Изучение свойств атипичного продукта – «промежуточного слоя» печей Ванюкова, при переработке шихты с высоким содержанием техногенных продуктов

Современные требования, определяющие необходимость рециклинга, а также снижение объемов качественных рудных концентратов привели к вовлечению в переработку на головных плавильных агрегатах ранее накопленного техногенного сырья – металлургических шлаков, илов прудов-отстойников систем оборотного водоснабжения и т.п. Доля такого сырья в загрузке плавильных агрегатов достигает уже ~25 %, что обусловило серьезные технологические сбои в устойчивом ведении процесса на головных автогенных плавильных агрегатах. Для печей Ванюкова это появление наряду с типичными продуктами плавки (штейна и шлака) нового атипичного продукта – так называемого промежуточного слоя, образование которого приводит к негативным последствиям, которые выражаются в запечатывании перетоков из горна печи в шлаковый и штейновый сифоны с последующей полной остановкой агрегата. Изучение такого аномального продукта, отобранного на промышленном агрегате в период отклонения от устойчивого ведения технологического процесса, методами дифференциально-сканирующей калориметрии, термогравиметрического и дифференциального термического анализа позволило определить температурные интервалы фазовых преобразований компонентов, входящих в состав промежуточного слоя. Полученные результаты помогут определить желаемые параметры устойчивого ведения процесса плавки и предложить технические решения, препятствующие неблагоприятным условиям настылеобразования.

1. Вурдова Н.Г., Голубев О.В., Неделин С.В., Петелин А.Л., Полулях Л.А., Черноусов П.И. Рециклинг: Учебник. М.: МИСИС, 2020. 746 с.

2. Kandalam A, Reuter MA, Stelter M, Reinmöller M, Gräbner M, Richter A, et al. A review of top-submerged lance (TSL) processing. Part I: Plant and reactor engineering. Metals. 2023;13(10):1728. http://dx.doi.org/10.3390/met13101728

3. Kandalam A, Reuter MA, Stelter M, Reinmöller M, Gräbner M, Richter A, et al. A Review of top submerged lance (TSL) processing. Part II: Thermodynamics, slag chemistry and plant flowsheets. Metals. 2023;13(10): 1742. http://dx.doi.org/10.3390/met13101742

4. Liu Z, Xia L. The practice of copper matte converting in China. Mineral Processing and Extractive Metallurgy . 2018;128(1-2):117—124. http://dx.doi.org/10.1080/25726641.2018.1543147

5. Shibasaki T, Hayashi M. Top-blown injection smelting and converting: The Mitsubishi process. JOM. 1991;43(9):20—26. http://dx.doi.org/10.1007/bf03222230

6. Swinbourne D.R., West R.C., Reed M.E., Sheeran A. Computational thermodynamic modelling of direct to blister copper smelting. Mineral Processing and Extractive Metallurgy. 2011;120(1):1—9. http://dx.doi.org/10.1179/1743285510y.0000000003

7. Chen Ch., Zhang L., Jahanshahi Sh. Application of MPE model to direct-to-blister flash smelting and development of minor elements. In: Copper International Conference: Proceeding of Copper 2013 (Santiago, Chile, 2013). P. 857—871. https://doi.org/10.13140/2.1.4067.1360

8. Taskinen P., Kojo I. Fluxing options in the direct-to-blister copper smelting. In: Proceedings of the VIII International Conference on Molten Slages, Fluxes and Salt — Molten 2009. (Santiago, Chile, 2009). P. 1139—1151.

