Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

АГЛОМЕРАЦИЯ МАРГАНЦЕВЫХ РУД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ

Тлеуов А.С. 1 Тлеуова С.Т. 1 Алтыбаев Ж.М. 1
1 РГП на ПХВ «Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова Министерства образования и науки Республики Казахстан»
1. Состояние марганцеворудной базы России и вопросы обеспечения промышленности марганцем // Материалы II Всероссийской научно-технической конференции. Сборник докладов КНИИГИГИЛС, Красноярск. – 2001. – 228 с.
2. Агломерация рудных материалов. Научное издание / Коротич В.И., Фролов Ю.А., Бездежний Г.Н. Екатеренбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2002 – 400 с.
4. Саятов Б.А., Толымбеков М.Ж., Байсанов С.О. Становление и развитие марганцевой отрасли Казахстана. – Алматы: «Искандер», 2004. – 416 с.
3. Байсанов С.О., Толымбеков М.Ж., Габдулин С.Г. и др. Перспективы развития марганцевой отрасли Казахстана /Сб. науч. Трудов: Современные проблемы металлургии. Г.Днепропетровск, 2011, т. 2. С. 55-58.
5. Ким В., Акбердин А., Ли А. и др. Разработка и создание технологии производства марганцевого агломерата в Казахстане //Сб. трудов Комплексная переработка минерального сырья». – Алматы, 200. С. 363-370.
6. Инновационный патент РК №27498 на изобретение «Шихта для производства марганцевого агломерата». Тлеуов А.С., Шевко В.М., Тлеуова С.Т., Репях Н.А, Родина Н.А. Опубл. 24.09.2013. Бюлл. №9.
7. Тлеуов А.С., Шевко В.М., Тлеуова С.Т., Лавров Б.А. Определение оптимального состава агломерационной шихты на основе фосфоритов, марганцевых руд и отходов угледобычи. Известия С-Пб государственного института. №16(45) 2013. С. 85-87.

В развитии металлургии особое место занимают первичные и вторичные материальные ресурсы, являющиеся равноценными компонентами сырьевой базы отрасли, которые являются важнейшими факторами развития экономики. Сбалансированность возрастающих объемов и масштабов производства с материально-техническим обеспечением должна достигаться путем увеличения в ресурсопотреблении доли сырья и материалов и высвобождения за счет этого первичных ресурсов [1].

Образование значительных масс отходов характерно для большинства отраслей промышленности. Безотходные и малоотходные технологии только начинают внедряться и не оказывают пока определяющего влияния на снижение уровня отходов производства. По данным учета отходов производства и потребления на всех предприятиях СНГ, в различных отраслях народного хозяйства накопилось около 5 млрд. т. твердых отходов. Причем, значительная их часть приходиться на долю Казахстана, которые, в основном, не перерабатываются и складируются в отвалах, на свалках, хвостохранилищах и т. д. [2].

В Казахстане марганец является одним из наиболее широко применяемых легирующих элементов стали, повышающий ее прокаливаемость, твердость, предел прочности и текучести. Марганец в составе ферромарганца и силикомарганца является как раскислитель и легирующая добавка к стали и сплавам. В Казахстане годовая добыча марганцевых руд достигает 0,5 млн. тонн. Около половины добываемой в Казахстане руды перерабатывается на Жездинской обогатительной фабрике, выпускающей концентрат с содержанием 33-39 % марганца [3, 4]. При этом руда с низким содержанием железа (не более 5 % железа) перерабатывается для получения марганцевого концентрата, из которого производят металлический марганец, чистый низкоуглеродистый ферромарганец. Руда с более высоким содержанием железа используется для производства силикомарганца. Потребителями продукции предприятия являются Ермаковский ферросилициевый завод (г. Ермак, Павлодарская область) и металлургические заводы России [5].

