Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ВЫПЛАВКИ ИЗ БАЗАЛЬТА ДУБЕРСАЙ ФЕРРОСПЛАВА И КАРБИДА КАЛЬЦИЯ

Шевко В.М. 1 Бадикова А.Д. 1 Каратаева Г.Е. 1 Тулеев М.А. 1 Аманов Д.Д. 1 Утеева Р.А. 1
1 Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова
Исследования проводились методами термодинамического прогнозирования и электроплавкой в дуговой печи. Термодинамическое моделирование проводилось с использованием программного комплекса HSC-5.1, основанного на принципе минимума энергии Гиббса. Электроплавку шихты проводили в одноэлектродной футерованной дуговой печи. Определение оптимальных параметров находилось методом планирования экспериментов с использованием рототабельного плана второго порядка с последующим нахождением оптимума графическим методом. Анализ сырья и продуктов плавки проводился с использованием растрового электронного микроскопа атомно-адсорбционного (прибор AAS-1 (Германия)), а также методом пикнометрии. На основании полученных результатов по переработке базальта месторождения Дуберсай найдено, что в равновесных условиях для получения из базальта карбида кальция литражом 250–300 дм3/кг, ферросплава, содержащего 57,4–63,3 % Si + Al (со степенью перехода кальция в карбид кальция 70–73,5 %, кремния в сплав 92,3–96,1 %) процесс необходимо проводить при 1954–2008 °С в присутствии 4–8 % железа. При электроплавке рядового базальта для получения карбида кальция литражом 233–305 дм3/кг и ферросплав с содержанием 50–53 % Si + Al (при извлечении кальция в карбид 68,6–75,3 % и кремния в ферросплава 72,5–73,6 %) процесс необходимо проводить в присутствии 20,4–30 % извести, 0–2 % стальной стружки.
базальт
углетермическое восстановление
термодинамическое моделирование
электроплавка
карбид кальция
ферросплав
1. Байбатша А.Б. Геология месторождений полезных ископаемых. Алматы: КазНТУ, 2008. 368 с.
2. Воробьев А.Е., Балтаева Г.А. Инновационные технологии получения изделий из базальта // Труды VI Междунар. научно-практ. конф. «Инженерные системы – 2013», посвящ. 100-летнему юбилею первого ректора РУДН профессора С.В. Румянцева. (Москва, 24–26 апреля 2013 г.). М.: РУДН, 2013. С. 266–270.
3. Оснос С.П., Ахмадиев В.Ф. Базальтовое непрерывное волокно // Патент РФ № 2381188. Патентообладатель общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственное объединение «Вулкан». 2010. Бюл. № 4.
4. Gulamova D.D., Shevchenko V.P., Tokunov S.G., Kim  R.B. Use of solar power for the production of basalt – based mineral fibers. Applied Solar Energy. 2012. № 48 (1). Р. 58–59. DOI: 10.3103/S0003701X12010070.
5. Воробьев А.Е., Дребенштедт К., Чекушина Т.В. Чекушина Е.В. Базальт: инновационные технологии каменного литья. М.: РУДН, 2007. 198 с.
6. Drobot N.F., Noskova O.A., Steblevskii A.V., Fomichev  S.V., Krenev K.A. Use of chemical and metallurgical methods for processing of gabbrobasalt raw material. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2013. № 47 (4). Р. 484–488. DOI: 10.1134/S0040579513040052.
7. Technological features of a furnace operation. In Lectures.com. 2019. [Electronic resource]. URL: http://lektsii.com/2-67960.html (ate of access: 28.08.201)
8. Udalov Ju.P. Application of program complexes of computing and geometrical thermodynamics at designing of technological processes of inorganic substances. St. Petersburg: St. Petersburg State Technological Institute, 2012. 183 p.
9. Amanov D.D., Shevko V.M., Karatayeva G.E., Serzhanov  G.M. Thermodynamic analysis of obtaining ferroalloy from silicon-aluminum-containing silica clay. Chemistry & Chemical Technology. 2017. № 4. Р. 411–414. DOI: 10.23939/chcht11.04.410.
10. Богданов С.П., Козлов К.Б., Лавров Б.А., Соловейчик Э.Я. Электротермические процессы и реакторы. СПб.: Проспект науки, 2009. 424 с.
11. Shevko V.M., Badikova A.D., Tuleev M.A., Karatayeva  G.Y., Yeskendirova M.M. Thermodynamic model of calcium carbide and a ferroalloy production from the Dubersay deposit basalt. International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET). 2018. № 9. Р. 1151–1160.
12. Шевко В.М., Каратаева Г.Е., Бадикова А.Д., Аманов  Д.Д., Тулеев М.А. Термодинамическая модель влияния температуры и углерода на получение ферросплава и карбида кальция из базальта месторождения Дуберсай // Комплексное использование минерального сырья. 2018. № 3. С. 86–94.
13. Макаренко Л.Н. Применение под огурцы карбида кальция // Известия ТСХА. 1996. № 3. С. 111–114.
14. Шевко В.М., Каратаева Г.Е., Лавров Б.А., Бадикова А.Д. Получение ферросплава и карбида кальция из базальта месторождения Дуберсай // Известия СПбГТИ(ТУ). 2019. № 49. С. 26–32.

Развитие металлургического производства во многом определяется наличием устойчивой сырьевой базы (сырьевого резерва), обеспечивающей работу предприятий в течение длительного периода времени (50 и более лет). Поэтому в сырье должны присутствовать элементы с высоким кларком. Для производства кремнистых ферросплавов (кларк Si составляет 29,5 %) к такому (многомиллионному) сырью относится горная порода базальт, которая по Дели состоит из оксидов кремния (46.06 %), алюминия (15,17 %), кальция (8,95 %), железа (11,75 %). В Казахстане запасы базальта составляют около 75 млн т [1], в частности запасы базальта месторождения Дуберсай, расположенного в Актюбинской области составляют 10,8 млн т. Сейчас базальты используются для производства базальтового волокна [2, 3] (непрерывное d = 6–21 микрон, l = 40–60 км; тонкого d = 6–12 микрон, l = 30–60 мм; супертонкого d = 1–3 микрон l = 50–60 мм), базальтовой ваты [4], строительных материалов, каменного литья [5], теплоизоляционной продукции, как сырье для производства портландцементного клинкера и других изделий [6]. Присутствие в базальте кроме SiO2 также 35,87 %Σ оксидов алюминия, кальция и железа не позволяет комплексно его использовать при получении ферросплава ввиду образования большого количества шлака (≈40–50 % от массы ферросплава). Поэтому необходимо создание такой технологии, которая предусматривает получить из базальта не только ферросплав, но еще и другую продукцию. Совмещение одновременного получения в электропечи нескольких продуктов позволяет не только повысить степень комплексного использования сырья, но и уменьшить тепловые и электрические потери, на долю которых приходится от 11 до 14 % энергии [7]. Исходя из состава базальта рациональным является совмещение в электропечи получения не только кремний-алюминийсодержащего ферросплава, но и кальциевой продукции, например карбида кальция. В работе приводятся результаты теоретических и прикладных исследований по переработке базальта месторождения Дуберсай.

Цель исследования: определение влияния температуры, количества углерода, железа и извести на электроплавку базальта Дуберсай с получением ферросплава и карбида кальция.

Материалы и методы исследования

Исследования проводили методом термодинамического моделирования и электроплавкой в дуговой печи.

Термодинамическое моделирование было выполнено с использованием программного комплекса НSC-5.1, основанного на принципе минимизации энергии Гиббса, разработанного Outokumpu Research Oy (Финляндия). При работе с комплексом HSC-5.1 первоначальная информация взаимодействия в системе представлялась в виде количественного распределения веществ. Затем, по алгоритму, разработанному авторами [8], определялась равновесная степень распределения элемента (α, %) по продуктам взаимодействия.

Электроплавку шихты проводили в одноэлектродной дуговой печи. Подовый электрод был выполнен из графитового блока. На подину устанавливали графитовый тигель (d = 6 см, h = 12 см). Печь в верхней части была закрыта съемной крышкой с отверстиями для графитового электрода (d = 3 см) и выхода газа. Перед проведением плавки проводили разогрев тигля дугой в течение 20–25 мин. После этого в тигель загружали первую порцию шихты (200–250 г). Проплавляли ее в течение 5–6 мин, затем загружали оставшуюся часть шихты (250–300 г) и проплавляли ее в течение необходимого времени. Электроэнергия в печь подавалась от трансформатора ТДЖФ-1002. После электроплавки горячий тигель извлекали из печи и охлаждали в течение 5–6 ч. Затем тигель разбивали. Карбид и ферросплав взвешивали и анализировали на Fe, Si, Ca и Al. Анализ сырья и продуктов электроплавки проводился методом растровой электронной микроскопии (прибор JSM-6490LM (Япония)), атомно-адсорбционным методом (прибор AAS-1N, (Германия)). Концентрация Si + Al в сплаве определялась также пикнометрическим методом по уравнениям, опубликованными нами в [9]. Степень извлечения кремния и алюминия в сплав определялась отношением массы металла в сплаве к массе металла в шихте. Степень извлечения кальция в технический карбид кальция (αCa, %) определялась отношением массы Са в карбиде к массе Са в шихте. Концентрация СаС2 в техническом карбиде кальция, доли 1, определялась из выражения: hevk01.wmf = L / 372·100, в котором L литраж карбида кальция, дм3/кг (определяется экспериментально по методике [10]), 372 количество ацетилена (дм3) выделяющегося при взаимодействии 1 кг СаС2 с водой.

Базальт использовали двух разновидностей: рядовой (по СаО) с содержанием 8–9,5 % СаО и богатый с содержанием 15–18 % СаО. По данным РЭМ (рис. 1) рядовой базальт, содержал, %: Si 18,08; Al 6,72; Ca 6,54; Mg 3,94; Fe 15,93; Na 2,06; K 0,27; Ti 1,09; Mn 0,31; P 0,15 и O2 44,9. По данным химического анализа богатый базальт содержал, %: SiO2 43,85; CaO 17,71; Al2O3 15,1; Fe2O3 10,71; MgO 5,1; Na2O 2,75; K2O 2,57; TiO2 1,06; P2O5 0,47. Кокс содержал 87,8 % углерода, известь – 97,6 % СаО и стальная стружка – 98,1 % Fe.

Результаты исследования и их обсуждение

Комплексом HSC-5.1 найдено, что в системах богатый базальт – Fe – nC присутствуют следующие вещества: CaSiO3, СаС2, Ca(g), CaSi, Саз3PO4, CaSi2, CaO, FeO, Fe, FeSi, Fe3Si, FeSi2, Fe5Si3, Si, Si(g), SiC, SiO(g), SiO2, Al2SiO5, Al, Al(g), Аl2O3, MgO, Mg, Mg(g), Na2SiO3, Na, Na(g), K, K(g), K2SiO3, K2O, Na2O, TiO2, CO, CO2, C, P2(g), P4(g). Изменение количества углерода от 40 до 60 % от массы базальта приводит к развитию карбидообразования кремния, кальция и кремния. При этом уменьшается образование FeSi, Fe3Si, CaSi, CaSi2 и SiOг.

I II

hevkR1a.tif hevkR1b.wmf

Рис. 1. Энерго-дисперсионный спектр базальта Дуберсай, полученный на РЭМ

1

hevk2a.tif

2

hevk2b.tif

3

hevk2c.tif

Β

1 – αΣSi, %; 2 – αCa(CaC2), %; 3 – αAl, %

Цифры на линии значения параметра поверхности отклика

Рис. 2. Влияние температуры и количества углерода на αΣSi, αCa(CaC2), αAl

1

hevk3a.tif

2

hevk3b.tif

3

hevk3c.tif

1 – CSi + Al, %; 2 – CAl, %; 3 – L, дм3/кг

Рис. 3. Влияние температуры и углерода на CSi + Al , CAl , L

Используя метод рототабельного планирования исследований второго порядка нами получены следующие уравнения регрессий влияния температуры (Т, °С) и количества углерода (У, %) на равновесное распределение кремния, кальция и алюминия [11]:

