АР13068023 – «Fe-Si-Mn-Al кешенді лигатурасымен болатты өңдеу технологиясын зерттеу және әзірлеу»

Болат сапасының жалпы әлемдік стандарттары жыл сайын артып келеді, оның аясында бәсекелестіктегі өндірушілер сапаны жоғалтпай энергия ресурстары мен қолданылатын материалдарды үнемдеу арқылы металл өнімдерінің құнын төмендетуге тырысады. Металл емес қоспалардың аз мөлшері бар болат өндірісіне көп көңіл бөлінеді. Болатты өңдеу кезінде металл емес оксидті қосындылардың концентрациясының орталығы ретінде қызмет ететін өткір қырлары болады. Бұл фактордың әсерін мүмкіндігінше азайту керек. Болаттағы оттегінің концентрациясын төмендету үшін әртүрлі оттексіздендіру әдістері қолданылады. Оттексіздендіру болаттың сапасын жақсартудың негізгі кезеңі болып табылады.

Кешенді лигатуралар өндірісі шикізат пен материалдардың жаңа түрлерін қолдануды талап етеді, ал оның барлық компоненттерін барынша пайдалану техногендік емес шикізат материалдарын қайта өңдеуге және ферроқорытпаларды алудың аз және қалдықсыз технологияларын жасауға мүмкіндік береді.

Fe-Si-Mn-Al негізіндегі жаңа лигатураларды алудың ұсынылған технологиясы марганец ферроқорытпаларының стандартты сорттарын алуға жарамсыз жоғары кремнийлі және темір-марганец кендері мен энергетикада қолданылмайтын жоғары күлді көмірді пайдалануға негізделген.

Fe-Si-Mn-Al негізіндегі кешенді лигатуралар стандартты ферроқорытпаларға қарағанда бірқатар артықшылықтарға ие. Кешенді оттексіздендіргіштердің артықшылықтары әсіресе оттексіздендіру процесінің кинетикасына және металды оттексіздендіру өнімдерінен тазартуда айқын көрінеді. Өңделген металда металл емес қоспалардың ең аз мөлшері болады.

1) Келаманов Бауыржан Сатыбалдыұлы-техника ғылымдарының кандидаты, қауымдастырылған профессор, жоба жетекшісі.

Scopus ID: 25655181100  

Researcher ID: ABE-5597-2021  

https://orcid.org/0000-0001-7646-9153

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

Scopus ID: 57218196497  

Researcher ID: AAG-6131-2021 

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

3) Мұхамбетғалиев Ербол Кенжеғалиұлы-философия докторы (PhD), жобаның орындаушысы.

Scopus ID: 57214103799 

https://orcid.org/0000-0001-8262-6565

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

Scopus ID: 57218196966  

Researcher ID: ABE-5679-2021 

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

5) Махамбетов Ерболат Нысанәліұлы-философия докторы (PhD), жобаның орындаушысы.

Scopus ID: 57189221884 

Researcher ID: ABF-3760-2021 

https://orcid.org/0000-0001-8613-9932

6) Ерекеева Гауһар Сәрсенғалиқызы – техника ғылымдарының магистрі, жобаның орындаушысы.

Scopus ID: 57611544700 

Researcher ID: AED-4479-2022 

https://orcid.org/0000-0002-7338-4469

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

Scopus ID: 57218196252 

Researcher ID: ABE-5588-2021 

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

8) Тушиев Таир Русланович-техника ғылымдарының магистрі, жобаның орындаушысы.

Researcher ID: CDM-7881-2022

9) Есмұрат Мыңжасар Аманғалиұлы – техника ғылымдарының магистрі, жобаны орындаушы.

Ғылыми және (немесе) ғылыми-техникалық жобаны іске асыру қорытындылары бойынша зерттеу тобы мүшелерінің кемінде 50%-ының қатысуымен жобаның ғылыми бағыты бойынша Web of Science базасының Science Citation Index Expanded индекстелетін және (немесе) Citescore бойынша процентилі Scopus базасында кемінде 35 (отыз бес) жоғары 5 (бес және

БжҒСБК ұсынған металлургия саласындағы отандық басылымда немесе оларға теңестірілген басылымдарда 2 (екі) мақала жарияланатын болады.

