Общемировые стандарты качества ежегодно возрастают, на его фоне производители в конкуренции стремятся снизить себестоимость металлопродукта путем экономии энергоресурсов и применяемых материалов, не теряя при этом качество. Большое внимание уделяется производству стали с пониженным содержанием неметаллических включений. Неметаллические оксидные включения при обработке стали имеют острые грани, служащие центром концентрации напряжения. Влияния указанного фактора необходимо максимально снизить. Для снижения концентрации кислорода в стали используется различные методы раскисления. Раскисление является ключевой стадией при повышении качества стали. Производство комплексных лигатур требует применения новых видов сырья и материалов, а максимальное использование всех его компонентов дают возможность переработки техногенных некондиционных сырьевых материалов и разработать мало и безотходные технологии получения ферросплавов. Предлагаемая технология получения новых лигатур на основе Fe-Si-Mn-Al основана на использовании высокозольного угля, который не применяется в энергетике из-за высокого содержания золы и некондиционных высококремнистых и железомарганцевых руд, непригодных для получения стандартных сортов марганцевых ферросплавов. Комплексные лигатуры на основе Fe-Si-Mn-Al будет имеет ряд преимуществ по сравнению со стандартными ферросплавами. Преимущества комплексных раскислителей особенно четко проявляются в кинетике процесса раскисления и очистки металла от продуктов раскисления. Обработанный металл будет содержит наименьшее количество неметаллических включений.

Исследование и разработка технологии раскисления стали, применяя в качестве раскислителя комплексной лигатуры, содержащих Fe-Si-Mn-Al c разработкой его получения из некондиционных марганецсодержащих шихтовых материалов и высокозольных углей РК

По итогам реализации научных и (или) научно-технических проекта, будет опубликовано 5 (пять) статьи в рецензируемых научных изданиях по научному направлению проекта, индексируемых в Science Citation Index Expanded базы Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 35 (тридцати пяти) и 2 (две) статьи в отечественном издании в области металлургии, рекомендованном КОКСОН или приревнованных к ним изданиях с участием не менее 50 % членов исследовательской группы. По результатам научных исследований будет опубликована монография по теории и технологии получения комплексных лигатур. Возможности патентования полученных результатов в зарубежном, казахстанском или евразийском патентном бюро не рассматриваются. По результатам научных исследований будет разработано технологическая инструкция получения комплексной лигатуры из высокозольных углей и марганцевой руды и технологический регламент раскисления комплексной лигатурой полуспокойных и спокойных сталей. Результаты научных исследований будут распространяться на международных конференциях, симпозиумах, различных международных выставках технологии, публикацией статей в рецензируемых научных изданиях по научному направлению проекта и отечественных изданиях в области металлургии, рекомендованном КОКСОН или приравниванных к ним изданиях. Целевыми потребителями нового комплексного сплава будут конвертерный цех АО «Qarmet», фасонно-литейный цех ТОО «ҚұрылысМет», ТОО «Qaz Carbon», ТОО «KSP-Steel» и другие сталеплавильные заводы Казахстана, ближнего и дальнего зарубежья. Исследование обладают совершенной новизной и перспективностью с точки зрения улучшения технологического процесса раскисления сталей. При этом может будет отдельная стадия в технологической цепочке производства, направленная на получения комплексных лигатур из марганецсодержащих руд и высокозольных углей. В результате реализации проекта будет вовлечено марганцевые руды не только крупных и средних, но и малые месторождения некондиционных марганцевых, железомарганцевых и высококремнистых руд и высокозольные угли, не используемые в энергетических целях. Результаты испытаний будут заактированы, пакет документов (технологическая инструкция получения комплексной лигатуры и технологический регламент раскисления комплексной лигатурой полуспокойных и спокойных сталей) будут переданы непосредственно производственным организациям, в том числе со финансирующей и выданы рекомендации по внедрению технологии раскисления комплексными лигатурами Fe-Si-Mn-Al. Социальный и экономический эффект от реализации проекта будет существенным при открытии новых предприятии, работа которых будет направлена на производство комплексных лигатур Fe-Si-Mn-Al, а также при разработке малых месторождении марганцевых руд и увеличения спроса на высокозольные угли, ранее используемых только при народно-хозяйственной отрасли. Экологический эффект от проекта ожидается от использования некондиционных марганцевых руд, переработанных ранее лежащих в отвалах и высокозольных углей, где все элементы будет вовлечены в производства комплексной лигатуры. Научно-технический эффективность проекта соответствует национальному проекту «Технологический рывок за счет цифровизации, науки и инноваций» и направлена на развитие производства качественных сталей в металлургической и машиностроительной промышленности Республики Казахстан. В реализации проекта будет использованы современные программные комплексы как HSC Chemistry и Thermo-Calc, что значительно будет сокращать количество экспериментов, необходимой для разработки получения и применения нового комплексного сплава и раскисления стали. HSC Chemistry позволить моделировать процесс получения комплексной лигатуры в оптимальных условиях без дополнительных энергозатрат и сократить материалоёмких экспериментальных исследований, а Thermo-Calc может помочь в предварительном отборе условий испытаний, позволяя лучше нацеливать эксперименты для получения необходимых данных.

