КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 23-29-10119
НазваниеСелективное восстановление металлов водородом из ильменит-титаномагнетитовой руды Медведевского месторождения
Руководитель Гамов Павел Александрович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" , Челябинская обл
Конкурс №76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-207 - Термодинамические процессы в технических системах
Ключевые слова ильменит, титаномагнетит, водородные технологии, первородное железо, высокотитанистый шлак, газовое восстановление, экология, рациональное природопользование, сокращение выбросов СО2.
Код ГРНТИ53.31.17
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
На сегодняшний день научным сообществом металлургической промышленности на международных и российских научных конференциях и конгрессах обсуждается возможность перехода промышленности на водородные технологии. Этот переход потребует коренного изменения сложившихся технологических процессов в такой капиталоёмкой отрасли, какой является металлургия, разработки и огромных экономических затрат на изготовление принципиально новых агрегатов и оборудования, подготовку специалистов, способных разрабатывать и осваивать новые технологические процессы. Исторически сложившаяся технология извлечения железа из руд основывалась на использовании углерода в качестве восстановителя в металлургических агрегатах. В текущих реалиях переход на использование другого восстановителя - водорода не позволит заменить углерод как восстановитель ввиду отсутствия технологий, позволяющих удовлетворить потребность российского и мирового рынка в качественном металле. Однако, в ближайшей перспективе возможно организовать переработку комплексных руд, например ильменит-титаномагнетитовых, которые в настоящий момент находятся в резерве ввиду отсутствия технологий позволяющих извлекать все ценные элементы железо, ванадий и титан. Восстановление металлов водородсодержащими газами помимо я снижения экологической нагрузки и сокращения выбросов СО2 в атмосферу, имеет ряд преимуществ: возможность восстанавливать металлы без растворения в них углерода, возможность селективного восстановления металлов, что позволит извлекать необходимые элементы из руды при этом не извлекая вредные примеси, за счет различия термодинамических температур начала восстановления и кинетики протекания химических реакций, восстановление металлов без образования карбидов, что является актуальной темой для извлечения карбидообразующих элементов, в частности титана.
Используя преимущества водородных технологий при переработке ильменит-титаномагнетитовой руды Медведевского месторождения возможно селективно извлекать железо и ванадий, при этом получая побочный продукт, титанатный шлак, который является готовым сырьем для производства пигментного диоксида титана.
Процесс восстановления металлов водородсодержащими газами из богатых руд, как перспектива замены углерода изучался в работах [1-8], однако процессы восстановления металлов водородом из комплексных руд мало изучены и для внедрения новых технологий переработки необходимо проведение серьезных научных исследований в области исследований механизма восстановления, селективного извлечения элементов и кинетики протекания реакции восстановления.
Источники
[1]. Naseri Seftejani, Masab, and Johannes Schenk. "Thermodynamic of liquid iron ore reduction by hydrogen thermal plasma." Metals 8, no. 12 (2018): 1051.
[2]. Spreitzer, Daniel, and Johannes Schenk. "Reduction of Iron Oxides with Hydrogen—A Review." steel research international 90, no. 10 (2019): 1900108.
[3]. St. John, D.H. and Hayes, P.C., Microstructural Features Produced by the Reduction of Wüstite in H2/H2O Gas Mixtures. Metallurgical Transactions B, 1982, 13(1): p. 117-124.
[4]. Matthew, S.P., Cho, T.R. and Hayes, P.C., Mechanisms of Porous Iron Growth on Wüstite and Magnetite During Gaseous Reduction. Metallurgical Transactions B, 1990, 21(4): p. 733-741.
[5]. Matthew, S.P. and Hayes, P.C., Microstructural Changes Occurring During the Gaseous Reduction of Magnetite. Metallurgical Transactions B, 1990, 21(1): p. 153-172.
[6]. Matthew, S.P. and Hayes, P.C., In Situ Observations of the Gaseous Reduction of Magnetite. Metallurgical Transactions B, 1990. 21(1): p. 141-151.
[7]. Farren, M., Matthew, S.P. and Hayes, P.C., Reduction of Solid Wüstite in H2/H2O/CO/CO2 gas mixtures. Metallurgical Transactions B, 1990, 21(1): p. 135-139.
[8]. Chen, J., E. Jak, and P. C. Hayes. "Investigation of the reduction roasting of saprolite ores in the Caron process: effect of sulphur addition." Mineral Processing and Extractive Metallurgy (2020): 1-10.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Смирнов К.И. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ВОДОРОДОМ ИЗ ИЛЬМЕНИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ. Бюллетень научно-технической и экономической информации (год публикации - 2024)
2. Смирнов К.И., Гамов П.А., Самолин В.С., Рощин В.Е. СЕЛЕКТИВНОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА ИЗ ИЛЬМЕНИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА Черные металлы (год публикации - 2024)
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Ильменит-титаномагнетитовая руда Медведевского месторождения представляет собой оксидный материал, включающий рудные зерна титаномагнетита и ильменита, а также пустую породу в виде силикатных минералов клино– и орто-пироксенов. Рудные минералы титаномагнетит и ильменит являются ценным сырьем для извлечения железа, титана и ванадия.
