Oпределения, oбoзначения и сoкращения

В настоящей диссертации применяют следующие термины c соответствующими определениями:

^{Анализ термический – метод определения температур фазовых переходов по отклонениям от монотонного изменения температуры в ходе непрерывного нагрева или охлаждения в результате процессов, сопровождающихся поглощением или выделением тепла.}

^{Термодинамически-диаграммный анализ (ТДА) – метод физико-химического анализа процессов в многокомпонентных системах, совмещающий арсенал термодинамического метода c информативностью диаграмм состояния.}

^{Фаза – однородная по химическому составу, кристаллической структуре и физическим свойствам часть гетерогенной термодинамической системы, отделённая от других ее частей поверхностями раздела, на которых происходит изменение свойств.}

Пик – часть кривой ТА, которая отклоняется, a затем вновь возвращается к базисной линии.

^{Колоша – порция единовременно загружаемых в шахтную печь рудных материалов, флюсов и твердого топлива с определенным соотношением компонентов.}

^{Колошник – верхняя часть ферросплавной руднотермической печи.}

^{Шихта – смесь сырьевых материалов, а в некоторых случаях и топлива, подлежащая переработке в металлургических печах.}

^{В настоящей диссертации применяют следующие сокращения:}

АкЗФ	– Аксуский завод ферросплавов
АМС	– Алюминий – марганец - кремний
ДТА	– Дифференциально-термический анализ
КАМС	– Кальций – алюминий – марганец - кремний
ККА	– Кремний—кальций—алюминий
МГТУ	– Московский Государственный технический университет
ПТА	– Полный термодинамический анализ
ПТМ	– Полное термодинамическое моделирование
ТХМЗ	– Темиртауский химико-металлургический завод
ТМЗ	– Таразский металлургический комбинат
ХМИ	– Химико-металлургический институт

ВВЕДЕНИЕ

Coвременнoе cocтoяние прoблемы. В настоящее время возрастает интерес металлургов к кальцийсодержащим сплавам. Данные сплавы успешно применяются в черной металлургии при раскислении стали, однако широкое их применение сдерживается сложностью и высокой стоимостью их производства. Преимущество использования комплексных кальцийсодержащих раскислителей определяется прежде всего возможностью получения легкоплавких включений, легко удаляющихся из жидкой стали [1-3].

Известно, что при получении силикокальция широко используют двухстадийную схему выплавки силикотермическим способом, в которой в качестве восстановителя используют высокосортные марки ферросилиция. Это значительно повышает себестоимость кальцийсодержащих ферросплавов и препятствует их широкому применению в металлургии.

Разрабатываемая технология кардинально отличается от существующих тем, что основным восстановителем является твердый углерод, содержащийся в высокозольном угле. Данная технология относится к бесшлаковой и практически безотходной.

Рост производства марганцевых ферросплавов сопровождается увеличением выхода отвальных шлаков. Часть данных шлаков перерабатывается на стройматериалы, но основная часть складируется в отвалы. При этом безвозвратно теряется значительное количество такого ценного элемента как марганец (имеющего стратегическое значение), содержание которого в шлаках достигает 15-20%. Для примера, в марганцевом концентрате содержание марганца составляет 30-40%. Повторная переработка данных шлаков по существующим применяемым технологиям не возможна или не рентабельна.

Марганцевые шлаки также содержат в среднем до 30-40% CaO, 30- 35% SiO₂ и 10-20% Al₂O₃ и могут служить дешевым сырьем для получения соответственно кальция, кремния и алюминия в металлической форме в составе одного сплава. Сырьевой базой для разрабатываемой технологии также являются высокозольные угли, которые нигде не востребованы и могут служить в качестве углеродистого восстановителя при выплавке кремнеалюминиевых сплавов, так как содержат в зольной части сумму (SiO₂ + Al₂O₃) более 90% [4-6].

Отвалы марганцевых шлаков и высокозольных углей в объеме свыше сотен миллионов тонн занимают тысячи гектаров земель и загрязняют окружающую среду. Необходимость переработки шлаков вызвана экологическими проблемами, которые в настоящее время полностью не решены. Поэтому, значимость их переработки и включения в металлургический передел для получения комплексных кальцийсодержащих ферросплавов (алюмосиликомарганца с кальцием) является главной непосредственной целью данной работы.

Предлагаемая технология по выплавке нового комплексного сплава алюмосиликомарганца с кальцием позволяет заменить дефицитные и дорогие раскислители стали, такие как силикокальций (закупаемый в настоящее время в Китае и РФ), ферросиликомарганец и вторичный алюминий. За счет комплексного использования и утилизации шлаков марганцевого ферросплавного производства появляется возможность повысить степень использования марганца на 10-15% (столько теряется со шлаками при выплавке ферросиликомарганца) и снизить себестоимость получаемого ферросплава.

Возможность использования ферросплавных шлаков и высокозольного угля (стоимость которого не превышает 30-40 $/т) в качестве исходного сырья при получении сплава КАМС (алюмосиликомарганец с кальцием), вместо дорогих высокосортных исходных материалов, как древесный уголь, кокс, свежеобожженная известь, ферросилиций значительно снижает себестоимость получаемого комплексного сплава. Выплавка сплава алюмосиликомарганца с кальцием будет осуществлена без использования дорогостоящегося восстановителя – металлургического кокса (стоимость которого достигает 400$ за 1 тонну), что позволит снизить себестоимость получения сплава более чем на 30 % по сравнению с технологией применения механической смеси ферросилиция, ферросиликомарганца и алюминия.

Дешевизна ферросплавного шлака и высокая стабильность его химического состава, а также возможность использования каменных углей определяют низкую стоимость сплава КАМС, содержащего более 80% таких активных элементов, как марганец, кремний, кальций и алюминий [5].

Применение в качестве шихтового материала марганцевых шлаков и техногенных отходов угольной промышленности значительно улучшит экологическую обстановку в регионе, а организация серийного крупнотоннажного производства этого уникального сплава позволит не только повысить экспортный потенциал республики, но и занятость населения.

Aктуaльнocть рaбoты – заключается в необходимости разработки теоретических и технологических основ переработки отвальных марганцевых шлаков и отходов угольной промышленности для выплавки комплексного сплава алюмосиликомарганца с кальцием, способствующему для вовлечения их в металлургический передел.

Отвалы марганцевых шлаков и высокозольных углей в объеме свыше сотен миллионов тонн занимают тысячи гектаров земель и загрязняют окружающую среду. Необходимость переработки шлаков вызвана экологическими проблемами, которые в настоящее время полностью не решены. Поэтому, значимость их переработки и включения в металлургический передел для получения комплексных кальцийсодержащих ферросплавов (алюмосиликомарганца с кальцием) является главной непосредственной целью данной работы.

Цель работы - исследование возможности выплавки алюмосиликомарганца с кальцием (сплав КАМС) из высокозольных углей и отвальных шлаков производства марганцевых ферросплавов с установлением общих закономерностей фазовых равновесий в системе A1-Si-Ca-Mn-О-С и физико-химических свойств нового комплексного сплава.

Задачи исследования:

- исследование физико-химических свойств шихтовых материалов для выплавки комплексного сплава алюмосиликомарганца с кальцием;

- проведение полного термодинамического анализа системы Al-Si-Ca-Mn-O-C на программном комплексе «АСТРА-4» в интервале температур 700-2700К;

- изучение термодинамическо-диаграммного анализа системы Al-Si-Ca-Mn;

- крупно-лабораторные апробация выплавки нового сплава алюмосиликомарганца с кальцием в рудно-термической печи с мощностью трансформатора 0,2 МВА.

- исследование физико-химических свойств нового комплексного сплава алюмосиликомарганца с кальцием;

- исследование микроструктуры комплексного сплава КАМС.

Нaучнaя нoвизнa. В нacтoящей рaбoте:

- возможность вовлечения в металлургический передел, в качестве исходного сырья, марганцевых ферросплавных шлаков и высокозольных углей, которые в настоящее время используются в малом количестве:

- исследование и разработка технологии совместного карботермического восстановления марганца, кремния, алюминия и кальция из марганцевых шлаков одностадийным электротермическим способом с использованием в качестве восстановителя высокозольных восстановителей;

- проведение полного термодинамического моделирования (ПТМ) процесса выплавки алюмосиликомарганца с кальцием (сплав КАМС) на программном комплексе «Астра-4», алгоритм которого основан на принципе максимума энтропии и учитывающий все известные свойства реагирующих компонентов, составляющих термодинамическую систему;

- построена диаграмма фазового строения системы Mn-Si-Al-Ca, моделирующей составы различных марок сплава КАМС, позволило установить, что она состоит из 6 элементарных тетраэдров: Si-CaSi₂-MnSi-Al; CaSi₂-MnSi-Mn₅Si₃-Al; Mn₅Si₃-CaSi₂-Al-Mn; Mn-Al- CaSi₂-CaAl₂; Mn-CaSi₂-CaAl₂-CaSi и Mn-Ca-CaAl₂-CaSi;

- в первые проведены крупно-лабораторные плавки комплексного сплава КАМС из отвальных марганцевых шлаков и высокозольных углей карботермическим способом.

