Development of a Thermodynamic Database for Nickel-Containing Oxide Systems for Simulation of Nickel Extraction from Laterite Ores

Un vaste programme de recherche collaborative s'est concentré sur le développement d'une base de données thermodynamiques auto-cohérente pour la simulation de l'extraction du nickel à partir de minerais latéritiques. Des systèmes chimiques pertinents pour le traitement de minerais latéritiques ont été étudiés expérimentalement et optimisés thermodynamiquement. En général, les dépôts de minerais latéritiques sont constitués de mélanges hétérogènes d'oxydes de fer hydratés et de silicates de magnésium hydratés. La base des minerais latéritiques est l'olivine (Fe, Mg)2SiO4, qui contient souvent de faibles quantités de nickel à cause de la proximité des rayons ioniques de Fe2+, Mg2+ et Ni2+. Les technologies existantes produisant actuellement du nickel dans le monde entier utilisent seulement environ la moitié des gisements de latérites de nickel ; d'autres sources ne sont pas utilisées en raison de la minéralogie complexe. Pour créer des procédés de récupération de Ni à partir de minerais latéritiques qui soient rentables, respectueux de l'environnement et peu coûteux en énergie, il est important de pouvoir effectuer des calculs fiables d'équilibres de phases dans le système multi-composant Al–Ca–Cr–Fe–Mg–Ni–O–Si, où Fe, Al2O3, MgO, NiO et SiO2 sont les principaux constituants des scories et des phases d'oxydes de la pyrométallurgie du nickel. Le présent programme de recherche a relevé ce défi. Il visait à développer une base de données thermodynamiques pour les systèmes d'oxydes contenant NiO dans le système multi-composant Al2O3–CaO–FeO–Fe2O3–MgO–NiO–SiO2 (Al–Ca–Fe–Mg–Ni–O–Si) à haute température d'intérêt pour les procédés pyrométallurgiques du nickel. Le projet a été réalisé grâce aux efforts conjoints de deux groupes de recherche. Le développement de la base de données a été effectué au Centre de Recherche en Calcul Thermochimique, Montréal, Canada par le biais de la modélisation thermodynamique, qui était étroitement liée aux études expérimentales d'équilibres de phases réalisées par nos collègues du Centre de Recherches Pyrométallurgiques (PyroSearch), Brisbane, Australie. Cette approche collaborative a considérablement augmenté l'efficacité de l'ensemble du programme en réduisant le nombre de travaux expérimentaux nécessaires et en fournissant des données expérimentales spécifiques pour la modélisation thermodynamique. Les évaluations thermodynamiques ont permis d'identifier les priorités pour les expériences et de planifier des mesures expérimentales pour fournir des données spécifiques pour la modélisation thermodynamique. Un examen et une évaluation critique de la littérature publiée antérieurement sur la thermodynamique et les équilibres de phases dans les systèmes contenant NiO ont été réalisés. Les paramètres des modèles ont été optimisés pour reproduire une grande variété de données recueillies dans la littérature, incluant les données d'équilibres de phases, les propriétés thermodynamiques (capacité calorifique, entropie, enthalpie, énergie de Gibbs) et les données de distribution de cations. Cependant, pour plusieurs sous-systèmes d'ordre inférieur, les données manquaient dans la littérature parce que ces sous-systèmes n'ont pas d'importance directe pour les applications pratiques. Lorsqu'il n'y avait pas suffisamment de données pour contraindre les paramètres du modèle ou lorsque des divergences importantes ont été observées dans les données disponibles, un programme expérimental a été proposé à nos collègues du Centre PyroSearch. Un nombre limité de mesures expérimentales ont été prévues à des températures et à des compositions jugées les plus utiles pour la modélisation thermodynamique. De cette façon, la quantité de travail nécessaire pour obtenir une description thermodynamique précise d'un système multi-composant a été significativement réduite. La procédure expérimentale a impliqué un équilibrage à haute température en atmosphère de gaz contrôlée et une trempe ultra rapide suivie par une microanalyse aux rayons X à l'aide d'une sonde électronique (EPMA) des échantillons