. P. 299–302. https://doi.org/10.1560/IJC.47.3-4.299

23. Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Кудинов Д.З., Селиванов Е.Н. Термодинамическое моделирование восстановления никеля и железа из многокомпонентного силикатного расплава в процессе барботажа. Сообщение 1. Восстановитель – смесь СО-СО2 // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2018. Т. 61. № 9. С. 731–736. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-9-731-736

24. Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Кудинов Д.З., Селиванов Е.Н. Термодинамическое моделирование восстановления никеля и железа из многокомпонентного силикатного расплава в процессе барботажа. Сообщение 2. Восстановитель – смесь Н2-Н2О // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2018. Т. 61. № 10. С. 794–799. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-10-794-799