AP19579175 – «Жоғары фосфорлы оолит кендерінен темірді сутегі газымен селективті тотықсыздандыру процесін зерттеу»

Болаттың ең көп үлесі темір тотықтарының көміртегімен тотықсыздануынан алынады, бұл СО2-нің үлкен антропогендік шығарындыларына әкеледі, бұл барлық өнеркәсіптік СО2 шығарындыларының ≈30% құрайды. Бұл сандар болат өндірісін жаһандық жылынудың ең үлкен себебі ретінде көрсетеді және декарбонизацияның өзекті мәселесін тудырады. Болат өндірісінің бүкіл тізбегі бойынша домна пештеріндегі темір кенін көміртегімен тотықсыздандыру СО2 шығарындыларының 80-90%-ын құрайды.

Болат өндірісінің ұлғаюына байланысты өндіріске барған сайын күрделі минералогиялық құрамға ие темір кенінің кен орындары, сондай-ақ құрамында фосфордың мөлшері жоғары (0,4-1,8%) кендер, атап айтқанда, оолит кендері өте ірі кен орындары түрінде кең таралған. ҚР-да оолит кендері темір кені шикізатының есепке алынған қорларының негізгі бөлігін құрайды, олардың 60%-дан астамы Лисаковск, аят, Көкбұлақ, Құтанбұлақ және Талдыеспе кен орындарына шоғырланған.

Дәстүрлі байыту әдістерімен кендегі фосфорды азайту қиын, өйткені темір тотығы мен бос жыныстың фазалары тығыз байланысты және диссоциациялануы қиын. Домна пешіндегі жоғары фосфорлы кенді тотықсыздандыру процесінде фосфордың барлығы дерлік шойынға өтеді, бұл әрі қарай қож көлемінің ұлғаюына және болат балқыту кезінде электр энергиясының жоғалуына әкеледі. Осылайша, жоғары фосфорлы темір кендерінің фосфорсыздандырылуы осы кендерді өңдеудегі маңызды кезең болып табылады.

Металдандырылған материал алу отырып, темір мен фосфорды бөлу мақсатында темірді газ фазалық селективті тотықсыздандыру процесін жүргізу ұсынылады. Темірдің фосфорсыз селективті тотықсыздануын жүзеге асыру үшін сутегі қолданылады. Металлургияда сутегіні пайдалану мәселелері қазіргі уақытта темір металлургиясынан экологияға жүктемені азайту қажеттілігіне байланысты өзектілігін арттыруда.

1) Ержанов Алмас Сатыбалдыевич —  философия докторы (PhD), қауымдастырылған профессор, жоба жетекшісі.

Scopus ID: 56524559600

Researcher ID: AFL-9951-2022

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

2) Қуатбай Ербол Қуатбайұлы – философия докторы (PhD), жобаның орындаушысы.

Scopus ID: 57218196966  

Researcher ID: ABE-5679-2021 

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

3) Жүнісқалиев Талғат Тоқашұлы – философия докторы (PhD), Ғылым, инновациялар және халықаралық ынтымақтастық департаментінің аға ғылыми қызметкері, жобаның орындаушысы.

Scopus ID: 57218196497  

Researcher ID: AAG-6131-2021  

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

4) Гамов Павел Александрович – Техника ғылымдарының кандидаты, доцент.

Scopus ID: 55618981700

Researcher ID: LSO-9119-2024

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

5) Сүлеймен Бақыт Темірғалиұлы – Ғылым, инновациялар және халықаралық ынтымақтастық департаментінің ғылыми қызметкері, жобаның орындаушысы.

Scopus ID: 57215054180

Researcher ID: OBY-0860-2025

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

6) Қосдаулетов Нұрлыбай Ырғызбайұлы – Ғылым, инновациялар және халықаралық ынтымақтастық департаментінің ғылыми қызметкері, жобаның орындаушысы.

Scopus ID: 57215058827

Researcher ID: OBP-2228-2025

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

7) Адилов Галымжан Алибекович – Ғылым, инновациялар және халықаралық ынтымақтастық департаментінің ғылыми қызметкері, жобаның орындаушысы.

Scopus ID: 57213596057

Researcher ID: ABL-6521-2022

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

8) Әбдірашит Асылбек Мирамханұлы – техника ғылымдарының магистрі, жобаның орындаушысы.

