Применение сложного восстановителя Si–Al–Fe для производства никельсодержащего сплава

Более чистые металлы для повседневных изделий

Никель и хром скрываются во многих вещах, на которые мы полагаемся, — от столовых приборов из нержавеющей стали до авиационных двигателей. Однако производство этих металлов обычно обходится дорого по энергии и сопровождается большими выбросами парниковых газов. В этом исследовании рассматривается альтернативный способ превращения низкокачественных никелевых руд в полезный сплав с сокращением использования углеродного топлива, что открывает перспективу более экологичного производства повседневных материалов.

Почему нынешнее производство никеля — проблема

Большая часть никеля сегодня производится путём нагрева латеритных руд с углеродсодержащими материалами, такими как кокс или уголь. В таких печах углерод отнимает кислород у никеля и железа, но процесс выделяет большие объемы диоксида углерода и других газов. Он также требует очень высоких температур, часто выше 1350 °C, и может образовывать нежелательные углеродосодержащие соединения, усложняющие последующую рафинировку. По мере снижения качества руд и ужесточения экологических норм этот традиционный путь становится всё менее оправданным, что стимулирует поиск более чистых подходов.

Альтернативный путь с активными металлами

Исследователи изучили металлотермический метод, при котором более активные металлы выполняют роль, обычно отводимую углеродом. Они сосредоточились на сложном материале под названием ферросиликоалюминий, или FeSiAl, который объединяет железо, кремний и алюминий в одном восстановителе. С помощью компьютерного моделирования они сравнительно оценили, насколько хорошо кремний сам по себе, алюминий сам по себе и комбинация Si–Al способны оттягивать кислород от никелевых соединений в руде. Расчёты показали, что совместное использование кремния и алюминия делает восстановительные реакции более благоприятными в широком диапазоне температур, то есть никель можно освободить легче и при несколько более низких температурных условиях печи.

Наблюдение за превращением руды при нагреве

Чтобы увидеть, как реакции разворачиваются на практике, команда нагревала образцы руды, смешанные с разными восстановителями, одновременно внимательно отслеживая изменения массы и тепловые эффекты. Эти испытания выявили моменты, когда минералы в руде теряли воду, разрушались и начинали реагировать с добавленными металлами. Анализируя эти кривые, учёные оценили, сколько энергии требуется для ключевых этапов. Смесь с FeSiAl требовала значительно меньшей энергии активации, чем смеси с обычным ферросилицием или шлаками, богатыми алюминием, что указывает на сильный эффект «взаимопомощи» при совместном действии кремния и алюминия. В практическом плане система ведёт себя более плавно и контролируется диффузией, что облегчает образование и отделение металла.

Поиск оптимума параметров печи

Затем с помощью компьютерных симуляций исследовали множество комбинаций температуры, количества FeSiAl и добавки извести, которая помогает формировать пригодный для плавки шлак. Используя структурированный план экспериментов, авторы построили карту влияния этих факторов на долю железа и хрома, переходящую в металл, и на растворение кремния в итоговом сплаве. Они выделили оптимальное окно примерно в 1300–1350 °C, при примерно 10 % FeSiAl и 38–40 % извести по массе. В этих условиях почти весь никель переходит в металл, значительные доли железа и хрома также извлекаются, а содержание кремния в сплаве остаётся в полезном диапазоне.

Испытание метода в печи

Чтобы проверить соответствие модели реальности, команда провела крупномасштабное лабораторное плавление в электрической печи, используя руду с месторождения Батамша в Казахстане. Работая в оптимизированном диапазоне, они получили 9,5 кг твёрдого сплава, главным образом состоящего из железа, с примерно 8 % никеля, 18 % кремния и несколькими процентами хрома, а также небольшим количеством алюминия. Химический анализ показал, что весь никель, большая часть хрома и заметная доля железа были извлечены в металл. Остальной шлак содержал очень мало оксида никеля, что подтверждало эффективное извлечение ценного металла, при этом его состав оставался пригодным для промышленной обработки.

Что это означает для будущего стали и сплавов

Исследование делает вывод, что использование FeSiAl в качестве сложного восстановителя представляет собой перспективную альтернативу углеродному плавлению низкосортных никелевых руд. Поскольку FeSiAl содержит очень мало углерода, прямые выбросы CO2 на этапе плавления могут значительно снизиться, а слегка пониженные температуры помогают экономить энергию. Получаемый Fe–Ni–Si–Cr–Al сплав не является стандартным ферроникелем, но может служить мастер-сплавом в сталеплавильном производстве, где его кремний помогает удалять кислород из расплава, а никель и хром улучшают прочность и коррозионную стойкость. С дополнительными исследованиями жизненного цикла и промышленными испытаниями этот подход может помочь производителям металлов поставлять никелесодержащие материалы, необходимые современным технологиям, с меньшим экологическим следом.

Цитирование: Yessengaliyev, D., Kelamanov, B., Zayakin, O. et al. Application of a complex Si–Al–Fe reducing agent for the production of a nickel-containing alloy. Sci Rep 16, 14856 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45605-y

Ключевые слова: никелевый латерит, металлотермия, ферросиликоалюминий, низкоуглеродное плавление, никелевый сплав