1) Изучены физико-химические свойства шихтовых материалов, проведено термодинамическое моделирование и лабораторные испытания по выплавке лигатуры Fe-Si-Mn-Al. Установили, что фазовый состав марганцевых руд представлен в виде: Mn2O3•MnSiO3, MnFe2O4, MnO2 и SiO2. Температура размягчения руд находится в интервале 1070-1195℃. Электросопротивление высокозольного угля Сарыадыр при нагревании является относительно высоким, что положительно влияет на процесс выплавки лигатуры. Согласно термодинамическим данным установлено, что при выплавке лигатуры восстановительные процессы и металлобразование начинается при температуре 1500℃. Фазовый состав лигатуры представлен в виде интерметаллидов Mn5Si3, FeSi, FeAl и FeAl3, которые с повышением температуры (> 2000℃) интерметаллиды распадаются на самостоятельные фазы в виде свободного Si, Mn и Al. Наиболее оптимальным условием для выплавки лигатуры Fe-Si-Mn-Al из высокозольных углей является шихтовая смесь с избытком восстановителя (О/Ств=1,16). В рудно-восстановительной печи 150 кВА установлена принципиальная возможность получения лигатуры Fe-Si-Mn-Al из высокозольных углей и марганцевых руд РК. Получены опытные образцы сплава со средним содержанием, %: Mn 35,5; Fe 14,32; Si 38,49; Al 8,74. Впервые проведен комплекс мероприятий по подбору оптимального состава шихтовых материалов для выплавки лигатуры Fe-Si-Mn-Al и определен перспективный (оптимальный) состав лигатуры Fe-Si-Mn-Al для раскисления стали, %: Mn 25-40; Fe 5-15; Si 30-50; Al 5-12. 2) Установили, что фазовый состав марганцевых руд представлен браунитом Mn2O3•MnSiO3, якобситом MnFe2O4, пиролюзитом MnO2 и кварцем SiO2. Термодинамический анализ показал, что при выплавке лигатуры Fe-Si-Mn-Al карботермическим способом наиболее оптимальным условием является шихтовая смесь с избытком восстановителя (О/Ств = 1,16). Лигатура Fe-Si-Mn-Al представлена в виде интерметаллидов Mn5Si3, FeSi, FeAl и FeAl3. Получены опытные образцы сплава со средним содержанием, %: Mn 35,5; Fe 14,32; Si 38,49; Al 8,74. Определен перспективный (оптимальный) состав лигатуры Fe-Si-Mn-Al для раскисления стали. Интервал химического состава лигатуры для раскисления стали находится в пределах %: Mn 25-40; Fe 5-15; Si 30-50; Al 5-12. 3) Использовалась руднотермическая электропечь с шестью ступенями регулирования вторичного напряжения, что позволило точно настроить параметры для процесса выплавки. Было определено, что оптимальное напряжение для процесса составляет 33,5 В (II ступень), при силе тока 2400-2800 А, что способствовал более эффективному протеканию процесса выплавки. Выплавка комплексной лигатуры производилась при следующем составе шихты, кг: уголь — 20; марганцевая руда месторождения «Богач» — 8; кварцит – 2,53. Была получена необходимая опытная партия комплексной лигатуры для дальнейшего использования при раскислении стали. Химический состав комплексной лигатуры,%: Mn — 33,65; Si — 45,01; Al — 5,23 и Fe 10,68. Эффективность процесса подтверждена высокими показателями извлечения кремния, марганца и алюминия: Si — 69,59%, Mn — 82,78% и Al — 30,59%. 4) Разработана технологическая инструкция по получению комплексной лигатуры из высокозольных углей и марганцевой руды. Крупно-лабораторные испытания проводились в крупно-лабораторной руднотермической печи мощностью 250 кВА. В результате определено оптимальное напряжение для процесса выплавки комплексной лигатуры — 33,5 В (ІІ ступень), при силе тока на низкой стороне – от 2400 до 2800 А. Выплавка комплексной лигатуры производилась при следующем составе шихты, кг: уголь — 20; марганцевая руда месторождения «Богач» — 8; кварцит – 2,53. Была получена необходимая опытная партия комплексной лигатуры для дальнейшего использования при раскислении стали. Химический состав комплексной лигатуры,%: Mn — 33,65; Si — 45,01; Al — 5,23 и Fe 10,68. Извлечение ведущих элементов комплексной лигатуры составило: кремния — 69,59%, марганца — 82,78% и алюминия — 30,59%. Общая продолжительность крупно-лабораторной выплавки комплексной лигатуры составило 6 суток (144 часа).