Результаты восстановительного обжига концентрата говорят о возможности селективного (избирательного) восстановления металлов из руды, что позволяет управлять переходом ценных компонентов между металлической и оксидной фазами. Железо, как наиболее легковосстановимый элемент переходит в металлическую фазу на всем интервале исследуемых температур от 600 до 1100 градусов, а длительность изотермической выдержки влияет на полноту протекания восстановления железа. Ванадий в зависимости от его нахождения в рудном минерале (титаномагнетите или ильмените) переходит в металлическую фазу при различных условиях. В металлической фазе зерна ильменита ванадий наблюдается при температуре 1000 градусов и выше, а в зерне титаномагнетита при температуре 900 градусов и выше. В интервале исследуемых температур восстановительного обжига титан из рудных минералов до металла водородом не восстанавливается. Его восстановление ограничивается образованием низшего оксида - аносовита (Ti3O5), при температуре 1100 градусов по цельсию.
Восстановление железа из зерна титаномагнетита сопровождается образованием промежуточной фазы - вюстита. При этом совместно с восстановлением железа до вюстита происходит выделение фазы диоксида титана, что связанно с меньшей растворимостью титана в вюстите по сравнению с магнетитом. Восстановление железа из ильменита протекает без образования промежуточных фаз с выделением железа и диоксида титана.
Полученные кривые потери массы при восстановительном обжиге для общего концентрата минералов ильменита и титаномагнетита с использованием водорода в качестве восстановителя при температурах изотермического обжига 600-1100 градусов по цельсию и выдержке 1, 3, 5, 10, 15, 30, 60 и 120 минут, показали, что температура определяет возможность восстановления разных металлов (железа, ванадия, титана), а выдержка в изотермических условиях влияет на полноту протекания реакции восстановления. Наиболее интенсивно уменьшение массы идет в начале выдержки, что связанно с протеканием восстановительных процессов на открытой поверхности рудного зерна. Медленнее процесс идет внутри рудного зерна, что является лимитирующей стадией процесса восстановления. Наличие связующего (жидкого стекла или бентонита) несущественно снизило скорость протекания реакции восстановления, а также не привело к взаимодействию вяжущих веществ с рудными зернами концентрата.
В результате проведения разделительных плавок были получены образцы металла и шлака. Показано, что при разделении продуктов восстановительного обжига, полученных при температуре 800 градусов по цельсию получается чистый металл, а при температуре 900 градусов в металле обнаруживается ванадий. Полученные шлаки содержат диоксид титан 59,4 масс. % и пентаоксид ванадия 4,9 масс. % при проведении плавки в корундовом тигле, и 75,1 масс. % 3,5 масс. % при проведении плавки в графитовом тигле.
Полученные результаты в рамках реализации проекта позволят в дальнейшем развивать технологию переработки титаномагнетитовой руды Медведевского месторождения с использованием водорода в качестве восстановителя. Из полученных результатов видно, что восстановление железа из рудных минералов (ильменита и титаномагнетита) протекают при относительно низких температурах для существующих и разрабатываемых технологических процессов подобных руд карботермическим способом. Используемые для брикетирования бентонит и жидкое стекло незначительно влияют на скорость реакции восстановления, однако их использование в дальнейшем может повлиять на содержание диоксида титана в шлаке после разделительной плавки. Использование связующих целесообразно для осуществления технологических процессов, где одним из важных показателей является прочность брикета, например в шахтных агрегатах. Рудные минералы ильменит и титаномагнетит имеют различные физико-химические характеристики при протекании восстановительных процессов. Для восстановления элементов железа и ванадия из ильменита требуются более высокие температуры по сравнению с титаномагнетитом. В следствии этого, целесообразно выделение из руды двух концентратов: титаномагнетитового и ильменитового. И для каждого из них использовать отдельные технологические режимы переработки. Как показано в результатах анализа, ванадий возможно восстанавливать водородом при более высоких температурах 900 и выше для титаномагнетита, и 1000 и выше для ильменита. В зависимости от цели переработки возможно оставлять ванадий в оксидной фазе, или извлекать его в металлическую фазу. При переводе ванадия в металлическую фазу его можно извлекать по стандартной технологии методом продувки кислородом и получения ванадиевого шлака. При сохранении ванадия в шлаке возможно его извлечение при переработке шлака по хлоридной технологии на этапе отчистки в ректификационных колонах, что по мнению коллектива данного проекта позволит повысить удельное извлечение ванадия. Получение более высокого содержания диоксида титана и ванадия возможно при работе с более качественными концентратами, полученными на специализированном оборудовании и плавке в гарнисаже из диоксида титана на водоохлаждающем контуре.
Публикации
1. Смирнов К.И., Гамов П.А., Рощин В.Е. ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ ИЛЬМЕНИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЯГКОГО ЖЕЛЕЗА И КОНЦЕНТРАТА ДИОКСИДА ТИТАНА CIS Iron and Steel Review (год публикации - 2025)
2. Термодинамический анализ условий разделения железа и титана в ильменитовом концентрате селективным восстановлением элементов Термодинамический анализ условий разделения железа и титана в ильменитовом концентрате селективным восстановлением элементов Научно-технический и научно-производственный журнал "Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия" (год публикации - 2025)