Институт металлургии Уральского отделения РАН, Екатеринбург, Россия:

А. С. Вусихис, старший научный сотрудник, канд. техн. наук, эл. почта: vas58@mail.ru
+Е. Н. Селиванов, заведующий лабораторией, докт. техн. наук
Л. И. Леонтьев, главный научный сотрудник, докт. техн. наук, академик РАН, эл. почта: leo@presidium.ras.ru

Для прогнозирования результатов восстановления металлов из оксидного расплава в барботажных агрегатах разработана методология термодинамического моделирования, обеспечивающая приближение к реальным процессам. Суть методологии состоит в том, что равновесие определяют для каждой единичной порции газа, вводимой в рабочее тело, а содержание оксидов восстанавливаемых металлов в каждом расчетном цикле принимают из предшествующих данных. Образованные металлические фазы и газы в последующих расчетах не участвуют. Этот подход позволяет качественно приблизить модельные представления к реальным процессам и оценить полноту протекания реакций в пирометаллургических агрегатах. Методика использована для описания процессов совместного восстановления железа и свинца из оксидного расплава системы B₂O₃ – CaO – FeO – PbO монооксидом углерода и водородом. В представленном исследовании выполнен сравнительный анализ влияния температуры Т и количества введенного газа VСО или VН₂ на результаты восстановления свинца и железа из оксидного расплава. Моделирование выполнено для расплавов с соотношением B₂O₃/CaO, равным 3, что соответствует эвтектическому составу, и с исходным содержанием компонентов, % (мас.): 58,5 В₂О₃; 19,5 СаО; 20 FeO; 2 PbО в интервале температур 1273–1773 К. Расчеты проведены с учетом диспропорционирования FeO на Fe и Fe₃O₄. Взаимодействие FeO и Fe с PbO обеспечивает частичный перевод свинца в металлическое состояние. В зависимости от температуры степень металлизации свинца меняется от 76,8 (при 1273 К) до 19,4 % (при 1773 К). С повышением температуры содержание FeO и PbO в расплаве возрастает, а Fe₃O₄ — уменьшается. В ходе расчетов оценено изменение содержания оксидов свинца и железа в расплаве и степени их восстановления от количества введенного восстановителя. При восстановлении свинца и железа водородом продукты взаимодействия не отличаются от образующихся при использовании монооксида углерода. Однако восстановление водородом протекает более полно, чем монооксидом углерода, поэтому для достижения степеней восстановления сви нца , близких к 100 %, требуется меньшее количество газа: 10÷13 дм3/кг СО, 5,8÷10,1 дм³/кг Н₂. Повышение температуры способствует переходу части свинца в газовую фазу. Полученные данные указали на необходимость учета диспропорционирования FeO на Fe₃O₄ и Fe при оценке результатов взаимодействия восстановителя (монооксида углерода или водорода) с оксидным расплавом системы B₂O3 – CaO – FeO – PbО в барботируемом слое, сопряженным с изменением его состава.

Работа выполнена по Государственному заданию ИМЕТ УрО РАН (№ госрегистрации темы: 122020100404-2).

1. Шумский В. А. Роль технической организации процесса при выборе технологии плавки свинцового сырья // Цветные металлы. 2020. № 2. С. 18–29. DOI: 10.17580/tsm.2020.02.02.
2. Потылицын В. А., Тарасов А. В. Современные технологии переработки свинецсодержащего сырья // Цветная металлургия. 2014. № 6. С. 29–42.
3. Püllenberg R., Rohkohl A. Modern Lead Smelting at the QSLPlant Berzelius Metall in Stolberg, Germany // Lead-Zinc 2000. Warrendale, PA, USA, 2000. P. 127–149.
4. Mounsey E. N., Piret N. L. A Review of Ausmelt Technology for Lead Smelting // Lead-Zinc 2000. Warrendale, PA, USA. 2000. Р. 149–170.
5. Zhanga H., Bao L., Chen Y., Xuanb W., Yuan Y. Efficiency improvements of the CO-H₂ mixed gas utilization related to the molten copper slag reducing modification // Process Safety and Environmental Protection. 2021. Vol. 146, No. 2. P. 292–299.
6. Inano H., Tomita K., Tada T., Hiroyoshi N. Lead generation and separation mechanisms from lead silicate glass by reductionmelting // Journal of the Ceramic Society of Japan. 2018. Vol. 126, No. 8. Р. 595–601.
7. 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.
8. Диханбаев Б. И., Диханбаев А. Б. Разработка энерго сберегающего способа для переработки техногенных отходов // Комплексное использование минерального сырья. 2019. № 4. С. 82–92.
9. Штойк С. Г., Цемехман Л. Ш., Серегин П. С., Попов В. А., Парецкий В. М. и др. Термодинамический расчет распределения свинца в продуктах прямой плавки свинцового сырья // Цветная металлургия. 2011. № 2. С. 32–37.
10. Досмухамедов Н. К., Федоров А. Н., Жолдасбай Е. Е. Термодинамика восстановительного обеднения системы Cu – Me – Fe – O – SiO₂ (Me – Pb, Zn, As) природным газом // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2019. № 9. С. 61–68.
11. Slag Atlas. 2nd Edition. Edited by Verien Deutscher Eisenhüttenleute (VDEh). — Düsseldorf : Verlag Stahleisen GmdH, 1995. — 616 p.
12. Ватолин Н. А., Моисеев Г. К., Трусов Б. Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах. — М. : Металлургия, 1994. — 352 с.
13. Белов Г. В., Трусов Б. Г. Термодинамическое моделирование химически реагирующих систем. — М. : МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2013. — 96 с.
14. Boronenkov V., Zinigrad M., Leontiev L., Pastukhov E., Shalimov M. et al. Phase interaction in the metal-oxide melts-gas system: the Modeling of Structure, Properties and Processes. — Heidelberg, Springer-Verlag Berlin, 2012. — 614 р.

15. Вусихис А. С., Дмитриев А. Н. Исследование процессов восстановления оксидов металлов из расплава газомвосстановителем в барботируемом слое // Вестник УГТУ – УПИ. 2004. № 15. Ч. 1. C. 93–95.
16. Вусихис А. С., Селиванов Е. Н., Тюшняков С. Н., Ченцов В. П. Термодинамическое моделирование восстановления метал лов из расплавов B₂O₃ – СaO – Ni(Zn,Pb,Cu)O моноок сидом углерода // Бутлеровские сообщения. 2019. Т. 59, № 9. С. 125–131.
17. 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.
18. Вусихис А. С., Леонтьев Л. И., Селиванов Е. Н., Ченцов В. П. Моделирование совместного восстановления железа и цветных металлов (никеля, меди, свинца и цинка) из оксидных расплавов конвертированным метаном // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24, № 5. С. 1113–1125.
19. 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. Т. 47, №3–4. P. 299–302.
20. Банных О. А., Будберг П. Б., Алисова С. П. и др. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа : справочник. — М. : Металлургия, 1986. — 440 c.