trempés. Comme l'analyse a eu lieu après l'équilibrage, les changements de composition pendant l'équilibrage n'ont pas affecté la précision des résultats. Les conodes entre les phases liquides et solides à l'équilibre ont été mesurées directement, fournissant ainsi des données essentielles pour la modélisation thermodynamique ultérieure. L'ensemble des données expérimentales, incluant les nouveaux résultats expérimentaux et les données publiées antérieurement, a été pris en considération lors de la modélisation thermodynamique des phases d'oxydes du système multi-composant Al2O3–CaO–FeO–Fe2O3–MgO–NiO–SiO2 (Al–Ca–Fe– Mg–Ni–O–Si) à une pression totale de 1 atm et pour une large gamme de températures et de pressions partielles d'oxygène. La modélisation thermodynamique a été réalisée à l'aide du logiciel thermochimique FactSage et de ses bases de données. Toutes les phases solides et liquides de 4 systèmes binaires: CaO-NiO, MgO-NiO, NiO-SiO2, Al2O3-NiO, 7 systèmes ternaires: CaO-MgO-NiO, CaO-NiO-SiO2, MgO-NiO-SiO2, Al2O3-NiO-SiO2, Al2O3- MgO-NiO, Al2O3-FeO-Fe2O3, FeO-Fe2O3-NiO, 5 systèmes quaternaires: CaO-MgO-NiO-SiO2, Al2O3-FeO-Fe2O3-NiO, FeO-Fe2O3-MgO-NiO, FeO-Fe2O3-NiO-SiO2, CaO-FeO-Fe2O3-NiO, et 2 systèmes quinaires, Fe-Mg-Ni-O-Si et Ca-Fe-Ni-O-Si, du système chimique multi-composant ont été optimisées dans la présente étude. Les optimisations sont auto-cohérentes et compatibles avec les bases de données existantes FToxid et FSstel du logiciel FactSage. Les modèles utilisés sont basés sur la structure de la solution considérée. Le Modèle Quasichimique Modifié, qui prend en compte l'ordre à courte distance entre les cations seconds voisins, a été utilisé pour la phase de scories (oxyde fondu). Des modèles basés sur le « Compound Energy Formalism » ont été développés pour les solutions solides d'olivine, de spinelle et de pyroxène. Un modèle de mélange aléatoire simple avec une expansion polynômiale de l'énergie de Gibbs en excès a été utilisé pour les solutions solides de monoxyde et de corindon. Un ensemble de fonctions d'énergie de Gibbs auto-cohérentes a été obtenu qui assure la meilleure description possible des propriétés thermodynamiques et des équilibres de phases dans le système chimique considéré. Les données de la littérature sont reproduites dans les limites de l'erreur expérimentale. En utilisant les paramètres du modèle optimisés, des prévisions très utiles des équilibres de phases dans les systèmes multi-composants ont été réalisées. Les propriétés des solutions de spinelle, de monoxyde, d'olivine et de corindon dans les systèmes chimiques Al–Fe–Ni–O, Al–Mg–Ni–O, Fe–Mg–Ni–O, Ca–Fe–Ni–O et Fe–Mg–Ni–O–Si et de la phase de scories dans le système Ca–Fe–Ni–O–Si ont été prédites uniquement à partir des paramètres des modèles optimisés pour les solutions binaires (ternaires) correspondantes. La comparaison ultérieure avec les données thermodynamiques et d'équilibres de phases disponibles a montré que les modèles ayant un sens physique que nous avons appliqués ont une excellente capacité à prédire les relations de phases dans les systèmes multi-composants. De cette façon, nous avons démontré l'efficacité de l'approche appliquée consistant en un couplage entre les expériences et la modélisation. La base de données actuelle a été incorporée dans les bases de données existantes de FactSage. Ainsi, la gamme d'applications des bases de données de FactSage a été élargie, et les bases de données existantes ont été mises à jour pour décrire les données expérimentales d'intérêt industriel les plus récentes et les plus précises. La base de données obtenue couplée à un logiciel de minimisation de l'énergie de Gibbs permet de prédire les équilibres de phases de liquidus et de solidus ainsi que certaines propriétés thermodynamiques dans les conditions (gamme de compositions, de températures et de pressions partielles d'oxygène) les plus utiles pour les opérations métallurgiques et les pratiques d'ingénierie. La base de données est pertinente pour plusieurs types de procédés pyrométallurgiques pour les minérais lattéritiques comme le procédé de ‘'reduction roasting'' ou le procédé de ‘'electric furnace smelting''.