9. Sun Y.Q., Chen M., Cui Z.X., Contreras L., Zhao B.J. Phase equilibria of ferrous-calcium silicate slags in the liquid/spinel/white metal/gas system for the copper converting process. Metallurgical and Materials Transactions: B. 2020;5(51):2012—2020. https://doi.org/10.1007/s11663-020-01887-9

10. Xie S., Zhao B.J. Phase equilibrium studies of nonferrous smelting slags: A review. Metals. 2024;14(278): 1—19. https://doi.org/10.3390/met14030278

11. Крупнов Л.В., Мидюков Д.О., Малахов П.В. Направления поддержания сырьевой базы медно-никелевой подотрасли. Обогащение руд. 2022;2:37—41. https://doi.org/10.17580/or.2022.02.06

12. Крупнов Л.В., Цымбулов Л.Б., Малахов П.В., Озеров С.С. Работа автогенных агрегатов в Заполярном филиале компании «Норникель» при переработке сырья с пониженным энергетическим потенциалом. Цветные металлы. 2022;2:40—48. https://doi.org/10.17580/tsm.2022.02.05

13. Крупнов Л.В., Румянцев Д.В., Попов В.А., Малахов П.В., Каверзин А.В. Технические решения по улучшению условий эксплуатации печей Ванюкова при переработке техногенного сырья. Металлург. 2024;4:106—111. https://doi.org/10.52351/00260827_2024_4_106

14. Taskinen P, Jokilaakso A. reaction sequences in flash smelting and converting furnaces: An in-depth view. Metallurgical and Materials Transactions: B. 2021; 52(5):3524—3542. http://dx.doi.org/10.1007/s11663-021-02283-7

15. Крупнов Л.В. Механизм образования тугоплавкой настыли в печах взвешенной плавки и способы ее устранения: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПб, Национальный минерально-сырьевой ун-т «Горный», 2015. 19 с.

16. Kaur R., Nexhip C., Krippner D., George-Kennedy D., Routledge M. “Double Flash” technology after 16 years. In: Papers to be presented at the thirteenth International Flash Smelting Congress (2—8 October 2011, Zambia). Livingstone, Africa, 2011. 13 p.

17. Jiménez F., Ramos M., Pérez I. A review of recent improvements to control weak acid production at the Huelva smelter. In: Papers to be presented at the thirteenth International Flash Smelting Congress (2—8 October 2011, Zambia). Livingstone, Africa, 2011. 22 p.

18. Crundwell F.K., Moats M.S., Ramachandran V., Robinson T.G., Davenport W.G. Flash smelting of nickel sulfide concentrates. Extractive Metallurgy of Nickel, Cobalt and Platinum Group Metals. 2011;215—232. http://dx.doi.org/10.1016/b978-0-08-096809-4.10018-8

19. Zhao B., Hayes P., Jak E. Effects of CaO, Al2O3 and MgO on liquidus temperatures of copper smelting and converting slags under controlled oxygen partial pressures. Journal of Mining and Metallurgy, Section B: Metallurgy. 2013;49(2):153—159. http://dx.doi.org/10.2298/jmmb120812009z

20. Xie S., Yuan X., Liu F., Zhao B. Control of copper content in flash smelting slag and the recovery of valuable metals from slag. A Thermodynamic Consideration Metals. 2023;13(1):153. http://dx.doi.org/10.3390/met13010153

21. Kojo I., Storch H. Copper production with Outokumpu flash smelting: an update. In: International Symposium on Sulfide smelting 2006. Vol. 8: Sohn International Symposium. Advanced Processing of Metals and Materials. The Minerals, Metals & Materials Society. San Diego, California, USA, 2006. P.225—238.

22. Wang G., Cui Y., Li X., Shi R., Yang J., Yang S. et al. Structure and adaptability of FexO—SiO2—MgO— 15 wt. % CaO—0.026 wt. % NiO slag with the Fe/SiO2 mass ratio of 1.2 in flash matte smelting. Ceramics International. 2023;49(2):2531—2539. http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.09.232

23. Якимов И.С. Система рентгенофазовой идентификации существенно многофазных материалов. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007;11(73):32—37.

24. Якимов И.С., Дубинин П.С., Пиксина О.Е. Регуляризированный мультирефлексный метод ссылочных интенсивностей для количественного рентгенофазового анализа поликристаллических материалов. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2009;12(76):71—80.

25. Пиксина О.Е., Ружников С.Г., Дубинин П.С. Рентгеновский спектральный анализ: Методические указания. Материаловедение и технология новых материалов. Красноярск: СибФУ, 2012. 43 с.