Scopus ID: 57218196252

Researcher ID: ABE-5588-2021

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

Жобаны іске асыру кезінде пирометаллургиялық процестерде селективті қатты фазалық тотықсыздандыруды қолдану Қазақстанның қара металлургиясының шикізат базасын кеңейтуге мүмкіндік беретіні көрсетіледі. Бұл жобаның орындалуы оолит темір кенінің компоненттерінің химиялық және фазалық түрленуін кешенді зерттеуге мүмкіндік береді. Нәтижесінде тотықсыздандырып күйдіру процесінде темір мен фосфордың бөлінуі туралы жаңа теориялық және эксперименттік мәліметтер алынады, сонымен қатар фосфорсызданудың тиімділігі және оны қолданыстағы процестерде пайдалану мүмкіндігі бағаланады.

Жобаның күтілетін нәтижелерін экономикада, оның ішінде жаңа қолданылатын технологияларды құру үшін практикалық пайдалану мүмкіндігі алынған нәтижелер негізінде тотықсыздандырып күйдірудің оңтайлы параметрлері (уақыт, температура, газ фазасының құрамы) және бөліп балқытудың оңтайлы параметрлері (уақыт, температура, қож фазасының құрамы) ұсынылатындығымен бағаланады, оларды фосфорсыз болат ала отырып, заманауи кокссыз технологиялармен оолит кендерінен болат алу технологиясын әзірлеу кезінде пайдалануға болады.

Жобаның экологиялық әсері кеннен темірді тікелей тотықсыздандыру үшін сутегі газын пайдалану болады, бұл болат өнеркәсібіндегі СО2-нің жаппай антропогендік шығарындыларын айтарлықтай төмендетеді.

Жобаның ғылыми-техникалық тиімділігі Қазақстан Республикасының «Цифрландыру, ғылым және инновациялар есебінен технологиялық серпіліс» ұлттық жобасын шешуге және сапалы металл өнімдерін өндіруді жетілдіруге бағытталған.

Ғылыми зерттеулердің нәтижелері халықаралық конференцияларда, сондай-ақ осы салада ҒЖБССҚК ұсынған рецензияланатын шетелдік немесе отандық басылымдарда жарияланады, сондықтан ғалымдар үшін қолжетімді болады.

Сынақ нәтижелері актіленетін және сутегі негізіндегі газдармен темірді қатты фазалық селективті тотықсыздандыруды, одан әрі металдық темір мен фосфорлы қожды алу үшін пирометаллургиялық бөлуді қолдана отырып, жоғары фосфорлы оолит темір кендерін кешенді өңдеу технологиясын енгізу бойынша өндірістік ұйымдарға ұсынылатын болады.

1. Жоғары фосфорлы оолит темір кендерін өңдеудің қолданыстағы және ұсынылған технологияларына және олардың кемшіліктеріне, сондай-ақ металлургияда сутегіні қолдану перспективасына аналитикалық шолу жасалды. Оолит кенін және оның концентратын фосфорсыздандырудың оолит құрылымды кен материалының бөлшектеріне әсер етудің физикалық, химиялық және аралас әдістеріне негізделген бірнеше әдісі белгілі. Оолит кендерін концентраттар ала отырып, тотықсыздандырып күйдіру және содан кейін оларды магниттік бөлу жолымен байыту әдістері ұсынылады. Бірақ тотықсыздандырып күйдіру кезінде фосфор металл фазасына өтеді, кейін магниттік бөлу кезінде ол магниттік фракцияға түседі. Сондықтан концентраттан фосфорды бұл байыту әдістерімен жою мүмкін емес. Сондай-ақ, фосфордың металл мен тотық фазасы арасында бөлінуіне әсер ететін әртүрлі қоспалармен араласқан фосфорлы оолит кенін магниттеп күйдіру процесін зерттеу нәтижелері келтірілген. Алайда, мұндай әдістер өңдеу құнын арттыратын қосымша материалдарды қолдануды талап етеді. Сонымен қатар, қоспалар металдандыру процесіне әрқашан оң әсер етпейді және іс жүзінде тек зертханалық деңгейде айтарлықтай нәтижелерге әкеледі. Оолит кендерін фосфорсыздандырудың пирометаллургиялық әдістерінен басқа гидрометаллургиялық процестер белгілі. Сондай-ақ, өңдеудің біріктірілген пиро-гидрометаллургиялық әдістері ұсынылады. Алайда фосфорды гидрометаллургиялық процестермен бөлу үшін химиялық реагенттерді қолдану экологиялық жағынан қолайсыз және экономикалық жағынан тиімсіз. Оолит құрылымды кен материалының бөлшектеріне әсер етудің биологиялық әдістері де ұсынылады. Биосілтісіздендіру әдетте көп уақытты қажет етеді. Биологиялық әдістер көп өңдеу ұзақтығын қажет етеді. Сілтісіздендіру бактериялары өндіріс тиімділігіне әсер ететін жинауды, бөлуді, өсіруді және үйретуді қажет етеді. Жоғарыда аталған себептерге байланысты темір кенді шикізатынан фосфорды жоюдың барлық аталған әдістері әлі практикалық қолданысқа ие болған жоқ. Қазіргі уақытта жоғары фосфорлы оолит кендерін өңдеудің ең өзекті бағыты темірді селективті тотықсыздандыру үшін тотықсыздандырғыш ретінде сутегіні қолдану болып табылады. Өнеркәсіптік ауқымда қара металлургияда тотықсыздандырғыш ретінде сутегіні қолданудың серпінді технологиясын әзірлеу және іске асыру өндіріске кешенді, кедей және күрделі кендерді тартуға мүмкіндік береді.