Ғылыми зерттеулердің нәтижелері бойынша кешенді лигатураларды алу теориясы мен технологиясы бойынша монография жарияланады.

Алынған нәтижелерді шетелдік, Қазақстандық немесе Еуразиялық патенттік бюрода патенттеу мүмкіндіктері қаралмайды.

Ғылыми зерттеулердің нәтижелері бойынша жоғары күлді көмір мен марганец кенінен кешенді лигатура алудың технологиялық нұсқаулығы және жартылай тыныш және тыныш болаттардың кешенді лигатурасымен оттексіздендірудің технологиялық регламенті әзірленетін болады.

Ғылыми зерттеулердің нәтижелері халықаралық конференцияларда, симпозиумдарда, технологияның түрлі халықаралық көрмелерінде, жобаның ғылыми бағыты бойынша рецензияланатын ғылыми басылымдарда және БжҒСБК ұсынған металлургия саласындағы отандық басылымдарда немесе оларға теңестірілген басылымдарда мақалалар жариялаумен таратылатын болады.

Жаңа кешенді қорытпаның мақсатты тұтынушылары «Qarmet» АҚ-ның конвертер цехы, «ҚұрылысМет» ЖШС-нің фасонды-құю цехы, «Qaz Carbon» ЖШС, «KSP-Steel» ЖШС және Қазақстанның, жақын және алыс шетелдердің басқа да болат балқыту зауыттары болады.

Зерттеу болаттарды оттексіздендірудің технологиялық процесін жақсарту тұрғысынан тамаша жаңалық пен перспективаға ие. Бұл ретте құрамында марганец бар кендер мен жоғары күлді көмірден кешенді лигатуралар алуға бағытталған өндірістің технологиялық тізбегінде жеке кезең болуы мүмкін. Жобаны іске асыру нәтижесінде ірі және орта марганец кендері ғана емес, сондай-ақ кондициялық емес марганец, темір-марганец және жоғары кремнийлі кендердің шағын кен орындары мен энергетикалық мақсатта пайдаланылмайтын жоғары күлді көмірлер де тартылатын болады.

Сынақ нәтижелері актіленеді, құжаттар пакеті (кешенді лигатураны алудың технологиялық нұсқаулығы және жартылай тыныш және тыныш болаттардың кешенді лигатурасымен оттексіздендірудің технологиялық регламенті) тікелей өндірістік ұйымдарға, оның ішінде қаржыландырушымен бірге беріледі және Fe-Si-Mn-Al кешенді лигатураларымен оттексіздендіру технологиясын енгізу бойынша ұсыныстар беріледі.

Жобаны іске асырудың әлеуметтік және экономикалық әсері жұмысы Fe-Si-Mn-Al кешенді лигатураларын өндіруге, сондай-ақ марганец кендерінің шағын кен орындарын игеруге және бұрын халық шаруашылығы саласында ғана пайдаланылатын жоғары күлді көмірге сұранысты арттыруға бағытталған жаңа кәсіпорындарды ашу кезінде елеулі болады. Жобаның экологиялық әсері кондициялық емес марганец кендерін, бұрын үйінділерде жиналған марганец байыту өндірісінің қалдықтары және барлық элементтер кешенді лигатура өндірісіне тартуды жоғары күлді көмірін пайдаланудан күтіледі. Жобаның ғылыми-техникалық тиімділігі «Цифрландыру, ғылым және инновациялар есебінен технологиялық серпіліс» ұлттық жобасына сәйкес келеді және Қазақстан Республикасының металлургия және машина жасау өнеркәсібінде сапалы болат өндірісін дамытуға бағытталған.

Жобаны іске асыруда HSC Chemistry және Thermo-Calc сияқты заманауи бағдарламалық кешендер пайдаланылады, бұл болаттың жаңа кешенді қорытпасы мен тотықсыздандыруын әзірлеу және қолдану үшін қажетті эксперименттер санын айтарлықтай азайтады. HSC Chemistry қосымша энергия шығындарынсыз оңтайлы жағдайларда кешенді лигатураны алу процесін модельдеуге мүмкіндік береді және материалды қажет ететін эксперименттік зерттеулерді азайтады, ал Thermo-Calc қажетті деректерді алу үшін эксперименттерді жақсырақ бағыттауға мүмкіндік беретін сынақ шарттарын алдын ала таңдауға көмектесе алады.

