Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Шевко В.М. 1 Бадикова А.Д. 1 Тулеев М.А. 1

---

1 Южно-Казахстанский университет им. М. Ауэзова

В статье приводятся результаты исследований получения сплава, содержащего марганец, кремний, железо и хром, – манганоферросиликохрома – из пылей производства ферросиликомарганца и пылей производства углеродистого феррохрома. Приводятся результаты термодинамического моделирования исследований по влиянию температуры, количества углерода и железа на получение из смеси пылей сплава манганоферросиликохрома. Исследования проведены с использованием программного комплекса HSC-6.0 (Outokumpy), основанного на принципе минимума энергии Гиббса, методом рототабельного планирования второго порядка (планы Бокса–Хантера). На основании полученных результатов установлено, что при температуре 1700–1900 °С в присутствии 20 % железа увеличение количества углерода от 48 % до 64 % повышает извлечение Si и Mn в сплав, что составляет 64,1 % по кремнию и 93,6 % по марганцу. Хром полностью переходит в сплав при 1400 °С; в интервале 1700–1900 °С при 48 % углерода СMn составляет 22,9–24,1 %, при 64 % углерода СMn – 23,8–24,1 %. Сплав при 1900 °С и 64 % углерода содержал 28,1 % Cr, 23,8 % Mn, 21,5 % Fe, 19,5 % Si. В температурном интервале 1873–1900 °С в присутствии 47,5–50 % железа содержание СSi изменяется от 18 % до 18,5 %, СMn – от 18,8 % до 19,4 %, и СCr – от 20,2 % до 21 %. Выплавка сплава манганоферросиликохрома должна проводиться в температурной области 1873–1900 °С в присутствии 47,5–50 % железа и 64 % углерода от массы смесей пыли.

Статья в формате PDF

0 KB

пыль

феррохром

ферросиликомарганец

термодинамическое моделирование

манганоферросиликохром

1. ГОСТ 4543-2016. Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2019. 53 c.

2. Кохидзе В.Р., Ибрагимов Е.А. Особенности технологии выплавки стали марки 30ХГСА // Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении : сборник трудов XII Всероссийской научно-практической конференции для студентов и учащейся молодежи (Юрга, 8–10 апреля 2021 г.). Томск: ТПУ, 2021. С. 22–24.

3. На Актюбинском заводе ферросплавов наращивают производство брикетов из пыли [Электронный ресурс]. URL: https://exk.kz/news/4834/na-aktiubinskom-zavodie-fierrosplavov-narashchivaiut-proizvodstvo-brikietov-iz-pyli (дата обращения: 04.05.2021).

4. Досекенов М. С., Алмагамбетов М.С., Улмаганбетов Н.А. Метод окускования пыли от производства феррохрома // Пылегазоочистка. 2019. № 18. С. 42–44.

5. Избембетов Д.Д., Амангельдиев Н.М., Зупаров Н.С. Разработка технологии производства огнеупорных изделий из рукавной пыли и шлаков высокоуглеродистого феррохрома // Теория и технология металлургического производства. 2015. № 2(17). С. 56–60.

6. Жунусова А.К., Мамонов А.Р., Жунусов А.К. Переработка аспирационной пыли феррохрома // Наука и техника Казахстана. 2016. № 3–4. С. 66–70.

7. Почти миллион тонн хромового шлака переработал Аксуский завод ферросплавов за прошлый год. [Электронный ресурс]. URL:https://www.erg.kz/ru/news/1294 (дата обращения: 05.05.2021).

8. Толымбекова Л.Б. Использование пыли сухих газоочисток производства ферросиликомарганца // Conduct of modern science: материалы XI международной научно-практической конференции (Sheffield, 30 ноября – 07 декабря, 2015). 443(27).

9. Исабаев С.М., Кузгибекова Х.М., Жинова Е.В., Жилина И.М., Жамухаметова А.Т. Гидрометаллургическая переработка некондиционного марганецсодержащего сырья с получением высококачественных продуктов // Комплексное использование минерального сырья. 2018. № 4. С. 166–172. DOI: 10.31643/2018/6445.43.

