CC BY
161
УДК 669.53:168.3
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОНИКЕЛЯ ИЗ ОКИСЛЕННЫХ НИКЕЛЕВЫХ РУД КАЗАХСТАНА
А.С. Колесников
Приведены термодинамические исследования системы «никельсодержащая руда - углерод» с целью получения ферроникеля из оксидных руд Казахстана, в частности руд месторождения «Бугетколь». Теоретические исследования системы методом термодинамического моделирования осуществляли в интервале температур 1000-1700 К и давлении Р = 0,1 МПа. Для количественного термодинамического моделирования процессов извлечения металлов, в частности железа, никеля и кобальта был использован программный комплекс «Астра-4», основанный на принципе максимума энтропии. Проведенные исследования представлены степенью перехода никеля в №* 100 % в температурном интервале 1000-1300 К и степенью перехода кобальта в Со^ 100 % в температурном интервале 1000-1300 К.
Ключевые слова: окисленные никелевые руды, ферроникель, металлы, никель, кобальт, термодинамический анализ.
На оксидных месторождениях сосредоточено 72 % мировых запасов никеля, однако в настоящее время только 42 % металла получают из латерит-ных руд (на начало 2005 г.). Дело в том, что сульфидные залежи богаче по содержанию никеля и меди, кроме того, в этих рудах присутствует больше редких и благородных металлов, которые извлекаются попутно. Эти попутные продукты часто делают больший вклад в доходы производителя, чем целевой никель. Однако сульфидные руды есть только в Канаде и России [1].
Общие запасы никеля в мире оцениваются Геологической службой США в 160 млн т (на конец 2002 г.). Уникальными месторождениями (более 20 млн т) обладают Австралия (25 млн т) и Куба (23 млн т), очень крупными (10-15 млн т) -Новая Каледония и Канада (15 млн т), Индонезия (13 млн т), ЮАР (12 млн т), Филиппины (11 млн т) [1].
Мировые подтвержденные запасы никеля составляли на начало 2003 г. 58 млн т. Крупнейшие запасы находятся в Австралии (20 млн т), затем идут Россия и Канада (по 6,6 млн т), Куба (5,6 млн т), Новая Каледония (4,5 млн т), Китай (3,7 млн т), Индонезия (3,2 млн т), ЮАР (2,5 млн т) [1].
Кроме того, в железо-марганцевых конкрециях на дне Мирового океана ресурсы никеля оценивают в 1 млрд т при среднем содержании 1,3 % никеля.
Республика Казахстан располагает значительными запасами никелевых руд.
К настоящему времени в Республике Казахстан обнаружено около 40 месторождений силикатных оксидных никелевых руд, представляющих промышленный интерес.
Руды содержат в среднем 1,4 % никеля, а в отдельных участках - до 1,5-3,0 %. Чаще всего месторождения состоят из цепочек рудных залежей, разобщенных участками пустых пород. Размеры залежей различают: минимальные - при
длине 220-360 м и ширине 50-140 м и максимальные - при длине 1500-2000 м и ширине 320-700 м. Добыча ведется дешевым открытым способом, но при этом из карьеров вынимают много пустой породы.
В настоящее время разрабатываются месторождения Кимперсайского рудного района, Ново-Бурановское, Тайкеткенское, Батамшинское, Ново-Батамшинское, Промежуточное, Чугаевское и Октябрьское. Представлены к добыче Бурановское, Рождественское, Ново-Саздыкское, Щербаковское, Старо-Тайкетенское, Каменный Кобчик.
В настоящее время в мировой практике перерабатываются руды, как правило, содержащие более 1,4 % никеля, но наблюдается тенденция к переработке все более бедных руд [2].
Добываемые на казахстанских месторождениях руды в настоящее время перерабатываются в Российской Федерации: на комбинате «Южуралникель» (г. Орск) и частично на Режском и Верхне-уфалейском никелевых заводах. Организация собственного промышленного производства никеля из имеющегося в Казахстане в значительном количестве никелевого сырья бесспорно является актуальной задачей.
Таким образом, теоретические исследования термодинамического моделирования распределения элементов в системе «никелевая руда - углерод» с помощью программного комплекса «Астра-4» [3], методика которого описана в работе [4], являются новыми и представляют научную новизну и практическую значимость для металлургической промышленности Казахстана и экономики в целом.