(мамыр, 2023 ж. – маусым, 2023 ж.)

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.

(шілде, 2023 ж. – 15 қараша, 2023 ж.)

3. Термодинамикалық талдау TERRA термодинамикалық жүйелерін есептеу бағдарламасы арқылы жүзеге асырылды. Есептеу 100 г күйдірілген кенге жүргізілді. Есептеулерді орындау үшін TERRA бағдарламасының заттардың термохимиялық тұрақтыларының деректер қорына Fe3P темір фосфиді үшін жетіспейтін деректер енгізілді. Стандартты энтальпияның өзгеру шамасы 0-298 К температура мәндері аралығындағы жылу сыйымдылығының температураға сызықтық тәуелділігіне сүйене отырып есептелді, нәтижесінде H°298 – H°0 = 15076 Дж/моль×К. алынды. Тотықсыздандыру процесін есептеу 600-1600 К температура аралығында 50 К қадаммен орындалды. Жүйенің тұрақты параметрі: жүйенің жалпы қысымы 0,1 МПа (1 атм.). Есептеуде 1000-1400 К температура аралығы қабылданды. Температураның осы аралығында тотықсыздандыру кезінде фосфор мен темірдің селективті бөлінуі мүмкін. Төмен температурада темірдің тотықсыздану дәрежесі төмен, ал фосфор тотықсызданбайды, жоғары температурада фосфор тотықсызданады және селективті бөліну болмайды. Термодинамикалық модельдеуде тотықсыздандырғыш ретінде сутегі қолданылды. Есептеу нәтижесінде элементтердің таралуының температураға және тотықсыздандырғыш мөлшеріне тәуелділік графигі тұрғызылды.

(қаңтар, 2024 ж. – наурыз, 2024 ж.)

4. Термодинамикалық есептеуде 100 г тотыққан материалдан темірді толық тотықсыздандыру үшін стехиометриялық есептеу бойынша 2,46 г Н2 қажет. Алдын-ала есептеулерден кейін жүйедегі сутегі мөлшері 2,5 есе артық қабылданды, бұл 100 г кенге 6,15% Н2 құрады. 100 г кен үшін 6,15 г сутегіні қолданған кезде, 1375 К температурада жүйеде барлық темір толығымен металл фазасына өтеді, ал фосфор тотықсызданбай тотық фазасында қалады 3(CaO)∙P2O5. Есептеулер нәтижелеріне сәйкес, мұндай құрамдағы жүйеде келесі қосылыстар бар: Fe, FeO, Fe3O4, 3(CaO)∙P2O5, Н2О, Н2, MnO, Al2O3, MgO·SiO2, CaO·SiO2, SiO2. Есептеуде алынған мәліметтерге сүйене отырып, темірді селективті тотықсыздандыру температураның салыстырмалы жоғары (1375 К дейін) мәндерінде де тотықсыздандырғыштың нақты берілген мөлшерінде жүзеге асыруға болады деген қорытынды жасауға болады. Есептеу нәтижелері бойынша темірдің металл бөлігіне толық өтуі үшін 100 г кенге 6% таза сутегі жеткілікті. Тотықсыздандырғыш мөлшеріне байланысты температураның жоғарылауымен фосфор Fe3P түрінде металл бөлігіне өтеді.