10. Roine A., Mansikka J., Kotiranta T., Bjorklund P., Lamberg P. HSC Chemistry 6.0 User’s Guide, Outotec Research Oy, 2006.

11. Шевко В.М., Сержанов Г.М., Каратаева Г.Е., Аманов Д.Д. Расчет равновесного распределения элементов применительно к программному комплексу HSC-5.1. Программа для ЭВМ // Свидетельство РК №1501 от 29 января 2019 г.

12. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической промышленности. М.: Высшая школа, 1985. 327 с.

13. Очков В.Ф. Mathcad 14 для студентов, инженеров и конструкторов. СПб: БХВ-Петербург, 2009. 512 с.

В машиностроении применяются многочисленные детали и изделия из стали марки 30ХГСА. Для выплавки этой стали, содержащей по [1] 0,8–1,1 % Mn, 0,9–1,2 % Si, 0,8–1,0 % Cr, используются несколько видов ферросплавов и металлы, например ферросплавы ФСХ33, СMn17, ФХ800, ФС75, марганец Мр1 [2]. Легирующие добавки предварительно измельчаются и вводятся в ковш в определенной последовательности с учетом углерода (например, 10–20 % Mn, 15–25 % Si). Упростить процесс легирования можно, если сократить количество вводимых добавок за счет ферросплава, содержащего несколько легирующих элементов. В статье приводятся результаты исследований получения сплава, содержащего марганец, кремний, железо и хром, – манганоферросиликохрома – из пылей производства ферросиликомарганца ТОО «Таразский металлургический завод» и пылей производства углеродистого феррохрома Актюбинского завода ферросплавов – филиала АО «ТНК «Казхром»». Результаты исследований подобной работы в литературе не описаны. Так, на Актюбинском заводе ферросплавов перерабатывают аспирационные пыли газоочисток путем брикетирования с получением брэксов (брикетов экструзионных) с последующим вовлечением их в производственный цикл (за 2020 г. из пыли с газоочистительных установок получено 63 тыс. т брэксов [3]). C целью переработки пыли аспирационных установок Актюбинского завода ферросплавов или реализации их как готового продукта на ТОО «НИИЦ ERG» проводят исследования повышения эффективности их окускования – брикетирования с применением микроармирования полипропиленовым волокном совместно с жидким стеклом [4]. Также на предприятии пыль феррохрома используют при изготовлении огнеупорных материалов с последующим применением их в качестве футеровки печей [5]. Перерабатывают пыль не только Актюбинского завода, но и пыль производства феррохрома Аксуского завода ферросплавов, которой образуется более 25 000 т в год [6]. Пыль газоочистных установок Аксуского завода ферросплавов содержит до 30 % ведущего элемента и является сырьем для агломерационного цеха завода (в 2019 г. произведено около 250 тыс. т агломерата, который снова возвращается в технологический процесс [7]). Пыль сухих газоочисток от выплавки ферросиликомарганца Таразского металлургического завода на 98–99 % представлена мелкой фракцией (0,063 мм), а содержание марганца в ней доходит до 20 % [8]. Такую пыль возможно перерабатывать брикетированием совместно с некондиционной (мелкой по фракции) марганцевой рудой для дальнейшего использования при производстве стандартных марок ферросиликомарганца. В Химико-металлургическом институте им. Ж. Абишева (г. Караганда) проводятся исследования по переработке таких пылей гидрометаллургическим методом, основанным на водном выщелачивании сернистым газом [9].

Цель исследования: определение влияния температуры, количества углерода и железа на получение из смеси пылей производства ферросиликомарганца и феррохрома сплава манганоферросиликохрома.

Материалы и методы исследования

Исследования проведены с использованием программного комплекса HSC-6.0 (Outokumpy)[10], основанного на принципе минимума энергии Гиббса, методом рототабельного планирования второго порядка (планы Бокса–Хантера). Для расчета равновесной степени распределения элементов между веществами (αЭ, %) нами был разработан алгоритм [11], в соответствии с которым при использовании данных о количественном распределении веществ, полученных при помощи программного модуля Equilibrium Compositions комплекса HSC-5.1, равновесная степень распределения элементов (αЭ, %) рассчитывается из отношения массы элемента (кг) в продукте (GЭл(пр)) к массе элемента (кг) в исходной системе (GЭл(исх)) по формуле:

(1)

Расчет массы элемента (эл) в исходной смеси (GЭл(исх)) производится по формуле:

(2)

где Aэл – атомная масса элемента в исходном веществе, Mi – молекулярная масса исходного вещества, Gi – масса исходного вещества кг, x – число кило-атомов элемента в исходном веществе.

Масса элемента в продуктах взаимодействия, (GЭл(пр) кг) рассчитывалась по формуле:

(3)

где Aэл – атомная масса элемента вещества в продукте, Mi(пр) – молекулярная масса вещества продукта, Gi(пр) – масса вещества в продукте, кг, n – число кило-атомов элемента вещества в продукте.

После нахождения GЭл(пр) и GЭл(исх) расчет равновесной степени распределения элемента по веществам проводится по формуле (3). Определялось влияние температуры, количества углерода, количества железа на образование ферросплава и содержание в нем кремния, хрома, марганца.

Объектом исследований явились пыль получения ферросиликомарганца ТОО «Таразский металлургический завод» электротермического с содержанием: 53,3 % MnO, 24,0 % SiO2, 5,4 % MgO, 9,6 % CaO, 3,8 % Al2O3, 1,5 % Fe2O3, 1,8 % ZnO, 0,6 % PbO, и пыль производства феррохрома Актюбинского завода ферросплавов (филиала АО «ТНК «Казхром»») с содержанием 21–35 % Cr2O3, 6–20 % SiO2, 14–31 % MgO, 3,7–5,7 % Al2O3, 7–9 % FeO, 0,6–7,4 % CaO, 3–6 % C, 0,3–1 % S. Массовое отношение пыли феррохрома к пыли ферросиликомарганца составляло 2:1.

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 1 показано влияние температуры и углерода (при 48 % и 64 % от массы пыли) на количественное распределение Si, Mn и Cr при 20 % Fe от массы пыли. Видно, что хром в системе присутствует в виде карбидов (Cr7C3, Cr4C, Cr3C2) и элементного хрома. Начало восстановления Cr2O3 отмечается при 900 °С, а окончание – при 1400 °С. В технологической области 1700–1900 °С основными хромсодержащими веществами являются Cr3C2, Cr и Сr4C. Восстановление марганца начинается при 1400 °С. Основным продуктом восстановления служит Mn3C. Продуктами восстановления SiO2 являются FeSi, SiC, Si (Т ≥ 1400 °С) и SiO (Т ≥ 1500 °С).

На рис. 2 (I, II) показано влияние температуры и количества углерода на равновесную степень извлечения в ферросплав кремния (в виде суммы FeSi, SiC, Si), хрома (в виде суммы Cr3C2, Cr7C3, Cr4C, Cr) и марганца (в виде Mn3C). Видно, что в технологической области 1700–1900 °С в присутствии 20 % железа увеличение количества углерода от 48 % до 64 % повышает извлечение Si и Mn в сплав, составляя 64,1 % по кремнию и 93,6 % по марганцу. Хром полностью переходит в сплав при 1400 °С. Причем при Т > 1300 °С количество углерода практически не влияет на этот процесс. Из рисунка 2(III) следует, что увеличение температуры от 1400 °С до 1900 °C и содержания углерода от 48 % до 64 % приводит к повышению концентрации кремния и уменьшению содержания хрома в сплаве, что связано с развитием кремневосстановительных процессов. На концентрацию марганца в сплаве количество углерода практически не влияет. Например, в температурном интервале 1700–1900 °С при 48 % углерода она составляет 22,9–24,1 %, при 64 % углерода – 23,8–24,1 %. Сплав при 1900 °С и 64 % углерода содержал 28,1 % Cr, 23,8 % Mn, 21,5 % Fe, 19,5 % Si.

