АР14972699 – «Исследование влияние высокозольных каменных углей на технологические показатели выплавки углеродистых марок феррохрома»

Производство феррохрома быстро росло за последние пятидесятилетие, так как он используется в легированных коррозионностойких марках стали. Значительное увеличение потребления феррохрома обусловлено многими специфическими свойствами хрома, близкого по плотности к железу. В конструкционных сталях с содержанием хрома до 0,5% повышается износостойкость. Концентрация хрома в подшипниковой стали в пределах 1,30-1,65%. Известно, что введение в стали 5-10% хрома повышает их теплостойкость, а 4% хрома твердость. Стали, содержащие более 11% хрома, относят к коррозионностойким из-за образования защитных пленок, нерастворимых в воде и многих кислотах, а при содержании 23-28% хрома сплавы становятся жаропрочными.

Ферросплавное производство как одна из крупнейших отраслей промышленности испытывает острую нехватку высококачественных углеродсодержащих восстановителей, необходимых для получения металлов, отвечающих мировым стандартам. Выплавка углеродистого феррохрома осуществляется карботермическим способом, при этом потребность в углеродистых восстановителях, особенно в коксе, покрывается за счет его ввоза из-за границы. В Казахстане имеется месторождений высокозольных каменных углей, характеризующихся низким содержанием вредных примесей, и открытым способом добычи, являющихся потенциальным исходным сырьем для производства углеродистого феррохрома.

В связи с этим особое значение приобретает задача поиска новых отечественных восстановителей с оптимальными физико-химическими свойствами и низкой себестоимостью, а также комплексная оценка пригодности исследуемых материалов в качестве восстановителей. Углеродосодержащие материалы, используемые в качестве восстановителей в рудовосстановительном процессе, должны обладать высокой реакционной способностью и электрическим сопротивлением, хорошей газопроницаемостью, достаточной механической прочностью и теплостойкостью, а также низким содержанием вредных примесей и высоким содержанием полезных примесей.

1) Қуатбай Ербол Қуатбайұлы – доктор философии (PhD), старший научный сотрудник Департамента науки, инноваций и международного сотрудничества, руководитель проекта.

Scopus ID: 57218196966  

Researcher ID: ABE-5679-2021 

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

2) Нурумгалиев Асылбек Хабадашевич – доктор технический наук, профессор кафедры «Металлургия и материаловедение», отечественный научный консультант.

Scopus ID: 10042501900 

Researcher ID: AAF-9195-2021 

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

Результаты исследования является перспективной с точки зрения улучшения технологического процесса выплавки углеродистого феррохрома с получением более низкой себестоимости конечного сплава.

До настоящего времени в Республике Казахстан не налажено производство углеродистого феррохрома с использованием высокозольных каменных углей из-за отсутствия рациональной технологии производства. Социальный и экономический эффект от реализации проекта будет существенным: за счет снижение расхода дорогостоящего металлургического кокса себестоимость конечного сплава – феррохрома будет ориентировочно ниже на 15%. По предварительным оценкам технико-экономических показателей опытных и базовых вариантов технологии выплавки углеродистого феррохрома показывает, что при использовании в шихте высокозольного каменного угля производительность печи возрастает на 1,3%; удельный расход электроэнергии уменьшается на 4,6%; извлечение хрома увеличивается на 5,29%.

Экологический эффект проекта будет от реализации технологии, где в процесс будет привлечен малопригодные высокозольные угли, складирующие на отвалах, тем самым можно улучшит экологическую обстановку региона. Научно-технический эффективность проекта направлен на решение национального проекта Республики Казахстан «Технологический рывок за счет цифровизации, науки и инноваций» и на совершенствование производства качественных металлопродукции.

Результаты научных исследований будут распространяться на международных конференциях, симпозиумах, различных международных выставках технологии, публикацией статей в рецензируемых зарубежных или отечественных изданиях рекомендованном КОКСОН в данной области и поэтому будут доступны для ученых. Результаты испытаний будут заактированы, пакет документов будут переданы непосредственно научно-техническому отделу АО «АрселорМиттал Темиртау» софинансирующей данный проект и другим производственным организациям, а также по мере необходимости будет выданы рекомендаций по внедрению технологии получения углеродистого феррохрома в АО «ТНК «Казхром».

