АР14972699 – «Феррохромның көміртекті маркілерін балқытудың технологиялық көрсеткіштеріне жоғары күлді тас көмірлердің әсерін зерттеу»

Феррохром өндірісі соңғы елу жыл ішінде тез өсуде, өйткені ол легірленген коррозияға төзімді болат маркаларында қолданылады. Феррохромды тұтынудың едәуір артуы темірдің тығыздығына жақын хромның көптеген ерекше қасиеттеріне байланысты. Хром мөлшері 0,5% дейін жететін конструкциялық болаттарда тозуға төзімділік жоғарылайды. Подшипникті болатта хром мөлшері 1,30-1,65% аралығында болады. Болатқа 5-10% хромды қосу олардың жылуға төзімділігін, ал 4% хромды қосу қаттылығын арттыратыны белгілі. Құрамында 11%-дан астам хром бар болаттарды қорғаныс қабықтарының пайда болуына байланысты суда және көптеген қышқылдарда ерімейтін, коррозияға төзімдіге жатқызады, ал хром мөлшері 23-28% болғанда қорытпалар ыстыққа төзімді болады.

Ферроқорытпа өндірісі өнеркәсіптің ірі салаларының бірі ретінде әлемдік стандарттарға сай келетін металдарды алу үшін қажетті жоғары сапалы көміртегі құрамды тотықсыздандырғыштардың аса жетіспеушілігін сезінуде. Көміртекті феррохромды балқыту карботермиялық әдіспен жүзеге асырылады, бұл ретте көміртекті тотықсыздандырғыштарға, әсіресе коксқа қажеттілік шетелден әкелу есебінен қамтамасыз етіледі. Қазақстанда көміртекті феррохром өндірісі үшін әлеуетті шикізат болып табылатын, ашық тәсілмен өндірілетін, құрамында зиянды қоспалардың аз болуымен сипатталатын жоғары күлді тас көмір кен орындары бар.

Осыған байланысты оңтайлы физика-химиялық қасиеттері бар және өзіндік құны төмен жаңа отандық тотықсыздандырғыштарды табу міндеті, сондай-ақ зерттелетін материалдардың тотықсыздандырғыш ретінде жарамдылығын жан-жақты бағалау ерекше маңызды. Кенді тотықсыздандыру процесінде тотықсыздандырғыш ретінде қолданылатын көміртегі құрамды материалдар жоғары реакциялық қабілетке және электр кедергісіне, жақсы газ өткізгіштікке, жеткілікті механикалық беріктікке және ыстыққа төзімділікке, сондай-ақ зиянды қоспалардың төмен құрамына және пайдалы қоспалардың жоғары құрамына ие болуы керек.

1) Қуатбай Ербол Қуатбайұлы – философия докторы (PhD), Ғылым, инновация және халықаралық ынтымақтастық департаментінің аға ғылыми қызметкері, жоба жетекшісі.

Scopus ID: 57218196966  

Researcher ID: ABE-5679-2021 

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

2) Нурумгалиев Асылбек Хабадашевич – техника ғылымының докторы, «Металлургия және материалтану» кафедрасының профессоры, отандық ғылыми кеңес беруші.

Scopus ID: 10042501900 

Researcher ID: AAF-9195-2021 

https://orcid.org/0000-0002-8782-9975

Зерттеу нәтижелері ақырғы қорытпаның өзіндік құнын неғұрлым төмен алумен көміртекті феррохромды балқытудың технологиялық процесін жақсарту тұрғысынан перспективті болып табылады.

Осы уақытқа дейін Қазақстан Республикасында өндірістің ұтымды технологиясының болмауына байланысты жоғары күлді тас көмірді пайдалана отырып, көміртекті феррохромды алу өндірісі жолға қойылмаған. Жобаны іске асырудың әлеуметтік және экономикалық тиімділігі елеулі болады: қымбат металлургиялық кокс шығынын азайту есебінен ақырғы қорытпа – феррохромның өзіндік құны шамамен 15% – ға төмен болады. Көміртекті феррохромды балқыту технологиясының тәжірибелік және базалық нұсқаларының техника-экономикалық көрсеткіштерін алдын-ала бағалау бойынша, жоғары күлді тас көмірді шикіқұрамда қолданған кезде пештің өнімділігі 1,3% – ға артады; электр энергиясының меншікті шығыны 4,6% – ға азаяды; хромды бөліп алу 5,29% – ға артады.