С целью теоретического исследования возможности получения ферроникеля из системы «никелевая руда - углерод» было проведено термодинамическое моделирование с помощью программного комплекса «Астра-4», основанного на максимуме энтропии в интервале температур
12
Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия»
1000-1700 К и давлении Р = 0,1 МПа. Основой для моделирования послужил процесс электротермической плавки никелевой руды в дуговой руднотермической печи.
Для проведения исследований была использована окисленная никельсодержащая руда месторождения Бугетколь, химический состав которой приведен в таблице.
В системе «окисленная никельсодержащая руда - углерод» с помощью термодинамического моделирования рассмотрено влияние температуры на распределение железа ^е), никеля (№), кобальта (Со), кремния ^), натрия (№), магния (Мg), алюминия (А1), кальция (Са), хрома (Сг), марганца (Мп), углерода (С), и кислорода (О2).
В результате термодинамического моделирования процесса электротермической плавки никелевой руды выяснилось, что в системе «никелевая руда - углерод» происходит образование более 8 элементов: Fe, №, Со, №, Мg, Сг, Мп, С и 17 соединений: FезCfe FеSiOзt, Fe2Al4SІ8t, SiO, $Ю2ь SiO2, CaSiO3t, СаМ^Ю4Ь Мп^Ю4Ь №2С03Ь
М£0Ь СаА112019Ь Сг203Ь Сг0Ь Мп°Ь С0, С02.
Из рис. 1 следует, что степень перехода Fe в системе «окисленная никельсодержащая руда -углерод» составляет для соединения Fe3Ck максимально при Т = 1200 К до 64,3 %, для соединения FeSiО3k до 92,5 % при Т = 1000 К и с увеличением температуры до 1700 К уменьшается до 43,7 %, а для соединения Fe2Аl4Si8k 7,47 % в температурном интервале 1100-1200 К.
Степень перехода никеля, в системе «окисленная никельсодержащая руда - углерод» показана на рис. 1. Из которого следует, что степень перехода никеля (№) в М* составляет 100 % в температурном интервале 1100-1300 К и с увеличением температуры до 1700 К снижается до 99,97 %, начиная переходить в газовую фазу.
Степень перехода кобальта (Со) в системе «окисленная никельсодержащая руда - углерод»
показана на рис. 1. Из которого следует, что степень перехода кобальта аналогично никелю, распределяется в Со* и составляет 100 % в температурном интервале 1100-1300 К и с увеличением температуры до 1700 К снижается до 99,69 % начиная переходить в газовую фазу.
Информация о степени распределения кремния, натрия, магния, алюминия, кальция, хрома, марганца, углерода и кислорода в системе «окисленная никельсодержащая руда - углерод» приведены на рис. 2-4.
Таким образом, по результатам исследования термодинамическим моделированием системы «никельсодержащая руда - углерод» следуют выводы:
- степень перехода Fe в системе составляет для соединения Fe3Ck максимально при Т = 1200 К до 64,3 %, для соединения FeSiО3k до 92,5 % при Т = 1100 К и с увеличением температуры до 1700 К уменьшается до 43,7 %, а для соединения Fe2Аl4Si8k 7,47 % в температурном интервале 1100-1200 К;
- степень перехода никеля (№) в составляет 100 % в температурном интервале 1100-1300 К и с увеличением температуры до 1700 К снижается до 99,97 %, начиная переходить в газовую фазу;
- степень перехода кобальта аналогично никелю, распределяется в Сок и составляет 100 % в температурном интервале 1100-1300 К и с увеличением температуры до 1700 К снижается до 99,69 %, начиная переходить в газовую фазу;
- проведенные термодинамическое исследование показало теоретическую возможность переработки оксидных никельсодержащих руд месторождения «Бугетколь» путем моделирования технологического процесса электротермической плавки с получением ферроникеля. Однако об определении качества предполагаемого ферроникеля и его соответствии стандарту можно будет судить лишь после проведения опытных экспериментов.