1 – 48 % углерода, 2 – 64 % углерода

Рис. 2. Влияние температуры и количества углерода на равновесную степень извлечения металлов в сплав (I, II) и на концентрацию металлов в сплаве (III)

В табл. 1 приведена матрица проведенных дальнейших исследований с использованием рототабельного планирования второго порядка (планы Бокса–Хантера) [12] по влиянию температуры (Т,0С), количества углерода (С, % от массы пыли) на технологические параметры: степень извлечения металлов в сплав (αМе, %) и содержание в нем Si, Mn, Cr.

На основании результатов, показанных в табл. 1 по методике [12], получили следующие адекватные уравнения регрессии:

αSi = –487,69 + 0,657∙T – 6,43∙У – 2,088∙10-4∙T2 + 8,556∙10-3∙У2 + 3,558∙10-3∙T∙У; (4)

αMn = –1769,418 + 1,938∙T + 1,576∙У – 5,187∙10-4∙T2 – 7,817∙10-3∙У2 – 1,656-4∙T∙У; (5)

CSi = –113,86 + 11,511∙10-2∙T – 42,606∙10-2∙У – 3,058∙10-5∙T2 – 2,893∙10-3∙У2 + 5,379∙10-4∙T∙У; (6)

CCr = –431,565 – 43,892∙10-2∙T + 60,179∙10-2∙У + 1,244∙10-4∙Т2 + 7,386∙10-4∙У2 – 4,965∙10-4∙T∙У. (7)

На основании уравнений по [13] построены плоскостные изображения зависимостей αSi = f(T, У), αMn = f(T, У), CSi = f(T, У), CCr = f(T, У) (рис. 3).

Исследования по извлечению Cr в сплав и концентрации металлов в сплаве при 1600–1900 °С не проводились ввиду того, что при температуре ≥1400оС хром полностью переходит в сплав, а концентрация Mn в сплаве практически не зависит от количества углерода. Из приведенного на рисунке 4 материала следует, что степени извлечения Mn в сплав от 85 % до 91,6 % можно достичь в области abcde, Si в сплав от 55 % до 63,3 % – в области xyz. В температурном интервале 1825–1900 °С в присутствии 60–64 % углерода концентрация хрома будет составлять 29,6–28,4 %, кремния – 18–20,4 % марганца – 24 %. Видно, что разница концентраций Cr и Si составляет 11,6–10,2 %, а хрома с марганцем – 6,0–3,6 %. Поэтому такой сплав не является моносплавом (по Si, Mn, Cr). Для получения легированной стали марки 30ХГСА, в которой концентрация кремния, марганца, хрома примерно равна и составляет 0,9–1,2 % Si, 0,8–1,1 % Mn, 0,8–1,1 % Cr. Следовательно, к полученному сплаву необходима подшихтовка кремнийсодержащего ферросплава, например ФС75 или ФС90.

Дальнейшие исследования были проведены для определения возможности получения из смеси пылей ферросплава с небольшой разницей концентрации Si, Mn и Cr. Было исследовано влияние температуры и количества железа на извлечение металлов в сплав и содержание в нем Si, Mn, Cr при 64 % углерода от массы смеси пылей. В табл. 2 приведены матрица и результаты исследований.

