AP23485002 – «Разработка технологии выплавки кремнистых ферросплавов с использованием некондиционного техногенного сырья»

Предпосылками к разработке проекта являются высокая стоимость традиционных углеродистых восстановителей – кокса и полукокса, не полное их соответствие для электротермии ферросплавов, а также относительно невысокие технологические показатели выплавки кремнистых ферросплавов.

Традиционно для выплавки кремнистых ферросплавов в качестве углеродистых восстановителей используются кокс или полукокс фракции 10-25 мм, а также в качестве незначительных добавок низкозольные длиннопламенные или газовые угли.

Наиболее важными требованиями к восстановителю, предъявляемыми технологией выплавки кремнистых ферросплавов, являются: высокое электрическое сопротивление, высокая реакционная способность и благоприятный состав золы.

Кокс изначально был предназначен для выплавки чугуна в доменных печах, где он используется в качестве углеродистого восстановителя, а также источника тепла за счет его горения. Поэтому использование кокса и его аналогов с высокой электропроводностью для выплавки кремнистых ферросплавов в электропечах является не совсем приемлемым. К основным недостаткам традиционного кокса, полукокса и части низкозольных углей можно отнести их низкое электрическое сопротивление (УЭС).

Применительно к выплавке ферросилиция низкие значения УЭС кокса и полукокса способствует разогреву верхних слоев шихты и соответственно ее спеканию и затруднениям выделения отходящих технологических газов. Снижается глубина посадки электродов. Повышаются потери кремния в виде возгонов.

Применительно к выплавке ферросиликомарганца марки МнС17 основной проблемой является низкое извлечение кремния при значении основности конечного шлака (CaO + MgO)/SiO₂ более 0,5. Содержание кремния в соответствии с ГОСТ 4756-91 для марки МнС17 должно составлять 15-20%. В реальности при выплавке около 30-40% сплава получается с содержанием кремния менее 15%, что снижает его привлекательность и соответственно рыночную стоимость.

Еще одним фактором для реализации данного проекта является наличие на ферросплавных заводах отходов кремнеземистого сырья — отсевов кварцита фракции 0-5 мм и кремнеземистой пыли системы газоочисток. В частности, при выплавке ферросилиция выход пыли может составлять 0,2-0,4 тонн на 1 тонну выплавляемого сплава. Кремнеземистая пыль сухих газоочисток в условиях Республики Казахстан практически не используется для дальнейшей переработки. Описанные в литературах возможные варианты использования кремнеземистой пыли для строительства и других отраслях практически не реализуемы в силу различных причин, а также отсутствия технических условий по ее использованию. Поэтому сбор и вывоз пыли для захоронения является трудоемкой задачей. Складирование пыли в отвалах предполагает ее выветривание и распространение на всю близлежащую территорию.

Также известно, что мелкая фракция 0-5 мм коксов и полукоксов попросту сгорает на колошнике печи и не участвует в восстановительных процессах, поэтому перед их применением мелкую фракцию отсеивают. В итоге на ферросплавных заводах скапливается большое количество мелочи, которая имеет ограниченное применение.

Наличие огромного количества невостребованного пылевидного углеродистого и кремнеземистого сырья, а также проблемы технологического плана выплавки кремнистых ферросплавов явились основными предпосылками для реализации проекта.

1) Ержанов Алмас Сатыбалдыевич, доктор философии (PhD), ассоциированный профессор (доцент). Руководитель проекта.

Scopus ID: 56524559600

Researcher ID: AFL-9951-2022

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

2) Чекимбаев Аскар Фарзантович, кандидат технических наук. Соруководитель проекта.

Scopus ID: 6506357731

Researcher ID: EOB-4433-2022

https://orcid.org/0000-0002-4796-7935

3) Нурумгалиев Асылбек Хабадашевич, доктор технических наук, профессор. Исполнитель проекта.

Scopus ID: 10042501900

Researcher ID: DJP-4688-2022

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

4) Жүнісқалиев Талғат Тоқашұлы, доктор философии (PhD). Исполнитель проекта.

Scopus ID: 57218196497

Researcher ID: AAG-6131-2021

https://orcid.org/0009-0002-1078-5959

5) Қуатбай Ербол Қуатбайұлы, доктор философии (PhD). Исполнитель проекта.

Scopus ID: 57218196966

Researcher ID: ABE-5679-2021

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

6) Айткенов Нурбек Болатович, доктор философии (PhD). Исполнитель проекта.

Scopus ID: 57210125321

Researcher ID: IBL-6200-2023

https://orcid.org/0000-0001-7495-6337

7) Мухамбеткалиев Азамат Болатович, магистр технических наук. Исполнитель проекта.

Scopus ID: 57218196432

Researcher ID: DIJ-5079-2022

https://orcid.org/0000-0001-9163-1438

8) Мыңжасар Есмұрат Аманғалиұлы, доктор философии (PhD). Исполнитель проекта.

Scopus ID: 58245045400

Researcher ID: AGN-2853-2022

https://orcid.org/0000-0002-4268-5664

9) Ахметов Бегзат Айткенович, магистр технических наук. Исполнитель проекта.

Scopus ID: —

Researcher ID: —

Orcid: —

По итогам реализации научных и (или) научно-технических проектов будут опубликованы не менее 3 (трех) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в Science Citation Index Expanded базы Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти), а также не менее 2 (двух) статей или обзора в рецензируемом зарубежном или отечественном издании, рекомендованном КОКСНВО с участием не менее 50% членов исследовательской группы.

По результатам научных исследований опубликование монографий, книг и (или) глав в зарубежных и (или) казахстанских издательств не рассматриваются.

