AP19579175 – «Исследование процесса селективного восстановления железа водородным газом из оолитовых руд с высоким содержанием фосфора»

Наибольшая доля стали получается восстановлением оксидов железа с углеродом, что приводит к огромным антропогенным выбросам CO2, на долю которых приходится ≈30% всех промышленных выбросов CO2. Эти цифры квалифицируют производство стали как самую крупную причину глобального потепления и создает неотложную проблему декарбонизации. По всей цепочке производства стали восстановление железной руды в доменных печах с углеродом приводит к 80-90% выбросов CO2.

В связи с увеличением производства стали, в производство вовлекаются месторождения железной руды, имеющие все более сложный минералогический состав, а также с повышенным содержанием фосфора (0,4-1,8%), в частности, оолитовых руд, которые широко распространены в виде достаточно крупных месторождений. В РК оолитовые руды составляют основную массу учтенных запасов железорудного сырья, более 60% которых сосредоточены на месторождениях Лисаковское, Аятское, Кокбулак, Кутанбулак и Талдыеспе.

Традиционными методами обогащения сложно снизить содержание фосфора в руде, так как фазы оксида железа и пустой породы плотно связаны, и они сложно диссоциируются. При процессе восстановлении высокофосфористой руды в доменной печи, почти весь фосфор перейдёт в чугун, которое в дальнейшем приведёт к увеличению объема шлака и потери электроэнергии при выплавке стали. Таким образом, обесфосфорирование высокофосфористых железных руд, является важнейшим этапом при переработке данных руд.

Предлагается провести процесс газофазного селективного восстановления железа, с целью разделения железа и фосфора, с получением металлизованного материала. Для реализации селективного восстановления железа без фосфора используется водород. Вопросы использования водорода в металлургии в настоящее время продолжают набирать актуальность в связи с необходимостью снижения нагрузки на экологию от металлургии железа.

1) Ержанов Алмас Сатыбалдыевич – доктор философии (PhD), ассоциированный профессор, руководитель проекта.

Scopus ID: 56524559600

Researcher ID: AFL-9951-2022

https://orcid.org/0000-0002-8990-5919

2) Қуатбай Ербол Қуатбайұлы – доктор философии (PhD), исполнитель проекта.

Scopus ID: 57218196966  

Researcher ID: ABE-5679-2021 

https://orcid.org/0000-0002-8400-3537

3) Жүнісқалиев Талғат Тоқашұлы – доктор философии (PhD), старший научный сотрудник Департамента науки, инноваций и международного сотрудничества, исполнитель проекта.

Scopus ID: 57218196497  

Researcher ID: AAG-6131-2021  

https://orcid.org/0000-0001-9757-0605

4) Гамов Павел Александрович – Кандидат технических наук, доцент.

Scopus ID: 55618981700

https://orcid.org/0000-0002-1474-644X

5) Сүлеймен Бақыт Темірғалиұлы — научный сотрудник Департамента науки, инноваций и международного сотрудничества, исполнитель проекта.

Scopus ID: 57215054180

https://orcid.org/0000-0001-9306-1045

6) Қосдаулетов Нұрлыбай Ырғызбайұлы — научный сотрудник Департамента науки, инноваций и международного сотрудничества, исполнитель проекта.

Scopus ID: 57215058827

https://orcid.org/0000-0002-1570-4188

7) Адилов Галымжан Алибекович — научный сотрудник Департамента науки, инноваций и международного сотрудничества, исполнитель проекта.

Scopus ID: 57213596057

Researcher ID: ABL-6521-2022

https://orcid.org/0000-0002-1012-8097

8) Әбдірашит Асылбек Мирамханұлы – магистр технических наук, исполнитель проекта.

Scopus ID: 57218196252

Researcher ID: ABE-5588-2021

https://orcid.org/0000-0003-0718-3041

При реализации проекта будет показано, что применение селективного твердофазного восстановления в пирометаллургических процессах дает возможность расширить сырьевую базу черной металлургии Казахстана. Выполнение данного проекта даст возможность комплексно изучить химические и фазовые превращения компонентов оолитовой железной руды. В результате будут получены новые теоретические и экспериментальные данные о распределении железа и фосфора в процессе восстановительного обжига, также будет дана оценка эффективности обесфосфоривания и возможности его использования в существующих процессах.