Химический состав окисленной никельсодержащей руды месторождения «Бугетколь»
Никельсодержащая оксидная руда «Бугетколь» Содержание, %
Fe2O3 33,62
№0 1,76
СоО 0,11
Si02 39,4
№0 0,39
СаО 0,9
Mg0 11,25
АІ2О3 3,21
СГ2О3 0,84
МпО 2,6
С 7,0
Прочее 1,52
Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия»
Т, К Т, К т, К
Рис. 1. Влияние температуры на степень распределения Ре, N1, Со в системе «окисленная никельсодержащая руда - углерод»
2014, том 14, № 1
00
а
100 г
80 -
60 -
60
а
40 -
20 -
т,к
т,к
Рис. 2. Влияние температуры на степень распределения 31, N8, Мд в системе «окисленная никельсодержащая руда - углерод»
С1
Колесников А.С. Термодинамическое моделирование получения ферроникеля
из окисленных никелевых руд Казахстана
Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия»
100 г
80
60
С
а
40
20
к*СаА112019
100
80
60
о
а
40
К*СаМп8ГО4 -----А-------А—
100
80
60
и
Ь
40
20
к*Сг203
1000
Рис. 3. Влияние температуры на степень распределения А1, Са, Сг в системе «окисленная никельсодержащая руда - углерод»
К*СаА112019
к*Ре2А14818
к*Сг7СЗ
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700
т,к
01____§ I I I § I 1_ _ _ _ _
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700
т,к
1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700
т,к
Литература
1. Резник, И.Д. Никель: в 3 т. / И.Д. Резник, Г.П. Ермаков, Я.М. Шнеерсон. - М.: ООО «Наука и технология», 2001. - Т. 2. - 468 с.
2. Борбат, В. Ф. Новые процессы в металлургии никеля и кобальта / В. Ф. Борбат, И.Ю. Лещ. -М.: Металлургия. 1976. - 360 с.
3. Трусов, Б.Г. Термодинамический метод анализа высокотемпературных состояний и про-
цессов и его практическая реализация: дис. ... д-ра техн. наук /Б.Г. Трусов. - М., 1984. - 292 с.
4. Колесников, А.С. Термодинамическое моделирование получение ферросплава и возгонов цветных металлов в системе клинкер вельцевания -углерод / А.С. Колесников // Электронное научное издание «Актуальные инновационные исследования: наука и практика». - 2013. - № 2.
Колесников Александр Сергеевич, канд. техн. наук, заведующий кафедрой технологии электротермических производств и металлургии, Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова. (г. Шымкент); [email protected].
Поступила в редакцию 16 декабря 2013 г.
Bulletin of the South Ural State University
Series "Metallurgy” ______________2014, vol. 14, no. 1, pp. 12-18
THERMODYNAMIC MODELLING OF OBTAINING FERRONICKEL FROM KAZAKHSTAN OXIDIZED NICKEL ORES
A.V. Kolesnikov, M. Auezov South Kazakhstan State University, Shymkent, Kazakhstan, kas164@yandex. ru
The paper deals with thermodynamic investigations of the nickel ore-carbon system aimed at obtaining ferronickel from Kazakhstan oxide ores, in particular, from Bugetkol deposit ores. Theoretical investigations of the system using the thermodynamic modelling method were carried out within a temperature range of 1000-1700 K and pressure P = 0.1 MPa. For quantitative thermodynamic modelling of extraction processes of metals, in particular, iron, nickel and cobalt, the «Astra-4» software complex was used based on the principle of maximum entropy. Investigations predict the transition degree of Ni to Nik and Co to Cok reaching 100 % within a temperature range of 1000-1300K.
Keywords: oxidized nickel ore, ferronickel, metals, nickel, cobalt, thermodynamic analysis.
References
1. Reznik I.D., Ermakov G.P., Shneerson Ya.M. Nikel' [Nickel]. Moscow, Nauka i Tekhnologii Publ., 2001, vol. 2. 468 p.
2. Borbat V.F., Leshch I.Yu. Novye protsessy v metallurgii nikelya i kobal'ta [New Processes in Nickel and Cobalt Metallurgy]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1976. 360 p.
3. Trusov B.G. Termodinamicheskiy metod analiza vysokotemperaturnykh sostoyaniy i protsessov i ego prak-ticheskaya realizatsiya. Dokt. Diss. [A Thermodynamic Method of Analysis of High-Temperature States and Processes and Its Practical Realization. Doct. Diss.]. Moscow, 1984. 292 p.
4. Kolesnikov A.S. [Thermodynamic Modelling of Obtaining a Ferroalloy and Non-Ferrous Metal Vapours in the Waelz Clinker-Carbon System]. Aktual'nye innovatsionnye issledovaniya: nauka i praktika [Topical Innovation Issues: Research and Implementation], 2013, no. 2. Available at: http://www.actualresearch.ru/nn/2013_2/ Article/science/kolesnikov_2013_2.htm. (in Russ.)
Received 16 December 2013
18
Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия»
