автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Физико-химические превращения при восстановительной плавке некондиционных марганцевых концентратов Казахстана

УДК 669.168:661.631

На правах рукописи

РГБ ОД

Зобнин Николай Николаевич

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАВКЕ НЕКОНДИЦИОННЫХ МАРГАНЦЕВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ КАЗАХСТАНА

05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Республика Казахстан Алматы 2001

Работа выполнена в Карагандинском металлургическом институте Министерства науки и образования Республики Казахстан

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор С.М. Тлеугабулов

доктор технических наук Ж.А. Алыбаев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Р.З. Жалелев

кандидат технических наук В.И. Авдюков

Ведущая организация:

Химико-металлургический институт НЦ КПМС РК Защита состоится «

Л/ » у/л'1¿/ь-'-* 2001 г. В _ часов на

заседании Специализированйого Совета Д 53.17.01 в РГКП «Институт металлургии и обогащения» МОиН РК по адресу: 480100 г. Алматы, ул. Шевченко, 29/33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГКП «Институт металлургии и обогащения»

«А/ ъ№Л)кЯ 2001 г.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного >

Совета, доктор технических наук ^ /ШХ'Ш^^ д -р Щоинбаев

'/ 20 /, /,ГЛ% - ; л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Объективно существует проблема переработки «кондиционных марганцевых концентратов Казахстана, в особенности ¡Кайремского месторождения. Добываемое сейчас крупнокусковое рудное сырьё успешно используется для производства марганецсодержащих сплавов (МСС). Эднако, в процессе добычи и обогащения кроме сортового сырья также образуется мелкозернистое сырье. Использование его для производства МСС приводит к шрушеншо технологического режима электродуговой печи и образованию настыли т колошнике, которое мешает нормальному, самопроизвольному сходу шихты. Так ыавка силикомарганца из марганцевого концентрата фракции 5-10 мм приводит к >становке печи в течение 3-х недель. Совместная переработка мелкозернистого и :ортового марганцевого сырья также не решает проблему, так как в этом случае зезко возрастает удельный расход электроэнерпш. Проблема усугубляется также тем, что складируемый в отвалах мелкозернистый марганцевый концентрат активно $ыветривается, что ухудшает экологическую обстановку в регионе и приводит к 1евосполнимым потерям ценного минерального сырья Казахстана. Поэтому «обходимо го учение причта нарушения технологического режима. Вероятно, :ричинами могут быть малый размер частиц, высокая электропроводность и низкая >еакционная способность шихтовых материалов, а также низкая температура начала эазмягчения рудного компонента шихты.

Исследования выполнялись в соответствии с научно-техническими трограммами Карагандинского Металлургического Института по госбюджетным темам: К-97 «Разработка технологии эффективной переработки железных, марганцевых, хромитовых руд Казахстана, промышленных отходов с обеспечением гериферийных технологий, Г-73 «Разработка технологии металлургической ¡ерсработки дисперсного железо- и марганецсодержащего сырья, Г-64 (Совершенствование технологии выплавки стали и ферросплавов». ЩЛЬ РАБОТЫ. Теоретические исследования химизма процессов, протекающих 1ри выплавке марганецсодержащих сплавов с помощью полного термодинамического анализа и оптимизация на его основе состава шихты. Экспериментальная разработка новых методов оптимизации затрат при выплавке в щекгродуговых печах. Снижение удельного расхода электроэнергии при выплавке *ЛСС. Нахождение условий, при которых возможно перерабатывать в шектродуговых печах некондиционное марганцевое мелкозернистое сырье Казахстана.

ТАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. В работе впервые получены следующие данные: [. Разработана модель химических превращений, протекающих при выплавке .трганецсодержащих сплавов, методом полного термодинамического анализа с эрименением программного комплекса "АСТРА";

I. Выведена теоретическая формула расчета оптимальной электропроводности пихты при выплавке силикомарганца;

Р1 = (2*р2 * Нш* Ншлак) / (0,1В41*ёэ*(0,866*Врэ. - ёэ)),

где: р2-электросопротивление шлаковой смеси, Ом*м; Нш> -высота слоя шихты, шлака, м; диаметр электрода, м; Орз. - диаметр распада электродов, м.

3. Экспериментально выявлен характер зависимости удельного расхода электроэнергии при выплавке силикомарганда от соотношения суммарной площади сечения электродов и площади сечения плавильной ванны;

4. Установлена новая закономерность взаимосвязи удельного расхода электроэнергии от электропроводности шихты при выплавке силикомарганца и углеродистого ферромарганца.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. На основании полученных в диссертации результатов:

- в крупнолабораторных условиях разработана технология переработки мелкозернистого марганцевого сырья Жайремского месторождения, обеспечивающая повышение извлечения марганца в сплав на 10-12% и снижение удельного расхода электроэнергии на 5-10%;

- на основании теоретических и экспериментальных данных получены: оптимальное значение электропроводности шихты при выплавке марганецсодержащих сплавов (6400-6500 Ом*м), оптимальное соотношение суммарной площади сечения электродов к площади сечения плавильной ванны при выплавке марганецсодержащих сплавов из некондиционного концентрата Жайремского месторождения (0,045-0,055) и оптимальный расход углеродистого восстановителя в шихту для выплавки марганецсодержащих сплавов из ряда марганцевых концентратов центрального Казахстана.

Показана целесообразность использования мелкозернистого марганцевого концентрата для выплавки силикомарганца и углеродистого ферромарганца. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании ферросплавов различного сортамента. - Новизна технологических разработок подтверждена патентом Республики Казахстан №10679.

При использовании вместо высококачественного сортового марганцевого концентрата (цена 90 долл. США за тонну) мелкозернистого концентрата (цена 40 долл. США за тонну) и объеме производства 100 тыс. тонн силикомарганца в год примерный годовой экономический эффект составит 6 млн. долл. США. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы доложены на:

-30-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и студентов Карагандинского металлургического института "Карагандинский металлургический институт в решении научно-технических проблем ИСПАТ-КарМет" (г, Темиртау, 1999 г.)

-31-й научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и студентов Карагандинского металлургического института «Научно-технический прогресс на рубеже веков» (г. Темиртау, 2001 г.)

международной научно-практической конференции «Инженерная наука Казахстана на пороге 21-го века» (г. Алматы, 2001 г.)

международной научно-практической конференции «Научно-технический [рогресс в металлургии» (г.Темиртау 2001)

научно-техническом семинаре по материалам диссертационных исследований на ехническом совете АО «ТНК Казхром» (г. Аксу, 2001 г.)

научно-техническом семинаре по материалам диссертационных исследований на ехническом совете АО «Жайремский ГОК» (п.г.т. Жайрем, 2001 г.) 1УБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано двенадцать научных абот, в том числе 1 предварительный патент РК и 3 статьи в изданиях, екомендованых ВАК Казахстана для публикации основных результатов андидатских диссертаций (2 статьи в журнале «Комплексное использование гинерального сырья, 1 статья в журнале «Вестник Евразийского университета»), СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация изложена на 135 страницах гашинописного текста, включая 27 рисунков и 28 таблиц и состоит из введения, [яти глав, списка литературы из 119 наименований отечественных и зарубежных второв, йриложения и заключения.

ТА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие положения диссертации: . Результаты экспериментальных и теоретических исследований жидкофазного осстановления марганецсодержащих шихт различной основности и удельного асхода твердого восстановителя;

. Экспериментальная модель методики снижения удельных затрат электроэнергии

[ри использовании шихтовых материалов мелкого гранулометрического состава с юмогцью перераспределения энергетического потока, подаваемого в печь, путем арьирования соотношения суммарной площади сечения электродов к площади ечения плавильной ванны;

. Новый способ опытной оптимизации удельных затрат электроэнергии при [спользовании шихтовых материалов с высокой электропроводностью путем оставления шихтовых смесей оптимальной электропроводности; . Компьютерная программа расчета состава восстановительных смесей, 'беспечивающих оптимальное электросопротивление исходной шихты и тксимальное извлечение целевых элементов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ МАРГАНЕЦСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

Обзор литературных данных показал, что существующие на данный момент 1етоды определения расхода шихтовых материалов, в частности кокса и флюсов, фи производстве марганецсодержащих сплавов при определенных условиях не (беспечивают максимальное извлечение марганца. Это вызвано тем, что эти методы

не могут учесть особенностей минералогии и химизма восстановлен« конкретных рудных материалов. Существующие методы оптимизации удельног расхода электроэнергии позволяют перерабатывать с приемлемыми технико-экономическими показателями материалы, имеющие неудовлетворительно соотношение компонентов пустой породы. В том же случае, когда сырь характеризуется высокой удельной электропроводностью или низкой реакционно способностью, эти методы малоэффективны.