αΣSi = –112,1 + 0,195·Т + 0,1175·У – – 4,45·10-5·Т2 + 4,18·10-3·У2 – 2,52·10-4Т·У; (1)

αCa(CaC2) = –4796,86 + 4,6·Т + 10,18·У – – 1,175·10-3·Т2 – 0,1·У2 + 9,054·10-4·Т·У; (2)

αAl = –4738,71 + 4,35·Т + 6,748·У – – 1,013·10-3·Т2 – 4,33·10-2·У2 – 7,05·10-4·Т·У. (3)

На основании уравнений (1–3) нами построены объёмные изображения поверхности откликов и их горизонтальные разрезы (рис. 2).

Из рис. 2 видно, что αΣSi от 90,5 до 91 % можно достичь в области abcdlf (т.е. при 1900–2170 °С, 40–60 % С). αCa(СаС2) от 60 до 62,4 % наблюдается в области kmn (1955–2010 °С, 57–60 % С). 90–93,85 % αAl можно достичь при 2075–2180 °С и 52,5–60 % углерода.

Влияние температуры и количества углерода на CSi + Al, CAl, L показано на рис. 3, из которого видно, что содержание ∑Si и Al в сплаве от 60 до 69,9 %) наблюдается в температурной области 1900–2300 °С при 51,5–60 % углерода (заштрихована область на рис. 3 (В)). Из рис. 3 следует, что высокую (15,0 17,85 %) концентрацию алюминия в сплаве следует ожидать в температурной области 2000–2300 °С при 48,5–60 % углерода. Высокий литраж карбида кальция (350–354 дм3/кг) возможен в температурной области 2020–2050 °С при 51,3–60 % углерода (область abc на рис. 3).

На основании проведенных по плану исследований получены адекватные уравнения регрессии влияния температуры и количества железа [12], используя которые были построены зависимости αSi, СSi, CSi + Al, L = f(T, Fe)а затем получена совмещенная информация о технологических параметрах переработки базальта месторождения Дуберсай на ферросплав и карбида кальция (рис. 4).

hevk4.tif

(–––) αCa(CaC2), %; (–) L, дм3/кг

Рис. 4. Совмещенная информация о влиянии температуры и количества железа на технологические параметры получения ферросплава и карбида кальция из базальта месторождения Дуберсай

На область αCa(CaC2) от 70 до 73,5 % наложены линии с литражом карбида кальция 250–300 дм3/кг. Таким образом была образована область abcdef. В табл. 1 приводятся граничные значения технологических параметров (Т, Fe) обеспечивающих αCa(CaC2) = 70–73,5 %, литраж 250– 300 дм3/кг со значениями извлечения и концентрациями кремния и алюминия.

Электроплака базальта. Рядовой базальт (8–9,5 % CaO) месторождения Дуберсай содержит СаО меньше, чем SiO2, Al2O3. Поэтому литраж образующегося карбида кальция (из-за связывания СаО в силикаты и алюминаты кальция) не превышает 130–150 дм3/кг. Такой карбид кальция можно использовать в сельском хозяйстве [13]. Например, внесение 60–120 кг карбида на гектар позволяет увеличить урожайность огурцов на 30–50 %. Для получения сортового карбида кальция нами исследовано влияние извести на показатели плавки базальта. На основании уравнений построены объемные поверхности откликов и их горизонтальные разрезы [14].

На рис. 5 приведена совмещенная информация о литраже и концентрации Si + Al в сплаве.

hevk5.tif

Рис. 5. Совмещенная информация о влиянии извести и стальной стружки на литраж карбида и концентрацию Si + Al в сплаве (----) CSi + Al, %, (-) L, дм3/кг)

Таблица 1

Совмещенная информация о влиянии температуры и количества железа на технологические параметры получения ферросплава и карбида кальция из базальта месторождения Дуберсай

