Проведено научное обоснование выбора и подготовки твердофазного исходного сырья, проанализированы термодинамические и кинетические аспекты твердотельного гидридного синтеза (ТГС) металлических продуктов на примере восстановления дихлорида никеля. Описаны режимы предварительного обезвоживания и методики контроля полного удаления кристаллогидратной воды из хлоридного сырья и оленегорского суперконцентрата – природного оксидного сырья. Установлены условия, включая размеры частиц исходного твердого хлорида, при которых минимизируются диффузионные осложнения восстановления до металла в парах метилдихлорсилана. Проведены термодинамические оценки возможности восстановления в равновесных условиях хлоридов и оксидов никеля, железа и меди аммиаком и метаном при температурах 400-1000 К. Показано, что рассчитанные методом термодинамического моделирования стехиометрические коэффициенты брутто-реакции восстановления дихлорида никеля в аммиаке соответствуют экспериментальным данным. В отличие от восстановления дихлорида меди для дихлорида никеля нехарактерно образование монохлорида металла на промежуточной стадии, что связывается с большей термоустойчивостью дихлорида никеля. Рассмотрены основные кинетические закономерности восстановления никеля, меди и железа до металла в условиях ТГС в среде аммиака, моносилана и метана, а также последовательного восстановления дихлорида никеля парами метилдихлорсилана и метаном. Аппроксимация экспериментальных данных топохимическими уравнениями в линейной форме показала, что для степеней восстановления a до 0,7-0,8 эти данные удовлетворительно описываются уравнением Рогинского – Шульц. При a > 0,8 лучше работает модель «сжимающейся сферы», которая подтверждает локализацию твердотельной реакции восстановления на границе раздела, продвигается вглубь кристалла с образованием слоя сомкнувшихся металлических зародышей. Обсуждены важность и перспективы полученных результатов для развития теории металлургических процессов, глубокой комплексной переработки природного железооксидного сырья, получения металлопродукции и материалов нового поколения, включая супергидрофобные. Отмечена актуальность проведенного исследования с точки зрения применения метода физико-химического анализа для изучения сложных гетерогенных металлургических процессов.

A scientific substantiation of solid-phase feedstock choice and preparation has been carried out, and the thermodynamic and kinetic aspects of solid-state hydride synthesis (SHS) of metal products have been analyzed using the nickel dichloride reduction as an example. The preliminary dehydration modes and methods for controlling the complete removal of crystalline water from chloride raw materials and Olenegorsk superconcentrate, which is natural oxide raw material, are described. Conditions, including initial solid chloride particle sizes, are established under which diffusion complications of reduction to metal in methyldichlorosilane vapor are minimized. Thermodynamic estimates of nickel chlorides and oxides reduction possibility, iron and copper with ammonia and methane at temperatures of 400-1000 K in equilibrium conditions have been carried out. It has been shown that the stoichiometric coefficients of the nickel dichloride in ammonia overall reduction reaction calculated by thermodynamic modeling are in agreement with experimental data. In contrast to the copper dichloride reduction, for nickel dichloride the formation of metal monochloride at the intermediate stage is uncharacteristic, which is associated with a higher thermal stability of nickel dichloride. The main kinetic regularities of the reduction of nickel, copper, and iron to metal under SHS conditions in ammonia, monosilane, and methane, as well as the nickel dichloride with methyldichlorosilane vapor and methane successive reduction, are considered. Approximation of experimental data by topochemical equations in a linear form showed that for reduction degrees a up to 0.7-0.8, these data are satisfactorily described by the Roginsky – Schultz equation. For a > 0,8 the “shrinking sphere” model works better, which confirms the localization of the solid-state reduction reaction at the interface, moves deep into the crystal with the formation of a of interlocked metal germs. The importance and prospects of the results obtained for the theory development of metallurgical processes, deep complex processing of natural iron oxide raw materials, metal products and new generation materials production, including superhydrophobic ones, are discussed. The relevance of the study from the point of view of applying the method of physical and chemical analysis to the study of complex heterogeneous metallurgical processes is noted.