Термодинамическое моделирование получения ферроникеля из окисленных никелевых руд Казахстана

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); kas164@yandex.ru.

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.

Received 16 December 2013

18

Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия»