Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,570

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОСПЛАВА, КАРБИДА КАЛЬЦИЯ ИЗ ДОМЕННОГО ШЛАКА С ЗАМЕНОЙ СТАЛЬНОЙ СТРУЖКИ НА МАГНЕТИТОВЫЙ КОНЦЕНТРАТ

Шевко В.М. 1 Бадикова А.Д. 1 Тулеев М.А. 1 Аманов Д.Д. 1 Капсалямов С.А. 1
1 Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова
В статье приводятся результаты исследований по получению ферросплава и карбида кальция из шихты, содержащей доменный шлак (37,2 %SiO2, 34,4 %CaO, 14 %Al2O3), магнетитовый концентрат (83,9 % Fe2O3, 9,4 %SiO2). Исследования проводились методом термодинамического моделирования и электроплавкой в руднотермической дуговой печи. Установлено, что в равновесных условиях для достижения степени перехода кремния и алюминия в сплав соответственно на 85,4–86,0 и 70–82,2 %, кальция в карбид кальция на 45–51,7 % процесс необходимо проводить в температурном интервале 2016–2075,5 °С в присутствии 51,7–54,0 % углерода (при этом суммарная концентрация Si и Al в сплаве составляет 47,6–49,1 %; процесс электроплавки необходимо проводить в течение 30–50 минут, при этом степень перехода кремния и алюминия в сплав составляет соответственно 60–84 % и 70–79 %, кальция в карбид кальция 72–77 % (суммарная концентрация Si и Al – 34–49 %), а литраж карбида кальция 236–250 дм3/кг; на укрупнено-лабораторной установке при электроплавке шихты, состоящей из 47 % шлака, 34 % коксика и 19 % магнетитового концентрата со сливом продуктов плавки получен ферросплав, содержащий 47–60 % ∑Si и Al, карбид кальция литражом 230–270 дм3/кг, при этом из шихты в сплав перешло 83,3 %Si и 76,8 %Al, Са в карбид кальция – 72,6 %, Zn и Pb в возгоны соответственно 98,0 и 92,2 %.
доменный шлак
углетермическое восстановление
термодинамическое моделирование
электроплавка
карбид кальция
ферросплав
1. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. М.: Академкнига, 2002. 786 с.
2. Барышников В.Г., Горелов А.М., Папков Г.И. Вторичные ресурсы черной металлургии. Т. 2. М.: Экономика, 1986. 344 с.
3. Утилизация – переработка доменных шлаков. [Электронный ресурс]. URL: http://emchezgia.ru/ekologiya/13.2_Utilizatsiya_domennykh_shlakov.php (дата обращения: 13.02.2020).
4. Коробейников А.П., Филин А.Н., Барыльников В.В. Способ переработки доменного и мартеновского шлака // Патент РФ № 2448172. Патентообладатель Коробейников А.П. 2012, Бюл. № 11.
5. Шогенов О.М., Рамадан А., Эдоков Р.А., Тапов А.А.. Опыт применения доменного шлака в качестве искусственного основания фундамента здания // Инженерный вестник Дона. 2019. № 4 (55). URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_52_Shogenov_N.pdf_ d69df8a052.pdf (дата обращения: 13.02.2020).
6. Валуев Д.В., Гизатулин Р.А. Технологии переработки металлургических отходов. Томск: Томский политехнический университет, 2012. 196 c.
7. Русских В.П., Кравченко В.П. Производство шлаковой ваты из доменных шлаков // Вестник Приазовского государственного технического университета. 2016. № 32. С. 20–25.
8. Ву Ким Зиен, Танг Ван Лам, Баженова С. И., Нгуен Зуен Фонг. Возможность использования доменных шлаков в производстве бетонов и растворов во Вьетнаме // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2019. № 11. С. 17–24.
9. Монтаев С.А., Шингужиева А.Б., Монтаева Н.С., Досов К.Ж., Есмухан Б.О. Использование гранулированного доменного шлака в составе керамической массы для получения керамического заполнителя (керамдора) // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2019. № 10–1. С. 164–168.
10. Шаповалов Н.А., Загороднюк Л.Х., Тикунова И.В., Шекина А.Ю. Рациональные пути использования сталеплавильных шлаков // Фундаментальные исследования. 2013. № 1–2. С. 439–443.
11. Takayuki M., Koichi T., Kenichi A., Sachiko H. Production and Use of Blast Furnace Slag Aggregate for Concrete. Nippon steel & Sumitomo metal technical report. 2015. no. 109. Р. 102–108.
12. Шевко В.М., Бадикова А.Д., Аманов Д.Д., Каратаева Г.Е. Способ переработки твердого доменного шлака // Решение о выдаче патента Республики Казахстан на полезную модель № 40647 от 11.10.2019.
13. Стальная стружка цена // Информационное агентство MetalTorg.Ru. Новости, аналитика, цены, статистика рынка черных, цветных и драгоценных металлов. [Электронный ресурс]. URL: https://www.metaltorg.ru/stalnaya-struzhka-tsena.htm (дата обращения: 13.02.2020).
14. Продукция Iron Concentrate Company // Iron Concentrate Company [Электронный ресурс]. URL: http://icckaz.com/ru/node/39 (дата обращения: 13.02.2020).
15. Antti Roine, Jarkko-Mansikka-aho, Tuukka Kotiranta, Peter Bjorklund, Pertti Lamberg. HSC Chemistry 6.0 User’s Guide. Outotec Research Oy. 2006. [Электронный ресурс]. URL: http://www.hsc-chemistry.net/pdf/40 %20Sim %20Flowsheet.pdf (дата обращения: 13.02.2020).
16. Шевко В.М., Аманов Д.Д., Каратаева Г.Е., Айткулов Д.К. Кинетика получения комплексного ферросплава из кремний-алюминийсодержащей опоки // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. № 10–2. С. 194–196.
17. Козлов К.Б., Лавров Б.А. Получение карбида кальция в дуговой печи и его анализ. СПб.: Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), 2011. 24 c.
18. Ахназарова С.А., Кафаров Б.В. Методы оптимизации эксперимента в химической промышленности. М.: Высшая школа, 1978. 319 с.
19. Очков В.Ф. Mathcad 14 для студентов, инженеров и конструкторов. СПб.: БХВ-Петербург, 2009. 512 с.