(сәуір, 2024 ж. – маусым, 2024 ж.)

5. Рентгендік фазалық талдау нәтижелері тотықсыздандырғаннан кейін барлық үлгілерде гетит жойылатынын, α-темір фазасы пайда болатынын және SiO2 фазасы қалатынын көрсетті. Көміртегі монототығымен немесе сутегімен тотықсыздандырған үлгілерде фаялит пен магнетит фазалары пайда болады, сутегімен тотықсыздандыру температурасы 600-ден 900°С-қа дейін жоғарылағанда, бұл фазалардың шыңдарының қарқындылығы кемиді және металдық темір шыңы артады. 600°C температурада сутегімен тотықсыздандыру кезінде фосфор кальций, темір және алюминий фосфаттары түрінде болады, ал температура 700°C және одан жоғарылағанда фосфор тек AlPO4 фазасында болады. Алынған нәтижелер тотықсыздандырып күйдіргеннен кейін электрондық микроскопта үлгілерді зерттеу арқылы расталады. 600-800°C температурада сутегімен тотықсыздандырғаннан кейін үлгілерде фосфор іс жүзінде тотықсызданбады, бірақ 900°C температурада сутегімен тотықсыздандырған кезде фосфор тотықсызданады және металл фазасында микрорентгендік спектральдық талдау арқылы анықталады. Сутегімен тотықсыздандыру кезінде температураны басқару арқылы темір мен фосфорды селективті тотықсыздандыру үшін термодинамикалық және кинетикалық жағдайларды қамтамасыз етуге болады. Төмен температурада тек темір тотықсызданады, өйткені сутегі берік тотықтардан фосфорды тотықсыздандыру үшін жеткілікті энергияға ие емес, ал жоғары температурада термодинамикалық жағдайлар қолайлы болады, реакция кинетикасы жақсарады, ал сутегі темір мен фосфорды тотықсыздандырады. Осылайша, эксперименттердің нәтижелері газ тәріздімен тотықсыздандыру кезінде, атап айтқанда СО немесе сутегі, фосфорды тотық фазасында қалдырып, оолит кенінен тек темірді ғана селективті тотықсыздандыруға болатындығын көрсетеді.

(шілде, 2024 ж. – 15 қараша, 2024 ж.)

2023 жыл

1. Сулеймен Б. Т., Косдаулетов Н. Ы., Адилов Г. А., Ержанов А. С., Гамов П. А. (2023) Комплексное исследование состава и структурных особенностей железной руды Лисаковского месторождения. Наука и техника Казахстана, № 3, 173-183 с.

https://doi.org/10.48081/OVIQ4178 

2024 жыл

2. Suleimen, B., Kosdauletov, N., Adilov, G., Gamov, P., Salikhov, S., Kuatbay, Y., Zhuniskaliyev T., Kelamanov B., Yerzhanov A., Abdirashit, A. (2024). Selective Reduction of Iron in High-Phosphorus Oolitic Ore from the Lisakovsk Deposit. Materials, 17(21), 5271. https://doi.org/10.3390/ma17215271

2025 жыл

Өнертабысқа өтінім № 2025/0423.1. Ферросилиций қорытпасын балқытуға арналған шихта / Өтінім беруші: «Қарағанды индустриялық университеті» КЕАҚ, Сүлеймен Б.Т.; Ержанов А.С.; Қосдаулетов Н.Ы.; Адилов Г.А.; Келаманов Б.С.; Жүнісқалиев Т.Т.; Қуатбай Е.Қ.; Әбдірашит А.М.; Пушанова А.Т.; Жаслан Р.Қ.

Өтінім «QazPatent» зияткерлік меншік ұлттық институтында ресми сараптамадан өтіп, оң қорытынды алды.

Алынған күні: 02.05.2025 ж.