Шикіқұрам материалдарының физика-химиялық қасиеттері зерттелді, Fe-Si-Mn-Al жаңа лигатурасын балқыту бойынша термодинамикалық модельдеу және зертханалық сынақтар жүргізілді. Марганец кендерінің фазалық құрамы: Mn2O3•MnSiO3, MnFe2O4, MnO2 және SiO2 түрінде болатыны анықталды. Марганец кендерінің жұмсару температурасының аралығы 1070-1195℃. Сарыадыр жоғары күлді көмірінің қыздыру кезіндегі электр кедергісі салыстырмалы түрде жоғары, бұл лигатураны балқыту процесіне оң әсер етеді. Термодинамикалық деректерге сәйкес лигатураны балқыту кезінде тотықсыздану процестері мен металдың түзілуі 1500℃ температурада басталады. Лигатураның фазалық құрамы Mn5Si3, FeSi, FeAl және FeAl3 интерметаллидтері түрінде өрнектелген, олар температураның жоғарылауымен (> 2000℃) интерметаллидтер еркін Si, Mn және Al тәуелсіз фазаларына ыдырайды. Жоғары күлді көмірден Fe-Si-Mn-Al лигатурасын балқытудың ең оңтайлы жағдайы – артық тотықсыздандырғышы бар шикіқұрам қоспасы (О/Сқ=1,16). 150 кВА кен тотықсыздандыру пешінде ҚР жоғары күлді көмірлері мен марганец кендерінен Fe-Si-Mn-Al лигатурасын алудың принципті мүмкіндігі анықталды. Қорытпаның тәжірибелік үлгілері алынды, орташа құрамы, %: Mn 35,5; Fe 14,32; Si 38,49; Al 8,74. Алғаш рет Fe-Si-Mn-Al лигатурасын балқытатын шикіқұрам материалдарының оңтайлы құрамын таңдау бойынша кешенді іс-шаралар жүргізілді және болатты оттексіздендіруге арналған Fe-Si-Mn-Al лигатурасының перспективалық (оңтайлы) құрамы анықталды, %: Mn 25-40; Fe 5-15; Si 30-50; Al 5-12.

Марганец кендерінің фазалық құрамы браунит Mn2O3•MnSiO3, якобсит MnFe2O4, пиролюзит MnO2 және кварц SiO2 түрінде болатындығы анықталды. Термодинамикалық талдау көрсеткендей, Fe-Si-Mn-Al лигатурасын карботермиялық әдіспен балқыту кезінде ең оңтайлы жағдай – артық тотықсыздандырғыш бар шикіқұрам қоспасы (О/Сқ = 1,16). Fe-Si-Mn-Al лигатурасы Mn5Si3, FeSi, FeAl және FeAl3 интерметаллидтері түрінде өрнектелген. Қорытпаның тәжірибелік үлгілері алынды, орташа құрамы, %: Mn 35,5; Fe 14,32; Si 38,49; Al 8,74. Болатты оттексіздендіруге арналған Fe-Si-Mn-Al лигатурасының перспективалық (оңтайлы) құрамы анықталды. Болатты оттексіздендіруге арналған лигатураның химиялық құрамының аралығының шегі, %: Mn 25-40; Fe 5-15; Si 30-50; Al 5-12.