Таблица 2

Матрица планирования и результаты исследований по влиянию температуры и количества железа ( % от массы смеси пылей) на степень извлечения в ферросплав металлов и содержание их в сплаве

Уравнения регрессии, полученные на основании данных табл. 2, имеют вид:

αSi = –764,78 + 76,08∙10-2∙T + 0,914∙10-2∙Fe – 1,725∙10-4∙T2 – 1,816∙10-3∙Fe2 + 1,55∙10-4∙T∙Fe; (8)

αMn = –1876,549 + 2,129∙T – 1,166∙Fe–5,74∙10-4∙T2 – 1,59∙10-3∙Fe2 + 5,76∙10-4∙T∙Fe; (9)

CSi = –292,852 + 31,21∙10-2∙T – 35,55∙10-3∙Fe – 76,73∙10-6∙T2 + 22,78∙10-4∙Fe2 + 88,66∙10-6∙T∙Fe; (10)

CMn = –275,58 + 33,56∙10-2∙T – 50,96∙10-2∙Fe – 92,85∙10-6∙T2 + 21,36∙10-5∙Fe2 + 17,73∙10-5∙T∙Fe; (11)

CCr = –382,969–34.23∙10-2∙T – 1,566∙Fe – 17,17∙10-4∙Fe2 + 8,24∙10-5∙T2 + 7,714∙10-4∙T∙Fe. (12)

На рис. 4 показано влияние температуры и количества железа на степень извлечения металлов и концентрацию кремния, марганца, хрома в сплаве.

Из рис. 4 видно, что по мере увеличения степени извлечения в сплав металлы образуют ряд: Si, Mn, Cr (извлечение Cr в сплав при 1500 °С составляет ≥ 99,6 %). Поэтому оптимизацию процесса необходимо проводить с учетом максимального извлечения Si в сплав (т.е. при αSi ≥ 60 %). При постоянном количестве железа повышение температуры приводит к увеличению концентрации Si, Mn и к уменьшению концентрации Cr. При постоянной температуре концентрация Mn и Cr снижается при повышении количества железа. Концентрация Si в сплаве > 18 % (18–19,7 %) отмечается в температурной области 1825–1900 °С и 20–50 % Fe (область xyzf).

На рис. 5 показаны совмещенная информация о влиянии температуры и количества железа на концентрацию металлов в сплаве (при условии их приблизительного равенства) и степень извлечения Si в сплаве ≥ 60 %. В табл. 3 приведены технологические параметры в области abcd. Из табл. 3 видно, что содержание СSi изменяется от 18 % до 18,5 %, СMn – от 18,8 % до 19,4 %, и СCr – от 20,2 % до 21 %.

В соответствии с [1], сталь марки 30ХГСА содержит примерно одинаковое количество Mn, Si, Cr (соответственно 0,8–1,0 %, 0,9–1,2 %, 0,8–1,1 %). При среднем содержании 0,9 % Mn, 1,05 % Si, 0,95 % Cr относительная разница концентраций (∆c, %) составляет: (1,05–0,9)/0,9*100 = 16,6 %. В нашем случае ∆c ≤ 16,6 % находится в области abcd (10,8–16,6 %). Поэтому выплавка манганоферросиликохрома должна проводиться в температурной области 1873–1900 °С в присутствии 47,5–50 % железа и 64 % углерода от массы смесей пыли.

Заключение

На основании полученных результатов термодинамического моделирования по получению из смеси пылей производства ферросиликомарганца и феррохрома сплава манганоферросиликохрома можно сделать следующие выводы:

– при температуре 1700–1900 °С в присутствии 20 % железа увеличение количества углерода от 48 % до 64 % повышает извлечение Si и Mn в сплав, что составляет 64,1 % по кремнию и 93,6 % по марганцу. Хром полностью переходит в сплав при 1400 °С; в интервале 1700–1900 °С при 48 % углерода содержание СMn составляет 22,9–24,1 %, при 64 % углерода СMn – 23,8–24,1 %. Сплав при 1900оС и 64 % углерода содержал 28,1 % Cr, 23,8 % Mn, 21,5 % Fe, 19,5 % Si;– в температурном интервале 1873–1900 °С в присутствии 47,5–50 % железа содержание СSi изменяется от 18 % до 18,5 %, СMn – от 18,8 % до 19,4 % и СCr – от 20,2 % до 21 %. Выплавка сплава манганоферросиликохрома должна проводиться в температурной области 1873–1900 °С в присутствии 47,5–50 % железа и 64 % углерода от массы смесей пыли.

Библиографическая ссылка