The main pyrometallurgical methods are one-stage electric smelting and the two-stage process according to the “tubular furnace – smelting unit” scheme. Both processing routes involve the use of carbon as a reducing agent, which in turn leads to the formation of metallic iron products and a titanium oxide concentrate based on anosovite – Ti₃O₅. The reduction roasting of ilmenite concentrate makes it possible to selectively reduce iron from ilmenite concentrate using both carbon and hydrogen, resulting in soft iron and a titanium oxide concentrate with a rutile structure – TiO₂. It has been shown that the process of carbothermic reduction of iron from ilmenite at 1300 ℃ proceeds according to the reaction: 3FeTiO₃ + 4C = 3Fe + Ti₃O₅ + 4CO. At a temperature of 900 ℃, the reduction of iron from ilmenite with carbon and hydrogen proceeds according to the reactions: FeTiO₃ + C = Fe + TiO₂ + CO, FeTiO₃ + H₂ = Fe + TiO₂ + H₂O. The results of energy consumption calculations are presented for the carbothermic reduction reactions at 1300 ℃ and 900 ℃, as well as for the hydrogen reduction at 900 ℃. According to the calculations, the lowest energy consumption is observed during the reduction of iron with hydrogen at 900 ℃, amounting to 215.81 kJ. At the same temperature, the total energy consumption for carbon reduction is 341.29 kJ. The total energy consumption for the reaction of ilmenite with carbon at 1300 ℃ amounts to 484.51 kJ. A comparison of the calculation results shows that the reduction of iron with hydrogen at 900 ℃ is 1.58 times less energy-intensive than carbothermic reduction at the same temperature, and 2.25 times less energy-intensive than carbothermic reduction at 1300 ℃. The carbothermic reduction of iron at 1300 ℃ requires even greater energy expenditure due to heating the charge to a higher temperature and the partial reduction of titanium to a lower oxide – anosovite (Ti₃O₅).

SMIRNOV K.I.

Candidate of technical sciences, researcher at the research institute «Hydrogen technologies in metallurgy», South Ural State University (NIU), Chelyabinsk, Russian Federation

E-mail: smirnovk@susu.ru, https://orcid.org/0009-0001-3678-2636

1. Косырев К. Л., Еланский Д. Г., Бараненко М. А. Итоги XVI Международного конгресса сталеплавильщиков // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2021. Т. 77. №. 8. С. 869-875.
2. Григорович К. В. Металлургия XXI века: вызовы и задачи модернизации отрасли в РФ // Физико-химические основы металлургических процессов (ФХОМП 2022). 2022. С. 37-44.
3. Seftejani N. M., Schenk J. Thermodynamic of liquid iron ore reduction by hydrogen thermal plasma // Metals. 2018. V. 8. № 12. 1051.
4. Spreitzer D., Schenk J. Reduction of iron oxides with hydrogen—a review // Steel Research International. 2019. V. 90. № 10. 1900108.
5. John D. H. S., Hayes P. C. Microstructural features produced by the reduction of wustite in H2/H2O gas mixtures // Metallurgical Transactions B. 1982. V. 13. P. 117‒124.
6. Matthew S. P., Cho T. R., Hayes P. C. Mechanisms of porous iron growth on wustite and magnetite during gaseous reduction // Metallurgical Transactions B. 1990. V. 21. P. 733‒741.
7. Matthew S. P., Hayes P. C. Microstructural changes occurring during the gaseous reduction of magnetite // Metallurgical Transactions B. 1990. V. 21. P. 153‒172.
8. Matthew S. P., Hayes P. C. In situ observations of the gaseous reduction of magnetite // Metallurgical Transactions B. 1990. V. 21. P. 141‒151.
9. Farren M., Matthew S. P., Hayes P. C. Reduction of solid wustite in H2/H2O/CO/CO2 gas mixtures // Metallurgical Transactions B. 1990. V. 21. P. 135‒139.
10. Рощин В.Е., Рощин А.В., Кузнецов Ю.С., Гойхенберг Ю.Н. Технологические и материаловедческие аспекты перехода в черной металлургии на безуглеродные процессы // Черные металлы. 2021. №11. С. 10-16.
11. Рощин В.Е., Гамов П. А., А.В. Рощин, С.П. Салихов Перспективы освоения водородных технологий в отечественной металлургии // Чёрная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2023. T 79. №2, C.144-153.
12. Леонтьев Л. И., Волков А. И. Состояние и развитие минерально-сырьевой базы и продукции металлургии для обеспечения импортонезависимости России // Физико-химические основы металлургических процессов (ФХОМП 2022). 2022. С. 18-36.
13. Гудима Н. В., Шейн Я. П. Краткий справочник по металлургии цветных металлов. — М.: Металлургия, 1975. — 536 с.
14. Уткин Н.И. Производство цветных металлов. – М.: Интермет Инжиниринг, 2004. – 442 с.
15. Садыхов Г. Б. Фундаментальные проблемы и перспективы использования титанового сырья в России // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2020. Т. 63. №. 3-4. С. 178-194.
16. Стариков А.И., Ведешкин М.В., Монетов Г.В. Мировой и отечественный опыт переработки титансодержащего железорудного сырья // Проблемы комплексной переработки титаномагнетитов Южного Урала. – Магнитогорск: Магнитогорский дом печати. 2001. С. 35-47.
17. Смирнов К. И., Гамов П. А., Самолин В.С., Рощин В. Е. Селективное восстановление железа из ильменитового концентрата // Черные металлы. 2024. № 6. С. 10-16.
18. Кубашевский О., Олкокк К. Б. Металлургическая термохимия. — М.: Металлургия, 1982. — 392 с.

Ilmenite, carbothermic reduction, hydrogen reduction, , solid-phase reduction, iron, titanium dioxide, rutile, anosovite