Задачей для Юга Казахстана является уменьшение количества накопленных отходов угледобычи, что возможно за счет сокращения их образования и увеличения степени их использования. Уровень использования отходов углеобогащения крайне низок. Сложившаяся ситуация в сфере обращения с отходами на юге Казахстана, в настоящее время неблагоприятна в экологическом плане. Перспективным направлением является использование в качестве углеродсодержащего компонента отходов обогащения, окисленных углей, а также некондиционной мелочи энергетических углей. Использование углеотходов в металлургической промышленности является весьма эффективным в плане замены флюсового компонента и сокращения расхода на дорогостоящий кокс [6,7].

Исследование физико-химических закономерностей агломерации металлургического марганецсодержащего сырья с использованием нетрадиционных видов топлива, для получения марганца, а также его сплавов является актуальной. Проведенные исследования позволят обосновать теоретические основы технологии агломерации марганецсодержащего сырья в присутствии углеродсодержащих отходов.

С целью исследования характера дегидратации и декарбонизации мелочи марганецсодержащего сырья и смесей проб руды с коксом при различных соотношениях с углеотходами был использован метод дифференциально-термического анализа. Дериватограммы смеси марганцевой рудой с коксом при соотношении кокса к отходам угледобычи равной 1:1, 1:2 характеризуется двухступенчатым экзоэффектом в области 280-320 и 480-520К, свидетельствующий об удалении кристаллогидратной влаги. Эндоэффект характерен для декарбонизации карбоната марганца находится в области 810-1015К. Причем, при соотношении кокса к углеотходам равной 1:2 эндоэффект перемещается в высокотемпературную область.

Микроструктурный точечный анализ пробы марганцевой руды Жайремского месторождения показал о наличии марганца – 41 %, а также кальция – 13,9 %, алюминия – 9,69 % и магния – 7,46 %. Интенсивный импульсный пик свидетельствует о наличии в пробе кремния до 22 %. Микроанализ шихты, состоящей из марганцевой руды, кокса и углеотходов, представлен на рисунке 1. Исследованные пробы точечного анализа в различных спектрах характеризуются наличием углерода до 94,89 %, кремния до 20,98 %, кальция до 13,72 %, железа до 52,45 %, магния до 3,31 %, натрия до 7,29 % , а также содержанием фосфора 4,82 %, серы 2,98 %, калия до 2,05 %, меди 3,09 % и хлора 2,09 %. Содержание этих элементов по интенсивности пиков полной шкалы содержания свидетельствует о наличии этих элементов в виде оксидных соединений, с включениями сульфидов железа, меди, кальция, с незначительными примесями хлоридов натрия и калия.

Для термодинамических исследований разложения силикатов марганца в присутствии соединений диоксида кремния, оксида кальция и углерода, характерных для отходов угледобычи при агломерационном обжиге использованы следующие реакции:

14MnО+20C=2Mn7C3+14CO (1)

3MnO+4C=Mn3C+3CO (2)

3Mn7C3+SiO2 =7Mn3C+2CO+Si (3)

3Mn2SiO4+8C=2Mn3C+3SiO2+6CO (4)

7Mn2SiO4+20C=2Mn7C3+7SiO2+14CO (4)

3MnSiO3+4C=Mn3C+3SiO2+3CO (5)

7MnSiO3+10C=Mn7C3+7SiO2+7CO (6)

MnCO3+ SiO2 + 2CaO + C = MnO + 2CaO·SiO2 + CO (7)

MnSiO3+4C+3CaO = Mn3C + 3CaSiO3 + 3CO (8)

Изменение энергии Гиббса и Log K рассчитывали с учетом фазовых превращений компонентов и в условиях, характерных для избытка кислорода (разряжение) агломерационного обжига в интервале 273 – 1800 К.

