АР13068023 – «Исследования и разработка технологии обработки стали комплексной лигатурой Fe-Si-Mn-Al»

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.

1) Келаманов Бауыржан Сатыбалдыұлы – кандидат технических наук, ассоциированный профессор, руководитель проекта.

Scopus ID: 25655181100  

Researcher ID: ABE-5597-2021 

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

2) Жүнісқалиев Талғат Тоқашұлы – доктор философии (PhD), старший научный сотрудник Департамента науки, инноваций и международного сотрудничества, соруководитель проекта.

Scopus ID: 57218196497  

Researcher ID: AAG-6131-2021  

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

3) Мухамбетгалиев Ербол Кенжегалиулы – доктор философии (PhD), исполнитель проекта.

Scopus ID: 57214103799  

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

4) Қуатбай Ербол Қуатбайұлы – доктор философии (PhD), исполнитель проекта.

Scopus ID: 57218196966  

Researcher ID: ABE-5679-2021 

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

5) Махамбетов Ерболат Нысаналыулы – доктор философии (PhD), исполнитель проекта.

Scopus ID: 57189221884 

Researcher ID: ABF-3760-2021 

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

6) Ерекеева Гауһар Сәрсенғалиқызы – магистр технических наук, исполнитель проекта.

Scopus ID: 57611544700 

Researcher ID: AED-4479-2022 

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

7) Әбдірашит Асылбек Мирамханұлы – магистр технических наук, исполнитель проекта.

Scopus ID: 57218196252 

Researcher ID: ABE-5588-2021 

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

8) Тушиев Таир Русланович – магистр технических наук, исполнитель проекта.

Researcher ID: CDM-7881-2022

9) Есмұрат Мыңжасар Аманғалиұлы – магистр технических наук, исполнитель проекта.

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).

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).