1) Проведено полное термодинамическое моделирование процесса выплавки углеродистого феррохрома. В результате выявлено 521 фаз, из них 150 газовой фазы, 241 оксидной и (или) шлаковой фазы, а также 130 металлической фазы. Металлические фазы формируется из интерметаллидов, фосфидов, сульфидов, карбидов и металлов чистого вида: 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). Максимальное содержание фаз, содержащих хром, обнаружено в диапазоне температур 1700-1800°C, что указывает на то, что этот интервал температур является оптимальным для плавления. Шлаковая фаза состоит из хромата магния (MgCr2O4), оксида хрома (Cr2O3) и муллита (Al2O3·SiO2), а также соединений на основе Al2O3, MgO и SiO2: 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). Проведены лабораторные испытания на печи Таммана. Полученный феррохром соответствует требованиям стандарта. Анализ полученных результатов термодинамического моделирования показал, что при замене кокса углем на 10, 20, 30 и 40% более положительными вариантами является 30-40% при заданных содержаниях SiO2 в шлаке 32%. Замена кокса углем приводит к смещению зоны плавления из периклазной и форстеритной зон в сторону сапфириновой и шпинельной зон и снижению температуры плавления шлака до ~1750°С.

2) Проведено полное термодинамическое моделирование процесса выплавки углеродистого феррохрома. В результате выявлено 521 фаз, из них 150 газовой фазы, 241 оксидной и (или) шлаковой фазы, а также 130 металлической фазы. Металлические фазы формируется из интерметаллидов, фосфидов, сульфидов, карбидов и металлов чистого вида: 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). Максимальное содержание фаз, содержащих хром, обнаружено в диапазоне температур 1700-1800°C, что указывает на то, что этот интервал температур является оптимальным для плавления. Шлаковая фаза состоит из хромата магния (MgCr2O4), оксида хрома (Cr2O3) и муллита (Al2O3·SiO2), а также соединений на основе Al2O3, MgO и SiO2: 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). Проведены лабораторные испытания на печи Таммана. Полученный феррохром соответствует требованиям стандарта. Анализ полученных результатов термодинамического моделирования показал, что при замене кокса углем на 10, 20, 30 и 40% более положительными вариантами является 30-40% при заданных содержаниях SiO2 в шлаке 32%. Замена кокса углем приводит к смещению зоны плавления из периклазной и форстеритной зон в сторону сапфириновой и шпинельной зон и снижению температуры плавления шлака до ~1750°С.

3) Была проведена металлургическая оценка качеств, используемых высокозольных каменных углей месторождений «Сарыадыр» и «Борлы» для выплавки углеродистого феррохрома. Определили технический состав углей, %: A 45-56, V 12-17, W 5-10, Cтв. 38-45 и химический состав золы, %: SiO2 55-65, Al2O3 22-35, CaO 2-5, Feoбщ. до 5. Проведено исследование по измерению удельного электросопротивления угля при нагреве. Определено, что при равных значениях зольности (50%) в интервале температур 700-990°С удельное электросопротивление угля «Сарыадыр» выше «Борлы» (на 20-30%). Значения удельного электросопротивления составляет 2,5-0,5 Ом·см. Исследованы фазовые превращения высокозольных каменных углей при нагреве методом дифференциально-термического анализа (ДТА) до температуры 1500°С в окислительной атмосфере. Согласно ДТА высокозольные угли имеют несколько ярко выраженных термических эффектов, которые связанны с удалением влаги, выделением летучих, с увеличением теплопроводности угля при переходе его в пластическое состояние. Экзотермический эффект при температуре 1395°С характеризуют образование муллита. Подобран оптимальный состав шихтовой смеси для выплавки углеродистого феррохрома, %: высокозольный уголь — 26, хромовая руда — 57, металлургический кокс — 17.

4) Определили технический состав углей, %: A 45-56, V 12-17, W 5-10, Cтв. 38-45 и химический состав золы, %: SiO2 55-65, Al2O3 22-35, CaO 2-5, Feoбщ. до 5. Проведено исследование по измерению удельного электросопротивления угля при нагреве. Определено, что при равных значениях зольности (50%) в интервале температур 700-990°С удельное электросопротивление угля «Сарыадыр» выше «Борлы» (на 20-30%). Согласно ДТА высокозольные угли имеют несколько ярко выраженных термических эффектов, которые связанны с удалением влаги, выделением летучих, с увеличением теплопроводности угля при переходе его в пластическое состояние. Экзотермический эффект при температуре 1395°С характеризуют образование муллита. Оптимальный состав шихтовой смеси для выплавки углеродистого феррохрома, %: высокозольный уголь — 26, хромовая руда — 57, металлургический кокс — 17.