Элемент

Весовой %

Атомный %

ris1.tif

Na

0.63

0.55

Mg

7.46

6.14

Al

9.69

7.19

S

1.41

0.88

Cl

0.70

0.40

Ca

13.09

6.53

Ti

0.21

0.09

Mn

41

28

Fe

0.95

0.34

Ba

0.39

0.02

ris1a.tif

Рис. 1. Проба марганцевой руды Жайремского месторождения

Анализ полученных результатов расчета изменений энергии Гиббса, исследуемых реакций, свидетельствует о термодинамической вероятности протекания реакций в интервале 1000 – 1500К. Реакции разложения карбоната марганца в присутствии диоксида кремния, оксида кальция, железа и углерода в низкотемпературной области имеет высокую термодинамическую вероятность протекания. Об этом свидетельствует максимальные отрицательные значения энергии Гиббса. При повышении температуры выше 1700 К энергия

Гиббса незначительно перемещается в положительную область, но термодинамическая вероятность протекания остается.

Анализ расчета энергий Гиббса реакций 1-8 свидетельствует о термодинамической возможности протекания этих типов, связанных с образованием высших оксидов марганца, а также карбидов марганца возможно только в высокотемпературной области. В низкотемпературной области термодинамическая вероятность протекания реакций по значениям энергии Гиббса невозможна.

Для улучшения технико-экономических показателей выплавки марганцевых сплавов в руднотермических печах из руд, и изучения возможности процессов разложения марганцевых руд, необходима предварительная агломерация сырья.

Марганцевые сплавы, как известно, маркируют по содержанию углерода. При электроплавке марганецсодержащего сырья в присутствии восстановителя в интервале 500-1800 К возможно протекание процессов перехода высших оксидов марганца в низшие, а также образование как восстановленного марганца, так и карбидов.

В этой связи нами проведены термодинамические исследования возможности разложения силикатов марганца в присутствии углерода и оксида кальция. Расчет энергии Гиббса в интервале 273-2273 К выполняли на ЭВМ с учетом фазовых превращений компонентов реакций и конечных продуктов следующих реакций:

3MnSiO3+4C=Mn3C+3SiO2+3CO; (9)

3MnSiO3+4C+9CaO=Mn3C+3Ca3SiO5+3CO; (10)

3MnSiO3+4C+3CaO=Mn3C+3CaSiO3+3CO; (11)

3MnSiO3+4C+4,5CaO=Mn3C+1,5Ca3Si2O7+3CO; (12)

7MnSiO3+10С= Mn7C3+7SiO2+7CO; (13)

7MnSiO3+10С+21CaO=Mn7C3+7Ca3SiO5+7CO; (14)

7MnSiO3+10С+7CaO=Mn7C3+7CaSiO3+7CO; (15)

7MnSiO3+10С+10,5CaO=Mn7C3+3,5Ca3Si2O7+7CO. (16)

Анализ полученных зависимостей изменения энергии Гиббса показал, что общей закономерностью является увеличение их термодинамической вероятности протекания при возрастании температуры. Причем термодинамическая вероятность в присутствии оксида кальция увеличивается и возможность самопроизвольного протекания переходит в области более низких температур с образованием силикатов кальция.

Графическая зависимость изменения температуры начала восстановления марганца с образованием силикатов Са и карбидов Mn от отношения CaO/SiO2 приведена на рисунках 2 и 3, из которых следует, что температура начала восстановления силикатов Mn снижается при увеличение отношения CaO/SiO2. При этом минимальная температура начала образования Mn3C составляет 740 К и 679,87 при образовании Mn7C3 отмечается при отношении CaO/SiO2 =3. Причем, уравнения him1.wmf имеют следующий вид:

him2.wmf

Исходя из полученных результатов следует, что образование Mn7C3 более вероятно чем Mn3C. Найдено, что температура начала восстановления силикатов Mn с образованием карбидов подчиняется обобщенному уравнению:

him3.wmf

где CaO/SiO2, Mn/C – отношения CaO к SiO2 в полученном силикате и отношение Mn/C в полученном карбиде марганца.

ris2.wmf

Рис. 2. Влияние отношения СаО/SiO2 в получаемом силикате кальция на температуру начала (Тн) реакций 9-12 образовании Mn3С

ris3.wmf

Рис. 3. Влияние отношения СаО/SiO2 в получаемом силикате кальция на температуру начала(Тн) реакций 13-16 образовании Mn7С3