В соответствии с [1, 2] удельный выход доменных шлаков составляет 455–481 кг на 1 т чугуна. Переработка шлаков организована несколькими методами [1, 3, 4] с получением цемента [5], пемзы, щебня [6], волокна, минеральной ваты [7], шлакоситаллов, литых изделий, шлакобетонов [8–9], удобрений [10], ферросплавов [11, 12]. Однако доменный шлак используется не полностью, например в Российской Федерации до 17 % доменного шлака в середине 20-х гг. текущего столетия хранилась в отвалах. Исходя из того, что основная часть передельного и литейного доменного шлака состоит из СаО (34–50 %), SiO2 (32–42 %), Al2O3 (6–15 %) [1] нами разработан электротермический метод совместного получения из доменного (передельного и литейного) шлака ферросплава (содержащего Si, Al, Fe) и карбида кальция [12]. обязательным шихтовым компонентом этого способа является стальная стружка (13–16 % от массы шлака). В виду наблюдаемого в настоящее время дефицита и сравнительной дороговизны (до 14000 руб/т [13]) стальной стружки возникает необходимость замены ее на другой железосодержащий материал, например на магнетитовый концентрат, получаемый на ТОО «Iron Concentrate Сompany» из хвостов флотации медьсодержащих руд [14] . Концентрат преимущественно (на 85–88 %) состоит из Fe3O4 и из 8–10 SiO2 %.

Цель исследования: определение возможности замены стальной стружки на магнетитовый концентрат при электроплавке доменного шлака с получением ферросплава и карбида кальция.

Материалы и методы исследования

Исследования проводились методами термодинамического моделирования и электроплавкой в дуговой печи. Термодинамическое моделирование проводилось с использованием программного комплекса HSC-5.1 основанного на принципе минимума энергии Гиббса [15]. Электроплавку шихты проводили в графитовом тигле (d = 6 см, h = 12 см) одноэлектродной дуговой печи. Электроэнергия в печь подавалась от трансформатора ТДЖФ-1002. Необходимая мощность поддерживалась терристорным регулятором. После электроплавки горячий тигель извлекали из печи и охлаждали в течение 5–6 часов. Затем графитовый 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 (через плотность) по уравнениям, опубликованными нами в [16].

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 кальция к массе кальция в шихте. Концентрация СаС2 в техническом карбиде кальция, определяется из выражения:

hevko01.wmf = L / 372, (1)

в котором L – литраж карбида кальция, дм3/кг (определяется экспериментально по методике [17]).

В работе использовали: доменный шлак АО «Арселор Миталл Темиртау», содержащий 37,2 %SiO2, 34,4 %CaO, 14,0 %Al2O3, 11,8 %MgO, 1,7 % BaO, 0,6 %FeO, 0,5 %MnO; кокс (85,65С, 4,6 %SiO2, 1,4 %CaO, 0,3 %MgO, 2,0 %Al2O3, 2,3 % Fe2O3, 0,7 %S, 1,2 %H2O, 1,2 % – прочие); магнетитовый концентрат ТОО «Iron Concentrate Сompany» (83,9 %Fe3O4, 9,4 %SiO2, 1,8 %CaO, 1,2 %Al2O3, 0,2 %ZnO, 0,4 %PbO, 1,1 % прочие (K2O, Na2O, MnO, SO3, S, H2O)). При электроплавке отношение доменный шлак: магнетитовый концентрат составляло 2,8.

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 1 показано влияние температуры на равновесную степень распределения (α, %) некоторых элементов в системе доменный шлак (ДШ) – магнетитовый концентрат – углерод (ДШ-МК-У) при 48 % углерода от массы ΣДШ и МК. Видно, что максимальная αSi в FeSi (48,7 %) отмечается при 2100 °С.

hevkoR1.wmf

Рис. 1. Влияние температуры на равновесную степень распределения элементов в системе ДШ-МК-У

Температура начала формирования карбид кальция составляет 1800 °С. Максимально (37,1 %) αСа в СаС2 отмечается при 2000 °С, а алюминий в элементное конденсированное состояние (76,9 %) – при 2100 °С. Цинк переходит практически полностью (98,7 %) в возгоны при 1700 °С. Свинец переходит в газ хуже, чем цинк. Так, при 1800 °С αPb в газ составляет только 38,5 %. Из табл. 1 следует, что при 1900–2000 °С концентрация Si и Al в сплаве составляет соответственно 37,7–36,9 % и 4,6–9,5 %. При этом ΣСSi и Al = 42,6–46,6 %, а переход Si в сплав (αSiспл ) составляет 84,1–87,2 %.

Таблица 1

Влияние температуры на степень распределения кремния в ферросплав (ΣαSi) и концентрацию в сплаве Si и Al (СSi, CAl)

Параметр

Температура, °С

1600

1700

1800

1900

2000

2100

αSiспл, %

11,7

32,4

59,5

84,1

87,2

84,3

СSi, %

8,7

20,9

32,2

37,7

36,9

35,1

CAl, %

<0,1

0,3

1,6

4,6

9,5

12,9

СSi и Al

8,7

21,2

33,8

42,3

46,6

48,0

Из рис. 2 следует, что увеличение количества углерода от 42 до 54 % позволяет повысить ΣαSi от 83,4 до 88,8 %, α Al при 2100 °С – от 74,3 до 80,0 % и Са в СаС2 при 2000 °С от 19,6 до 54,8 %. При этом повышается литраж карбида кальция от 130 до 188 дм3/кг. Наблюдаемое снижение αSiспл, αСа в СаС2 (при Т > 2000 °С) и αAlспл > 2100 °C объясняется образованием газообразного SiO, разложением СаС2 (СаС2 = Саг + 2С) и испарением алюминия.

hevkoR2.wmf

1–42 %C, 2–48 %C, 3–54 %C

Рис. 2. Влияние температуры и углерода на равновесную степень перехода кремния (I) и алюминия (II) в сплав кальция в СаС2 (III)

Найдено, что при увеличении температуры при 1800 °С независимо от количества углерода αZn в газ составляет 98,4–98,8 %. При 2000 °С количество углерода также не влияет на αPb в газ, составляет 88,4–88,6 %. Из рис. 3 следует, что изменение углерода от 42 до 54 % позволяет при 2000 °С повысить концентрацию кремния и алюминия в сплаве от 44,9 до 47,1 %, а при 2100 °С – от 47,0 до 49,6 %.

hevkoR3.wmf

1–42 %С, 2–48 %С, 3–54 %С

Рис. 3. Влияние температуры и углерода на суммарную концентрацию кремния и алюминия в ферросплаве

Для определения оптимальных условий совместной переработки доменный шлаков и магнетитового концентрата дальнейшие исследования провели методом планирования с использованием рототабельных планов второго порядка (план Бокса-Хантера) [18]. Матрица планирования и результаты исследования приведены в табл. 2. Используя результаты исследования в соответствии с [19] получили следующие адекватные уравнения регрессии:

Siспл = –624,59 + 0,646·T +

+ 2,284·У – 1,67·10-4·T2 –

– 3,37·10-2·У2 + 5,868·10-4·T·У; (2)

αAlспл = –2773,44 + 2,447·T +

+ 3,472·У – 5,09·10-4·T2 +

+ 3,85·10-2·У2 – 2,93·10-3·T·У; (3)

αСa = –6263,91 + 6,34·T –

– 4,52·У – 1,61·10-3·T2 +

+ 1,96·10-2·У2 + 2,683·10-3·T·У; (4)

αСSi и Al = –224,716 + 0,213·T +

+ 0,975·У – 5,009·10-5·T2 –

– 1,43·10-2·У2 + 3,353·10-4·T·У; (5)

αZn = –235,12 + 0,274·T +

+ 3,294·У – 4,383·10-5·T2 –

– 6,179·10-3·У2 – 1,844·10-3·T·У. (6)

По методике [18, 19] нами были построены объемные изображения поверхностей откликов и их горизонтальные разрезы (рис. 4–6).

Таблица 2

Матрица планирования и результаты исследования электроплавки смеси доменного шлака и магнетитового концентрата

Переменные

αSiспл, %

αAlспл, %

αCa, %

αCSiиAl, %

Кодированный вид

Натуральный вид

Х1

Х2

Т, °С

У, %

1

+

+

2071

52.2

85,5

78

39,3

48.8

2

+

1929

52.2

84,3

40,1

36,5

44.6

3

+

2071

43.8

83

72,4

16,4

46.8

4

1929

43.8

82,5

31

16,8

43.0

5

+1,41

0

2100

48

84,5

77,3

19,8

48.0

6

–1,41

0

1900

48

84

25,5

21,3

42.3

7

0

+1,41

2000

54

85,9

68,2

54,8

47.1

8

0

–1,41

2000

42

83,6

47,6

20,3

43.2

9

0

0

2000

48

85,4

57

36,1

46.0

10

0

0

2000

48

86

57,4

37

46.2

11

0

0

2000

48

85,2

56,6

35

45.8

12

0

0

2000

48

85,8

56,3

35,2

45.9

13

0

0

2000

48

85,6

57,2

36,5

46.1

I II

hevkoR4.tif

Рис. 4. Влияние температуры и углерода на степень перехода Si в ферросплав: I – объемное изображение, II – горизонтальные разрезы поверхности отклика

I II III

hevkoR5.tif

Рис. 5. Влияние температуры и количества углерода на степень перехода Al в сплав (I), Са в СаС2 (II), Zn в возгоны (III)(горизонтальные разрезы поверхностей отклика)

I II

hevkoR6.tif

Рис. 6. Влияние температуры и количества углерода на концентрацию Si и Al в ферросплаве: I – объемное изображение, II – горизонтальные разрезы поверхности отклика

Из рис. 4 следует, что αSiспл от 85 до 86 % (точка А) располагается в температурной области 1940–2100 °С и 47,5–54 % углерода. Для αAlспл от 60 до 86 % необходима температура 1975–2100 °С и 42–54 % углерода. Переход кальция из шихты в СаС2 от 45 до 52,2 % отмечается в температурной области 1930–2075 °С в присутствии 51–54 % углерода. Цинк от 90 до 99,6 % возгоняется при 1520–1700 °С. Ферросплав с С Σ Si и Al от 45 до 49,7 % формируется в температурной области 1930–2100 °С в присутствии 42–54 % углерода.

Исходя из полученного материала следует, что оптимальные параметры (температура, количество углерода) должны быть ориентированы на извлечение Са в СаС2, так как αСа в СаС2 < αAlспл и αSiспл. На рис. 7 показано влияние температуры и углерода на αСа в СаС2 ≥ 45 % с наложением на разрез αAlспл ≥ 60 % (область abc рис. 7).

Для достижения в области abc (табл. 3) αСа в СаС2 от 45 до 51,7 % (точка а), αAlспл – от 70 до 82,2 %, αSiспл – от 85,4–86,0 % (точка е), процесс необходимо проводить в температурном интервале 2016–2075,5 °С в присутствии 51,7–54,0 % углерода. В этих условиях суммарная концентрация кремния и алюминия в ферросплаве составляет 47,6–49,1 %.

Таблица 3

Значения технологических параметров в граничных точках области abc (рис. 7)

Точка на рис. 7

Т, °С

Углерод, %

αSiспл, %

αAlспл, %

αCa, %

α C Si и Al, %

a

1977,0

54,0

85,5

60,0

51,7

46,4

b

2075,5

54,0

85,4

82,2

45,0

49,1

c

1993,5

51,3

85,9

60,0

45,0

46,5

d

2016,0

54,0

85,8

70,0

52,8

47,6

e

2032,0

51,7

86,0

70,0

45,0

47,7

На рис. 8 приведены результаты экспериментов электроплавки смеси доменного шлака и магнетитового концентрата, из которого видно, что для максимального перехода Са в СаС2 (72–77 %) процесс необходимо проводить в течение 30–50 минут. При этом степень перехода Si и Al в ферросплав составляет соответственно 60–84 % и 70–79 %, концентрация Σ Si и Al в сплаве 34–49 %, а литраж карбида кальция – 236–250 дм3/кг.

hevkoR7.tif

Линия: ас – αAlспл = 60 %,
de – αAlспл = 70 %, bc-αCa в СаС2 = 45 %

Рис. 7. Совместная информация
о влиянии температуры и углерода
на технологические параметры взаимодействия в системе ДШ-МК-С

hevkoR8.wmf

1 –αSiспл , 2 – αAl спл , %, 3 – αCa, %,
4 – αС Si и Al , %, 5 – L, дм3/кг

Рис. 8. Влияние продолжительности
электроплавки смеси доменного шлака и магнетитового концентрата
на технологические показатели процесса

На укрупнено-лабораторной установке (рис. 9) было проплавлено 36 кг шихты (17 кг шлак, 6,8 кг магнетитовый концентрат, 12,2 кг коксик). На рис. 10 показаны фотографии продуктов плавки, а на рис. 11 – состав ферросплава. Электроплавка проводилась при напряжении 20–35 В и силе тока 600–900 А.

hevkoR9.tif

I

hevkoR10a.tif

II

hevkoR10b.tif

Рис. 9. Укрупнено-лабораторная электротермическая установка

Рис. 10. Продукты электроплавки:
I – ферросплав, II – карбид кальция

Основные показатели процесса:

Степень извлечения, %: кремния в ферросплав – 83,3; алюминия в ферросплав – 76,8; железа в ферросплав – 97,7; кальция в карбид кальция – 72,6; цинка в возгоны – 98,0; свинца в возгоны – 92,2.

Содержание в продуктах, %: кремния в сплаве – 41–51; алюминия в сплаве – 6–9; Са в техническом карбиде кальция – 67–70.

Литраж технического карбида кальция, дм3/кг – 230–270.

Количество ферросплава на 1 т шлака –
590–610 кг.

Количество карбида кальция на 1 т шлака – 430–450 кг.

Расход эл.энергии, кВт•час: на 1 т суммарного продукта – 4400–4500.

hevkoR11aa.tif

Элемент

%

Элемент

%

Mg

0,09

Cr

0,17

Al

8,17

Mn

0,74

Si

50,46

Fe

39,00

Ca

0,67

Ni

0,27

Ti

0,49

Cu

0,00

Рис. 11. Растровая электронная микроскопия ферросплава

Заключение

На основании полученных результатов по совместной переработке доменного шлака и магнетитового концентрата можно сделать следующие выводы:

– в равновесных условиях для достижения степени перехода кремния и алюминия в сплав соответственно на 85,4–86,0 и 70–82,2 %, кальция в карбид кальция на 45–51,7 % процесс необходимо проводить в температурном интервале 2016–2075,5 °С в присутствии 51,7–54,0 % углерода (при этом суммарная концентрация Si и Al в сплаве составляет 47,6–49,1 %);

– процесс электроплавки необходимо проводить в течение 30–50 минут, при этом степень перехода кремния и алюминия в сплав составляет соответственно 60–84 % и 70–79 %, кальция в карбид кальция 72–77 % (суммарная концентрация Si и Al – 34–49 %), а литраж карбида кальция 236–250 дм3/кг;

– на укрупнено-лабораторной установке при электроплавке шихты, состоящей из 47 % шлака, 34 % коксика и 19 % магнетитового концентрата со сливом продуктов плавки получен ферросплав, содержащий 47–60 %∑ Si и Al, карбид кальция литражом 230–270 дм3/кг, при этом из шихты в сплав перешло 83,3 % Si и 76,8 %Al, Са в карбид кальци – 72,6 %, Zn и Pb в возгоны соответственно 98,0 и 92,2 %


Библиографическая ссылка

Шевко В.М., Бадикова А.Д., Тулеев М.А., Аманов Д.Д., Капсалямов С.А. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОСПЛАВА, КАРБИДА КАЛЬЦИЯ ИЗ ДОМЕННОГО ШЛАКА С ЗАМЕНОЙ СТАЛЬНОЙ СТРУЖКИ НА МАГНЕТИТОВЫЙ КОНЦЕНТРАТ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2020. – № 4. – С. 83-90;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=13060 (дата обращения: 10.07.2020).

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