Екіншілік кернеуді реттеудің алты сатысы бар кен-термиялық электр пеші қолданылды, бұл балқыту процесінің параметрлерін нақты реттеуге мүмкіндік берді. Процесс үшін тоқ күші 2400-2800 А болған кезде оңтайлы кернеу 33,5 В (II саты) болатындығы анықталды, бұл балқыту процесінің тиімдірек жүруіне әсер етті. Кешенді лигатураны балқыту шихтаның келесі құрамында жүргізілді, кг: көмір – 20; «Богач» кен орнының марганец кені – 8; кварцит – 2,53. Болатты оттексіздендіруге одан әрі қолдану үшін кешенді лигатураның қажетті тәжірибелік партиясы алынды. Кешенді лигатураның химиялық құрамы,%: Mn – 33,65; Si – 45,01; Al – 5,23 және Fe 10,68. Процестің тиімділігі кремний, марганец және алюминийді алудың жоғары көрсеткіштерімен расталды: Si – 69,59%, Mn – 82,78% және Al-30,59%. Жоғары күлді көмірлер мен марганец кенінен кешенді лигатура алу бойынша технологиялық нұсқаулық әзірленді.

Ірі зертханалық сынақтар қуаттылығы 250 кВА ірі зертханалық кен-термиялық пеште жүргізілді. Нәтижесінде кешенді лигатураны балқыту процесі үшін оңтайлы кернеу анықталды – 33,5 В (ІІ саты), төмен жағында ток күші – 2400-ден 2800 А-ға дейін. Кешенді лигатураны балқыту шихтаның келесі құрамында жүргізілді, кг: көмір – 20; «Богач» кен орнының марганец кені – 8; кварцит – 2,53. Болатты оттексіздендіруге одан әрі қолдану үшін кешенді лигатураның қажетті тәжірибелік партиясы алынды. Кешенді лигатураның химиялық құрамы,%: Mn – 33,65; Si – 45,01; Al – 5,23 және Fe – 10,68. Кешенді лигатураның жетекші элементтерін алу: кремний – 69,59%, марганец – 82,78% және алюминий – 30,59%. Кешенді лигатураны ірі-зертханалық балқытудың жалпы ұзақтығы 6 тәулікті (144 сағат) құрады.

1) Nurumgaliev, A., Makhambetov, Y., Kuatbay, Y., Yerekeyeva, G., Abdirashit, A., & Mynzhassar, Y. (2023). Study of softening temperatures of manganese ores in central Kazakhstan. Metalurgija, 62(2), 268-270. – https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85162000914 (Scopus, 35-й процентиль).

2) Nurumgaliyev, A., Zayakin, O., Zhuniskaliyev, T., Kelamanov, B., & Mukhambetgaliyev, Y. (2023). Smelting of Fe–Si–Mn–Al Complex Alloy Using High-Ash Coal. Metallurgist, 1-9. – https://doi.org/10.1007/s11015-023-01609-x (Scopus, 42-й процентиль).

3) Нурумгалиев А.Х., Заякин О.В., Жунискалиев Т.Т., Келаманов Б.С. Мухамбеткалиев Е.К. Выплавка комплексной лигатуры Fe–Si–Mn–Al с использованием высокозольного угля. МЕТАЛЛУРГ, (2023), №8 с. 84-89

4) Nurumgaliyev, A., Zhuniskaliyev, T., Shevko, V., Mukhambetgaliyev, Y., Kelamanov, B., Kuatbay, Y., … & Volokitina, I. (2024). Modeling and development of technology for smelting a complex alloy (ligature) Fe-Si-Mn-Al from manganese-containing briquettes and high-ash coals. Scientific Reports, 14(1), 7456. – https://doi.org/10.1038/s41598-024-57529-6 (Scopus, 92-й процентиль).

5) Kelamanov, B., Kyatbay, Ye., Yerekeyeva, G., Tushyev T. Theoretical and experimental modeling of the process of melting complex alloyed steels (Fe-Si-Al-Mn). Acta Metallurgica Slovaca, Vol. 30 No. 2 (2024)

6) Kuatbay, Ye., Nurumgaliyev, A., Makhambetov, Ye., Zhuniskaliyev, T., Abdirashit. A., Study of Physico-chemical Properties of High-ash Coal from the Saryadyr Deposit. Труды университета №3 (88), 2022

7) Нурумгалиев А.Х., Жүнісқалиев Т.Т., Каган Б., Тушиев Т.Р., Мыңжасар Е.А. Термодинамическое моделирование процесса выплавки комплексной лигатуры Fe-Si-Mn-Al. Наука и техника Казахстана, №2, (2024).