Возможность практического использования ожидаемых результатов проекта в экономике, в том числе для создания новых применяемых технологий, оценивается тем что на основе полученных результатов будут предложены оптимальные параметры восстановительного обжига (время, температура, состав газовой фазы) и оптимальные параметры разделительной плавки (время, температура, состав шлаковой фазы), которые могут быть использованы при разработке технологии получения стали из оолитовых руд современными бескоксовыми технологиями с получением стали не содержащей фосфор.

Экологическим эффектом проекта будет использования водородного газа для прямого восстановления железа из руды, что значительно снизит массовые антропогенные выбросы СО2 в сталелитейной промышленности.

Научно-техническая эффективность проекта направлен на решение национального проекта Республики Казахстан «Технологический рывок за счет цифровизации, науки и инноваций» и на совершенствование производства качественных металлопродукции.

Результаты научных исследований будут опубликованы на международных конференциях, а также в рецензируемых зарубежных или отечественных изданиях рекомендованном КОКСНВО в данной области и поэтому будут доступны для ученых. Результаты испытаний будут заактированы и рекомендованы производственным организациям по внедрению технологии комплексной переработки высокофосфористых оолитовых железных руд с использованием твердофазное селективное восстановление железа газами на основе водорода и с дальнейшим пирометаллургическим разделением, с получением металлического железа и фосфористого шлака.

1) В настоящее время наиболее актуальным направлением для переработки высокофосфористых оолитовых руд является использование водорода в качестве восстановителя для селективного восстановления железа. Разработка и реализация прорывной технологии применения водорода в качестве восстановителя в черной металлургии в промышленных масштабах позволит вовлечь в производство комплексных, бедных и сложных руд. Для изучения минералогического состава исходной руды выполнен рентгенофазовый анализ (РФА) на дифрактометре Rigaku Ultima IV. По результатам РФА основными фазами исходной оолитовой руды Лисаковского месторождения является гётит (FeO(OH)), магнетит (Fe3O4) и кварц (SiO2), кроме того, выявляются карбонаты железа, кальция и магния. Фосфор в исходной руде содержится в виде гидрофосфатов железа (FePO4·2H2O) и кальция (CaHPO4·2H2О), а также фосфата алюминия (AlPO4). При обжиге (1200℃) в атмосфере воздуха гётит (FeО(OH)) теряет воду и превращается в гематит (Fe2O3). Фосфор в продукте обжига присутствует в виде соединений FePO5 и AlPO4. Элементный состав исходной и обожженной руды определялся методом микрорентгеноспектрального анализа на сканирующем электронном микроскопе Jeol JSM-7001F. Выявлено, что исходная и обожженная руда содержит элементы Mg, Al, Si, P, Ca, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr. После окислительного обжига оолиты не разрушаются, имеют также круглую форму, однако в них появляются небольшие трещины.

2) Бастапқы кеннің минералогиялық құрамын зерттеу үшін Rigaku Ultima IV дифрактометрінде рентгендік фазалық талдау (РФА) жүргізілді. РФА нәтижелері бойынша Лисаков кен орнының бастапқы оолит кенінің негізгі фазалары гётит (FeO(OH)), магнетит (Fe3O4) және кварц (SiO2) болып табылды, сонымен қатар темір, кальций және магний карбонаттары анықталды. Фосфор бастапқы кенде темір гидрофосфаты (FePO4·2H2O) және кальций гидрофосфаты (CaHPO4·2H2О), сондай-ақ алюминий фосфаты (AlPO4) түрінде болады. Ауа атмосферасында күйдіру кезінде (1200°) гётит (FeО(OH)) суды жоғалтады және гематитке (Fe2O3) айналады. Фосфор күйдіру өнімінде FePO5 және AlPO4 қосылыстары түрінде болады. Бастапқы және күйдірілген кендердің элементтік құрамы Jeol JSM-7001F сканерлеуші электронды микроскопта микрорентгендік спектральдық талдау әдісімен анықталды. Бастапқы және күйдірілген кен Mg, Al, Si, P, Ca, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr элементтерінен тұратыны анықталды. Тотықтырып күйдіргеннен кейін оолиттер бұзылмайды, сол дөңгелек пішінді болады, бірақ оларда аздаған жарықтар пайда болады.