Жобаның экологиялық әсері технологияны іске асырудан болады, онда процеске үйінділерде жиналатын жарамдылығы төмен, жоғары күлді көмір қолданылатын болады, осылайша өңірдің экологиялық жағдайын жақсартуға болады. Жобаның ғылыми-техникалық тиімділігі Қазақстан Республикасының «Цифрландыру, ғылым және инновация есебінен технологиялық серпіліс» ұлттық жобасын шешуге және сапалы металл өнімдері өндірісін жетілдіруге бағытталған.

Ғылыми зерттеулер нәтижелері халықаралық конференцияларда, симпозиумдарда, әртүрлі халықаралық технологиялық көрмелерде, осы салада БҒССҚЕК ұсынған шетелдік немесе отандық басылымдарда мақалалар жариялау арқылы таратылады, сондықтан ғалымдарға қол жетімді болады. Сынақтар нәтижелері актіленеді, құжаттар пакеті осы жобаны бірлесіп қаржыландыратын «АрселорМиттал Теміртау» АҚ-ның ғылыми-техникалық бөліміне және басқа да өндірістік ұйымдарға тікелей берілетін болады, сондай-ақ қажеттілігіне қарай «Қазхром» ТҰК» АҚ-да көміртекті феррохром алу технологиясын енгізу бойынша ұсынымдар берілетін болады.

1) Көміртекті феррохром балқыту процесін толық термодинамикалық модельдеу жүргізілді. Нәтижесінде 521 фаза анықталды, оның ішінде 150 газ фазасы, 241 тотық және (немесе) қож фазасы, сондай-ақ 130 металл фазасы. Металл фазалары интерметаллидтерден, фосфидтерден, сульфидтерден, карбидтерден және таза металдардан түзіледі: Cr3C2 (7,2÷16,1), Cr4C (49,8÷52,4), Cr7C3 (5,7÷7,7), Fe2C (0,9÷7,8), Fe3C (0,3÷1,8), Cr (1,5÷6,3), Fe (11,2÷17,4). Хром құрамды фазалардың максималды мөлшері 1700-1800°C температура аралығында кездеседі, бұл температураның бұл аралығы балқыту үшін оңтайлы екенін көрсетеді. Қож фазасы магний хроматынан (MgCr2O4), хром тотығынан (Cr2O3) және муллиттен (Al2O3·SiO2), сонымен қатар Al2O3, MgO и SiO2 негізіндегі қосылыстардан тұрады: Al2O3 (2,3÷3,6); Al2O3·SiO2 (3,4÷10,9); (CaMg)0.5·SiO3 (1,1÷1,8); CaO·MgO·SiO2 (0,7÷1,1); MgAl2O4 (4,7÷6,2); MgCr2O4 (0,01÷2,5); MgO (23,5÷32,2); MgO·Al2O3 (5,9÷8,8); MgSiO3 (23,3÷26,9); Mg2SiO4 (8,3÷13,5); SiO2 (10÷12,8). Тамман пешінде зертханалық сынақтар жүргізілді. Алынған феррохромның химиялық құрамы стандарт талаптарына сәйкес келеді. Алынған термодинамикалық модельдеу нәтижелерін талдау коксты көмірмен 10, 20, 30 және 40%-ға ауыстырған кезде, ең оңтайлы нұсқалар қождағы SiO2 мөлшері 32% болған кезде 30 және 40% болатынын көрсетті. Коксты көмірмен алмастыру балқу аймағының периклаз және форстерит аймақтарынан сапфирин мен шпинель аймақтарына қарай жылжуына және қождың балқу температурасының ~1750°С-ге дейін төмендеуіне әкеледі.