- в первые изучены микроструктура сплава КАМС.

Ocнoвные пoлoжения рaбoты, вынocимые нa зaщиту:

- результаты фазовых превращений шихтовых материалов выплавки КАМС методом ДТА и РФА;

- результаты экспериментальных исследований металлургических свойств: вязкость, электропроводность и истинная плотность шихтовых материалов;

- результаты изучения фазовых равновесий в металлических системах на основе марганца, кальция и его соединений;

- результаты фазового состава конгруэнтных соединений четырех компонентной системы Mn-Si-Al-Ca;

- результаты крупно-лабораторных исследований выплавки КАМС на рудно-термической печи с мощностью трансформатора 0,2 МВА;

- результаты фазового состава и микроструктура комплексного сплава КАМС методами рентгенофазовым и микроструктурным анализом.

Публикации по теме работы - по данной магистерской диссертационной работе были опукликованы следующие статьи:

1. Копабаев А.С., Байсанов А.С., Уразгалиева А.Н., Заякин О.В. Перспективы выплавки новых видов кальцийсодержащих ферросплавов из отвальных марганцевых шлаков и высокозольных углей // Труды Международной научно-практической конференции «Наука и образование – ведущий фактор стратегии Казахстан – 2030» - (Сагиновские чтения №4) – Караганда, 2012. - С. 203-205

2. Копабаев А.С., Байсанов А.С., Уразгалиева А.Н., Есенгалиев Д.А. Тазартылған ферромарганец қождарынан кешенді қорытпа кальцийалюмосиликомарганецті алу мүмкіндігі // VIII халықаралық жас ғалымдар мен студенттердің ғылыми-практикалық конференциясы «Қазақстан Республикасының индустриалды-инновациялық даму стратегиясындағы ғылымның рөлі». - Актобе, 2012.- С. 275-276.

3. Копабаев А.С., Байсанов А.С., Толымбеков М.Ж., Байсанов С.О., Нурумгалиев А.Х. Шихтовые материалы для выплавки комплексного сплава КАМС //Труды II Межд. интерактивной научно-практ. конф. «Инновации в материаловедении и металлургии». – Екатеринбург, 2013. – С. 212-214.

4. Копабаев А.С., Байсанов А.С., Нурумгалиев А.Х., Торговец А.К., Уразгалиева А.Н. Возможность получения комплексного сплава кальцийалюмосиликомарганца из шлаков рафинированного ферромарганца // Материалы Республиканского научного журнала «Технология производства металлов и вторичных материалов». – Темиртау, 2013. - С. 20-22.

5. Baisanov A.S., Kopabaev A.S., Baisanov S.O., Tolymbekov M.Zh., Dzhundibaev M.K. Theoretical and practical aspects of the smelting of new complex alloy - alumosilikomanganese with calcium //The thirteenth international ferroalloys congress INFAKON XIII. – Almaty, 2013. – P. 775-780.

6. Копабаев А.С., Байсанов А.С., Нурумгалиев А.Х., Торговец А.К., Есенгалиев Д.А. Крупно-лабораторная апробация технологии выплавки алюмосиликомарганца с кальцием //Материалы Междун. научно-практ. конф., посв. 20-летию РГП «НЦ КПМС РК» и 55-летию Химико-металлургического института им.Ж.Абишева «Проблемы и перспективы развития горно-металлургической отрасли: теория и практика». – Караганда, 2013. – С. 57-60.

7. Копабаев А.С., Байсанов А.С., Нурумгалиев А.Х., Торговец А.К., Есенгалиев Д.А., Абилбериков А.А., Уразгалиева А.Н. Термодинамическое моделирование системы Al-Si-Ca-Mn-O-C на программном комплексе «АСТРА-4» // Материалы VII Межд. Научно- практ. конф. «Научно-технич. прогресс в металлургии». – Темиртау, 2013. – С. 413-418.

Cтруктурa и oбъём диccертaции - Диссертация состоит из введения, 3 глав, включающий критический обзор и анализ литературы; постановку задачи и обсуждение теоретических задач; для выплавки алюмосиликомарганца с кальцием исследованы и испытаны результаты разработок и освоены нестандартные шихтовые материалы; пунктов - определения и обозначения, реферата, заключения, списка использованных источников и приложения. Работа изложена на 83 страницах, содержит 16 таблиц и 38 рисунка.