Возможности патентования полученных результатов в патентных бюро в казахстанском или евразийском патентном бюро рассматриваются.

По результатам научных исследований будет разработаны техническая инструкция по изготовлению углеродистых композитов с различным сочетанием компонентов и технологический регламент по выплавке сплавов ферросилиция и ферросиликомарганца при использовании новых видов углеродистых композитов.

Результаты научных исследований является коммерческой продукцией и будет предлагаться для внедрения на отечественных ферросплавных заводах. Основные результаты работы будут опубликованы на международных конференциях, а также в рецензируемых зарубежных или отечественных изданиях рекомендованном КОКСНВО, поэтому будут иметь доступность для сообщества ученных.

Целевыми потребителями полученных результатов могут быть ферросплавные заводы Казахстана (АО «ТНК «Казхром», ТОО «ТМЗ», ТОО «KSP Steel», ТОО «YDD» и т.д.), ближнего и дальнего зарубежья, а также заинтересованные компании углеперерабатывающей отрасли.

Исследования обладают совершенной новизной и перспективностью в плане повышения технико-экономических показателей выплавки сплавов ферросилиция и ферросиликомарганца. При этом будет решаться проблема утилизации отходов углеродистого и кремнеземистого сырья.

Применимость и коммерциализация научных результатов будет на достаточно высоком уровне. Разработанные технологии выплавки сплавов ферросилиция и ферросиликомарганца с использованием опытных углеродистых композитов будут пользоваться определенным интересом у ферросплавных заводов и предприятий.

Возможность запуска новых предприятий, которые будут осуществлять переработку мелкофракционного и пылевидного углеродистого и кремнеземистого сырья, относящиеся к техногенным отходам создаст социальный и экономический эффект.

Ожидаемый экономический эффект при применении разработанных технологий в ферросплавной промышленности будет состоять в снижении себестоимости продукции при одновременном повышении производительности электропечей. Снижение себестоимости продукции будет происходить за счет более низкой стоимости углеродистых композитов в сравнении с традиционными углеродистыми восстановителями. Повышение производительности будет являться следствием повышения мощности электропечей за счет требуемых электрофизических свойств углеродистых композитов.

Экологический эффект при реализации научного проекта и внедрения разработанных технологий в промышленности будет состоять в утилизации техногенных углеродистых и кремнеземистых отходов методом их вовлечения снова в металлургический передел. Соответственно снизится экологическая нагрузка на ферросплавных заводах и близлежащих территориях.

В научно-техническом плане будет наработана научная база по использованию и изготовлению углеродно-минеральных композиционных материалов. Научно-техническая эффективность научного проекта соответствует национальному проекту «Технологический рывок за счет цифровизации, науки и инноваций» и направлена на развитие углеперерабатывающих и ферросплавных предприятий Республики Казахстан.

При использовании разработанных технологий выплавки сплавов ферросилиция и ферросиликомарганца с использованием опытных углеродистых композитов мультипликативный эффект будет состоять не только в увеличении мощности электропечных установок, но и ожидается повышение извлечения кремния и соответственно повышение качественных характеристик выплавляемой продукции.

В реализации проекта будет использован новый программный комплекс для термодинамического моделирования технологических процессов, что значительно будет сокращать количество экспериментов, необходимых для разработки технологий выплавки сплавов ферросилиция и ферросиликомарганца.

Термодинамическое моделирование позволит сделать прогноз качественных и количественных показателей протекания восстановительных реакций, распределения элементов по металлургическим фазам в высокотемпературных условиях выплавки кремнистых ферросплавов, а также сократить трудоемкие эксперименты с решением важных технологических задач на основе использования новых программных комплексов с расширенной базой данных.

1. Исследованы техногенные отходы ферросплавных заводов – отсевы кокса, каменных углей, полукоксов, кварцита и кремнеземистой пыли от сухих газоочисток.  Установлено, что наиболее оптимальным способом окускования мелкофракционных отходов сырья является брикетирование с использованием водных растворов жидкого стекла в виде связующего. Определено, что оптимальное соотношение углеродной части к минеральной части опытных композитов должно составлять 70-75:30-25, а добавки раствора жидкого стекла должны составлять 5-7% от общей массы. Давление прессования 600-800 кг/см2. В этом случае отмечается наиболее высокая прочность опытных композитов после принудительной сушки при температурах 120-160°С. Установлено снижение электрического сопротивления при повышении углеродистой части в составе композитов.

(Август, 2024 г. – 15 ноябрь, 2024 г.)

2. Проведены сравнительные исследования по определению удельного электросопротивления (УЭС) композитов в температурном интервале 20-1200°С. Определено, что для интервала 800-1200°С УЭС опытных композитов в 1,5-2,0 раз превышает УЭС для традиционного кокса. Установлено, что холодная прочность опытных брикетов достигается за счет реакции кремнеземистой добавки с гидроксидом натрия (NaOH) и образования сетки из Na2SiO3. Опытные образцы выдерживали не менее 4 сбрасываний с высоты 0,4-0,5 м на резиновую ленту. После сушки брикеты выдерживали не менее 7 сбрасываний на стальную плиту с высоты 2 метра. Горячая прочность проверялась при температурах 300, 500, 700, 900 и 1000°С при статическом и динамическом воздействии. Установлено, что вплоть до температуры 1200°С брикеты не разрушались.
(Август, 2024 г. – 15 ноябрь, 2024 г.)

Заявка на изобретение «Шихта для выплавки сплава ферросилиций» успешно прошла формальную экспертизу в Национальном институте интеллектуальной собственности «QazPatent» и получила положительный результат.

Дата получения: 02.05.2025 г., № 2025/0423.1.