Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук, 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
С. Н. Тюшняков, старший научный сотрудник, канд. техн. наук

Для прогнозирования результатов восстановления металлов из оксидного расплава в барботажных процессах разработана методика термодинамического моделирования, обеспечивающая приближение к реальным системам с периодическим выводом металлической фазы и газов из состава рабочего тела. Суть методики 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. Этот подход позволяет качественно приблизить моделируемые процессы к реальным и оценить полноту протекания реакций в пирометаллургических агрегатах. При апробации метода термодинамического моделирования на процессах восстановления железа и никеля получено хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных. Выполнен сравнительный анализ влияния температуры Т и объема введенного газа V_СО или V_Н2 на результаты восстановления цинка из оксидного расплава. Моделирование выполнено для расплавов B₂O₃ – CaO – ZnO с соотношением B₂O₃/CaO, равным 3, что соответствует эвтектическому составу, и с исходным содержанием ZnO в пределах 3–12 % в интервале температур 1273–1673 K. В ходе расчетов оценивали содержание оксида цинка в расплаве СZnO и степень его восстановления φ_Zn. Корреляционные зависимости С_ZnO, φ_Zn = f(C₀, T, V_CO или V_H2) представлены в виде полиномов второй степени. Восстановление цинка водородом протекает интенсивнее, чем монооксидом углерода, поэтому для достижения близких степеней восстановления требуется меньшее количество газа. Повышение температуры способствует восстановлению цинка и снижению необходимого объема СО или Н₂ для достижения требуемых показателей φ_Zn. Для получения единицы массы цинка при равных температурах процесса водорода необходимо в 1,5 раз меньше, чем монооксида углерода независимо от исходного состава расплава. Полученные данные поясняют изменение показателей по отгонке цинка при варьировании температуры. Установленные взаимосвязи C_ZnO и φ_Zn с температурой и количеством введенного газа-восстановителя полезны для предварительной оценки вероятных показателей процесса отгонки цинка из расплава и могут быть использованы в качестве базовых
для анализа экспериментальных результатов.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту № 18-29-24093мк.

1. Wang C., Li K., Yang H., Li C. Probing study on separating Pb, Zn, and Fe from lead slag by coal-based direct reduction // ISIJ International. 2017. Vol. 57, No. 6. P. 996–1003.
2. Жубаткенов А. Ж., Сейфуллина С., Ыбрай С. Б. и др. К вопросу энергосберегающей переработки отвальных шлаков фьюмингования // Аллея науки. 2018. № 8. С. 131–138.
3. Лытаева Т. А., Пашкевич М. А. Утилизация пылевидных цинк-железосодержащих отходов горно-перерабатывающих предприятий // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014. № 4. С. 330–333.
4. Попов А. А., Петров Г. В. Утилизация цинксодержащей пыли сталеплавильных производств // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 4. С. 169–177.
5. Доронин И. Е., Свяжин А. Г. Пыли и шламы сталеплавильных агрегатов как сырье для производства цинка и стали // Известия вузов. Цветная металлургия. 2012. № 5. С. 31–35.
6. Паньшин А. М., Козлов П. А., Несмелов В. Ю. Оценка и потенциальные возможности переработки различных отходов металлургического производства // Экология и промышленность России. 2013. № 9. С. 21–23.
7. Леонтьев Л. И., Брянцева О. С., Дюбанов В. Г. Использование сырьевого потенциала техногенных металлургических ресурсов в условиях модернизации цинковой отрасли // Экономика региона. 2012. № 4. С. 166–173.
8. Reddy R. G., Prabhu V. L., Mantha D. Zinc fuming from lead blast furnace slag // High Temperature Materials and Processes. 2002. Vol. 21, No. 6. P. 377–386.
9. Тарасов А. В., Бессер А. Д., Мальцев В. И. Металлургическая переработка вторичного цинкового сырья. — М. : Гинцветмет, 2004. — 219 с.
10. Окунев А. И., Костьяновский И. А., Донченко П. А. Фьюмингование шлаков. — М. : Металлургия, 1966. — 259 с.
11. Гречко А. В., Бессер А. Д., Калнин Е. И. Современный опыт фьюмингования отвальных шлаков // Цветная металлургия. 2000. № 11-12. С. 28–32.
12. Козырев В. В. Отгонка цинка из шлака при фьюминговании природным газом // Цветные металлы. 2009. № 2. С. 61–64.
13. Козырев В. В. Особенности движения расплава во фьюминг-печи, работающей на природном газе // Цветные металлы.
2009. № 4. С. 56–59.
14. Козырев В. В., Бессер А. Д., Парецкий В. М. К вопросу извлечения цинка из шлаков свинцовой плавки // Электрометаллургия. 2013. № 6. С. 31–35.
15. Verscheure K., van Camp M., Blanpain B. et al. Zinc Fuming Processes for Treatment of Zinc Containing Residues // Proceedings of Lead & Zinc’05 Symposium. — Osaka, 2005. P. 943–960.
16. Hughes S., Reuter M. A., Baxter R., Kaye A. Ausmelt technology for lead and zinc processing // Proceedings of Lead and Zinc 2008. — South Africa, 25–29 February 2008. P. 147–162.
17. Kamiya К., Kitahara N., Morinaka I. Reduction of molten iron oxide and FeO bearing slags by H₂-Ar plasma // Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan. 1984. Vol. 24, No. 1. P. 7–16.
18. Verscheure K., van Camp M., Blanpain B. et al. Continuous fuming of zinc-bearing residues: Part II. The submerged-plasma zinc-fuming process // Metallurgical and materials transactions: B 2007. Vol. 38. P. 21–33.
19. Richards G. G., Dreisinger D., Peters A., Brimacombe J. K. Mathematical modeling of zinc processes // Proceedings of the International Symposium on Computer Software in Chemical and Extractive Metallurgy. — Canada, 1988. P. 223–252.
20. Ватолин Н. А., Моисеев Г. К., Трусов Б. Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах. — М. : Металлургия. 1994. — 352 с.
21. Моисеев Г. К., Вяткин. Г. П. Термодинамическое моделирование в неорганических системах. — Челябинск : ЮУрГУ, 1999. — 256 с.
22. Михайлов Г. Г., Леонович Б. И., Кузнецов Ю. С. Термодинамика металлургических процессов и систем. — М. : МИСиС, 2009. — 520 с.
23. Sohn H. Y. Process modeling in non-ferrous metallurgy // Treatise on Process Metallurgy: Industrial Processes. — Oxford : Elsevier Ltd, 2014. P. 701–838.
24. 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.
25. Вусихис А. С., Леонтьев Л. И., Селиванов Е. Н., Ченцов В. П. Моделирование процесса газового восстановления металлов из многокомпонентного оксидного расплава в барботируемом слое // Бутлеровские сообщения. 2018. Т. 55, № 7. С. 58–63.
26. Вусихис А. С., Леонтьев Л. И., Селиванов Е. Н. Термодинамическое моделирование восстановления железа и никеля из расплавов системы B₂O₃ – CaO – FeO – NiO // Труды конгресса «Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований». — Екатеринбург : УрО РАН, 2019. С. 312–316.