26. Kolesnikov A.S. Kinetic investigations into the distillation of nonferrous metals during complex processing of waste of metallurgical industry. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2015;56(1):1—5. https://doi.org/10.3103/S1067821215010113

27. Kolesnikov A.S., Serikbaev B.E., Kenzhibaeva G.S., Botabaev N.E., Shapalov S.K., Kolesnikova O.G., Iztleuov G.M., Suigenbayeva A.A., Asylbekova D.D., Ashirbaev K.A., Kolesnikova V.A., Zolkin A.L., Isaev G.I., Alchinbaeva O.Z., Kutzhanova A.N. Processing of nonferrous metallurgy waste slag for its complex recovery as a secondary mineral raw material. Refractories and Industrial Ceramics. 2021;62(4):375—380. https://doi.org/10.1007/s11148-021-00611-7

28. Kolesnikov A.S., Kenzhibaeva G.S., Botabaev N.E., Kutzhanova A.N., Iztleuov G.M., Suigenbaeva A.Z., Ashirbaev K.A., Kolesnikova O.G. Thermodynamic modeling of chemical and phase transformations in a waelz process-slag — carbon system. Refractories and Industrial Ceramics. 2021;61(3):289—292. https://doi.org/10.1007/s11148-020-00474-4

29. Kolesnikov A., Fediuk R., Amran M., Klyuev S., Klyuev A., Volokitina I., Naukenova A., Shapalov S., Utelbayeva A., Kolesnikova O., Bazarkhankyzy A. Modeling of non-ferrous metallurgy waste disposal with the production of iron silicides and zinc distillation. Materials. 2022;15(7):1—14. https://doi.org/10.3390/ma15072542

30. Zhanikulov N., Kolesnikov A.S., Taimasov B.T., Zhakipbayev B.Y., Shal A.L. Influence of industrial waste on the structure of environmentally friendly cement clinker. Complex Use of Mineral Resources. 2022;4(323):84—91. https://doi.org/10.31643/2022/6445.44

31. Kolesnikov A.S. Thermodynamic simulation of silicon and iron reduction and zinc and lead distillation in zincoligonite ore-carbon systems. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2014;55(6):513—518. https://doi.org/10.3103/S1067821214060121

32. Donayev A., Kolesnikov A., Shapalov Sh., Sapargaliyeva B., Ivakhniyuk G. Studies of waste from the mining and metallurgical industry, with the determination of its impact on the life of the population. News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series of Geology and Technical Sciences. 2022;4(454):55—68. https://doi.org/10.32014/2022.2518-170x.200

33. Sharma R.C., Chang Y.A. A thermodynamic analysis of the copper-sulfur system. Metall Transactions: B. 1980;11:575—583. https://doi.org/10.1007/BF02670137

34. Банных О.А., Будберг П.Б., Алисова С.П., Дриц М.Е. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: Справочник. М.: Металлургия, 1986. 440 с.

35. Levin M., Robbins C.R., McMurdie H.F. Phase diagrams for ceramists. The American Ceramic Society. Columbus, Ohio. 1964. 601 p.

36. Bale C. W., Bélisle E., Chartrand P., Decterov S. A., Eriksson G., Gheribi A.E., Hack K., Jung I.H., Kang Y.B., Melançon J., Pelton A.D., Petersen S., Robelin C.. Sangster J., Spencer P., Van Ende M-A. FactSage thermochemical software and databases 2010—2016. Calphad. 2016;54:35—53. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2016.05.002

37. Крупнов Л.В., Старых Р.В., Петров А.Ф. Механизм формирования тугоплавкой настыли в печах взвешенной плавки Надеждинского металлургического завода. Цветные металлы. 2013;(2):46—49.

38. Крупнов Л.В., Пахомов Р.А., Каверзин А.В., Косов Я.И., Малахов П.М. Изучение свойств промежуточного слоя печей Ванюкова при переработке медного никельсодержащего сырья. В сб.: Сборник докладов 12-го международного конгресса Цветные Металлы и Минералы — 2024. (Красноярск, 09—13 сентября 2024 г.). Красноярск: Научно-инновационный центр, 2024. С. 883—888.