Точка на рис. 4

αCa(CaC2), %

αSi сплав, %

L, дм3/кг

CSi + Al, %

CSi, %

CAl, %

T, °C

Fe, %

a

70,0

95,0

254

63,3

48,2

15,1

1968

4,0

b

70,0

93,6

250

60,7

46,7

14,0

1954

5,3

c

70,0

93,3

250

56,8

43,4

13,4

1974

7,6

d

70,0

93,6

300

56,2

42,6

13,6

1988

8,1

e

70,0

95,2

300

57,4

43,1

14,3

2008

7,4

f

72,0

96,1

300

63,5

47,7

15,8

1992

4,0

А

73,5

94,9

276

59,5

45,2

14,3

1980

6,0

 

Таблица 2

Технологические параметры на границе области XAZF (по рис. 5)

Точка на рисунке

Известь, %

Стальная стружка, %

αSi, %

αAl, %

αCa, %

CSi, %

CAl, %

CSi + Al, %

L, дм3/кг

X

20,42

0,00

73,4

69,3

73,2

41,6

11,7

53,2

233

A

21,70

2,00

73,6

71,7

68,6

38,9

11,0

50,0

233

A1

22,63

1,85

73,4

71,2

69,2

38,9

11,0

50,0

240

A2

25,13

1,41

73,0

70,0

70,8

39,0

11,1

50,0

260

Z

30,00

0,64

72,6

68,9

73,8

39,0

11,2

50,0

301

F

30,00

0,00

72,5

68,9

75,3

39,7

11,4

51,0

305

X2

24,21

0,00

72,9

69,1

74,0

40,8

11,6

52,3

260

X1

21,43

0,00

73,2

69,2

73,4

41,4

11,7

53,0

240

 

Слева область XAZF ограничена литражом 233 дм3/кг, а сверху CSi + Al ≤ 50 %. В этой области (при 0–2,0 % стальной стружки и 20,42–30 % извести) литраж изменяется от 233 до 305 дм3/кг, а CSi + Al от 50 до 53,3 %. В области XAA1X1 литраж карбида составляет 233–240 дм3/кг (карбид 3 сорта), в области X1A1A2A3 240–260 дм3/кг (карбид 2 сорта), в области X3A2ZF 260–305 дм3/кг (карбид 1 сорта). В табл. 2 приведена информация о αSi, αAl, αCa, CSi + Al, CSi, CAl и L по границам области XAZF.

Из табл. 2 следует, что в области XAZF в меньшей мере на количество извести и стальной стружки реагируют αSi и αAl а более всего степень перехода кальция в карбид и его литраж. При получении карбида кальция литражом 233–240 дм3/кг αSi составляет 73,2–73,6 %, αAl 69,2–71,7 %, αCa 68,6–73,4 %, CSi + Al 50–53 %. При образовании более качественного карбида литражом 260–305 дм3/кг αSi составляет 72,5–73,0 %, αAl 68,9–70,0 %, αCa 70,8–74,0 %, CSi + Al 50–52,3 %.

Заключение

На основании полученных результатов по пирометаллургической переработке базальта Дуберсай можно сделать следующие выводы.

– в равновесных условиях для получения из богатого по СаО базальта карбида кальция литражом 250–300 дм3/кг, ферросплава, содержащего 57,4–63,3 % Si + Al (со степенью перехода кальция в карбид кальция 70–73,5 %, кремния в сплав 92,3–96,1 %) процесс необходимо проводить при 1954–2008 °С в присутствии 4–8 % железа;

– при электроплавке рядового базальта для получения карбида кальция литражом 233–305 дм3/кг и ферросплав с содержанием 50–53 % Si + Al (при извлечении кальция в карбид 68,6–75,3 % и кремния в ферросплава 72,5–73,6 %) процесс необходимо проводить в присутствии 20,4–30 % извести, 0–2 % стальной стружки.


Библиографическая ссылка

Шевко В.М., Бадикова А.Д., Каратаева Г.Е., Тулеев М.А., Аманов Д.Д., Утеева Р.А. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ВЫПЛАВКИ ИЗ БАЗАЛЬТА ДУБЕРСАЙ ФЕРРОСПЛАВА И КАРБИДА КАЛЬЦИЯ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2019. – № 10-1. – С. 193-197;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=12892 (дата обращения: 19.09.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074