С целью улучшения условий горения топлива и теплообмена в слое спекаемых шихт, нами проведена серия исследований, сущность которых состоит в том, что в шихту перед окомкованием вводится только 30-40 % твердого топлива от его общего количества. Остальная часть вводится в шихту в конце ее окомкования, при этом она накатывается на поверхность образовавшихся гранул. Причем, для окомкования марганцевой мелочи использовали смесь коксовой мелочи с углеотходами при соотношении 1:0,2 ÷0,3.

Благодаря высокому содержанию в отходах угледобычи элементарного углерода, общий расход топлива в результате такого метода подготовки шихты к спеканию снижается на 20-25 % по сравнению со схемой с применением только коксовой мелочи.

При агломерации марганцевой мелочи крупностью 10-0 мм в качестве топлива, подаваемого в шихту перед смешиванием, использовали коксовую мелочь крупностью 3-0 мм в смеси с углеотходами. Причем, углеотходы используются одновременно в качестве топлива и связующей добавки. Повышенное содержание в них SiO2 позволяет повысить модуль кислотности шихты. Для накатывания на поверхность гранул использовалась остальная часть смеси коксовой мелочи с углеотходами в пределах 50-60 % от общего количества топливной смеси. Исследования показали, что выведение части коксовой мелочи из шихты и частичная замена ее отходами угледобычи, накатанными в смеси с коксовой мелочью на поверхность гранул, способствует улучшению окомкования шихты.

Полученные в результате сравнительных испытаний основные показатели процесса спекания (таблица) свидетельствуют о существенных преимуществах агломерации марганцевых шихт с накатыванием части топливной смеси (кокс + отходы угледобычи) на поверхность гранулы перед обычным способом и накатыванием только коксовой мелочи.

Из данных таблицы следует, что агломерат, полученный из шихт, с накатанным на поверхность гранул топливной смеси, имеет более высокие технологические характеристики по сравнению с обычным способом и с накатыванием только коксовой мелочи. Улучшение качества окомкования при накатывании части топливной смеси, состоящей из коксовой мелочи и отходами угледобычи, на гранулы создает благоприятные условия для сохранения их прочности и зернистой структуры слоя при переувлажнении, сушке и высокотемпературном нагреве, что обуславливает более высокую газопроницаемость спекаемого слоя в течение всего процесса спекания.

Горение топлива, накатанного на поверхность гранул, способствует более равномерному их оплавлению. Образующаяся размягченная оболочка предохраняет гранулы от разрушения в зоне высоких температур и снижает газодинамическое сопротивление высокотемпературных зон спекаемого слоя.

Таблица 1

Показатели процесса спекания в зависимости от способа подготовки шихты

Шихта

Доля топлива, подаваемого в шихту, %

Доля топлива на накатывание, %

Вертикальная скорость спекания, мм/мин

Удельная производительность, т/(м2×ч)

Выход мелочи 5-0 мм, %

1. Обычная

100

11,2

0,54

36,0

2. С накатыванием только коксовой мелочи

50,0

50,0

13,6

0,62

36,0

3. С накатыванием части топливной смеси (кокс + углеотходы) на поверхность гранулы

60,0

40,0

14,9

0,71

30,0

Таким образом, проведенные термодинамические и технологические исследования показали, что замена дорогостоящего кокса в агломерации марганецсодержащего сырья отходами угледобычи практически целесообразно. Использование углеотходов в качестве агломерационного топлива с накатыванием топливной смеси на поверхность гранул способствует улучшению газодинамики спекаемого слоя и интенсификации процесса агломерации.


Библиографическая ссылка

Тлеуов А.С., Тлеуова С.Т., Алтыбаев Ж.М. АГЛОМЕРАЦИЯ МАРГАНЦЕВЫХ РУД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 8. – С. 71-74;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=34633 (дата обращения: 06.06.2020).

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