2) Көміртекті феррохром балқыту процесін толық термодинамикалық модельдеу жүргізілді. Нәтижесінде 521 фаза анықталды, оның ішінде 150 газ фазасы, 241 тотық және (немесе) қож фазасы, сондай-ақ 130 металл фазасы. Металл фазалары интерметаллидтерден, фосфидтерден, сульфидтерден, карбидтерден және таза металдардан түзіледі: Cr3C2 (7,2÷16,1), Cr4C (49,8÷52,4), Cr7C3 (5,7÷7,7), Fe2C (0,9÷7,8), Fe3C (0,3÷1,8), Cr (1,5÷6,3), Fe (11,2÷17,4). Хром құрамды фазалардың максималды мөлшері 1700-1800°C температура аралығында кездеседі, бұл температураның бұл аралығы балқыту үшін оңтайлы екенін көрсетеді. Қож фазасы магний хроматынан (MgCr2O4), хром тотығынан (Cr2O3) және муллиттен (Al2O3·SiO2), сонымен қатар Al2O3, MgO и SiO2 негізіндегі қосылыстардан тұрады: Al2O3 (2,3÷3,6); Al2O3·SiO2 (3,4÷10,9); (CaMg)0.5·SiO3 (1,1÷1,8); CaO·MgO·SiO2 (0,7÷1,1); MgAl2O4 (4,7÷6,2); MgCr2O4 (0,01÷2,5); MgO (23,5÷32,2); MgO·Al2O3 (5,9÷8,8); MgSiO3 (23,3÷26,9); Mg2SiO4 (8,3÷13,5); SiO2 (10÷12,8). Тамман пешінде зертханалық сынақтар жүргізілді. Алынған феррохромның химиялық құрамы стандарт талаптарына сәйкес келеді. Алынған термодинамикалық модельдеу нәтижелерін талдау коксты көмірмен 10, 20, 30 және 40%-ға ауыстырған кезде, ең оңтайлы нұсқалар қождағы SiO2 мөлшері 32% болған кезде 30 және 40% болатынын көрсетті. Коксты көмірмен алмастыру балқу аймағының периклаз және форстерит аймақтарынан сапфирин мен шпинель аймақтарына қарай жылжуына және қождың балқу температурасының ~1750°С-ге дейін төмендеуіне әкеледі.

3) Көміртекті феррохромды балқыту үшін қолданылатын «Сарыадыр» және «Борлы» кен орындарының жоғары күлді тас көмірлерінің сапасын металлургиялық бағалау жүргізілді. Көмірдің техникалық құрамы,%: A 45-56, V 12-17, W 5-10, Сқ. 38-45 және күлдің химиялық құрамы анықталды,%: SiO2 55-65, Al2O3 22-35, CaO 2-5, Feжал. 5-ке дейін. Қыздыру кезіндегі көмірдің меншікті электр кедергісін өлшеу бойынша зерттеу жүргізілді. 700-990°С температура аралығында күлділіктің тең мәндерінде (50%) «Сарыадыр» көмірінің меншікті электр кедергісі «Борлыдан» жоғары (20-30%-ға) екендігі анықталды. Меншікті электр кедергісінің мәні 2,5-0,5 Ом·см құрайды.·Дифференциалды-термиялық талдау (ДТТ) әдісімен тотығу атмосферасында 1500°С температураға дейін қыздыру кезінде жоғары күлді тас көмірлердің фазалық түрленулері зерттелді. ДТТ-ға сәйкес жоғары күлді көмірлер бірнеше айқын термиялық әсерлерге ие, олар ылғалдың кетуіне, ұшпа заттардың бөлінуіне, көмірдің пластикалық күйге ауысқан кездегі жылу өткізгіштігінің жоғарылауына байланысты. 1395°C температурада экзотермиялық әсер муллиттің түзілуін сипаттайды. Көміртекті феррохром балқыту үшін шикіқұрам қоспасының оңтайлы құрамы таңдалды,%: жоғары күлді көмір – 26, хром кені – 57, металлургиялық кокс-17.

4) Көмірдің техникалық құрамы,%: A 45-56, V 12-17, W 5-10, Сқ. 38-45 және күлдің химиялық құрамы анықталды,%: SiO2 55-65, Al2O3 22-35, CaO 2-5, Feжал. 5-ке дейін. Қыздыру кезіндегі көмірдің меншікті электр кедергісін өлшеу бойынша зерттеу жүргізілді. 700-990°С температура аралығында күлділіктің тең мәндерінде (50%) «Сарыадыр» көмірінің меншікті электр кедергісі «Борлыдан» жоғары (20-30%-ға) екендігі анықталды. ДТТ-ға сәйкес жоғары күлді көмірлер бірнеше айқын термиялық әсерлерге ие, олар ылғалдың кетуіне, ұшпа заттардың бөлінуіне, көмірдің пластикалық күйге ауысқан кездегі жылу өткізгіштігінің жоғарылауына байланысты. 1395°C температурада экзотермиялық әсер муллиттің түзілуін сипаттайды. Көміртекті феррохром балқыту үшін шикіқұрам қоспасының оңтайлы құрамы,%: жоғары күлді көмір – 26, хром кені – 57, металлургиялық кокс-17.