Поэтому привлечение новых методов термодинамического исследовани металлургических систем, имеющих место при выплавке мараганецсодержащи сплавов (полный термодинамический анализ), а также разработка новых методо оптимизации затрат электроэнергии и изучение особенностей поведени некондиционных материалов при переработке их в электродуговых печах - важна научная и практическая задача.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ, (ВОССТАНОВЛЕНИЯ С УЧАСТИЕМ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

ШЛАКООБРАЗОВАНИЯ), ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ ВЫПЛАВКЕ ' МАРГАНЕЦСОДЕРЖАЩИХ СПЛАВОВ С ПОМОЩЬЮ ПОЛНОГО ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ШИХТЫ ПО ДАННЫМ ПОЛНОГО ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

В данной работе представлены результаты исследования процесс восстановления Джездинского марганцевого концентрата (ДМК) с помощы термодинамического моделирования, включающего полный термодинамически анализ (ПТА) системы. ПТА - метод анализа, основанный на расчете состояния максимальным уровнем энтропии при заданном наборе элементов и пр определенных условиях (температура, давление). Данный способ расчет охватывает весь комплекс реакций, протекание которых вероятно в системе и да« возможность определить результаты пребывания шихт в определенных условиях, v которых пользователь выбирает оптимальные по критерию степени извлечет; ведущих элементов.

ПТА было проведено с использованием ПК "АСТРА" на ЭВМ таг PENTIUM. Рассчитано извлечение марганца в зависимости от температуры, расхо; углерода и основности шихты Ca0/Si02.

До недавнего времени термодинамическое моделирование восстановлен* МС на основе ПТА было весьма ограничено в силу того, что для полного охват всех возможных химических реакций было недостаточно информации термодинамических свойствах сложных соединений. Авторами даннет исследования были систематизированы опубликованные ранее данные (энтальпия коэффициенты полинома).

Зависимость извлечения марганца в МСС из ДМК, % от исх. от восстановительного потенциала и температуры. Основность 0,23 (а), 0,6 (б), 1,0 (в), 1,5 (г). Результаты полного термодинамического анализа.

-»-■мяос -А—тмбоос

Т-1700С

т-яюс

-$-Т=1«0С -в-ТЧ5ВС

Т«1700С Т-1800С

Раопа утерт гЛООгДК

-В-М500С -А—тмкис Т*1700С

-315-14800 с

Зависимость равновесного фазового состава (РФС) металла от температуры при различных условиях плавки, рассчитанная с помощью ПК «АСТРА», РУ=25 г/1001 ДМК, основность - 0,23 (а); РУ=22г/100 г ДМК, основность - 0,6 (б); РУ=20г/100 г ДМК, основность - 1,0 (в); РУ=16,5г/100 г ДМК, основность - 1,5 (г).

-РеЗС -РвЗв! -МпЮ13

РФС,

1300 1400 1500 1600 1700 1800 Температура, С

1300 1400 1500 1600 1700 1800 Температура, С

-1=еЗС

-Мп5КЗ

-№23С8

0,181 0,16 0,14 0,12 РФС, 0,1 мольЛг ода 0,08 0,04

ода

0|

—ф-РеЗС —Я—Мп23С8

А

1300 1400 1500 1600 1700 1800 Температура, С

1300 1400 1500 1600 1700 1800 Температура, С

Зависимость равновесного состава (РФС) от температуры при различных условиях плавки, рассчитанная с помощью ПК «АСТРА», РУ=25 г/100 г ДМК, основность -

0,23 (а); РУ=22г/100 г ДМК, основность - 0,6 (б); РУ=20г/100 г ДМК, основность -1,0 (в); РУ=16,5г/100 г ДМК, основность - 1,5 (г).

- Мп(газ) -Б!0(газ)

1,4 12

1

РФС. м

1300 1400 1500 1600 1700 1600 Температура, С

—♦— Мп(гш) —В—БЮ(газ)

1300 1400 1500 1600 1700 1800 Температура, С

—Ф— Мп(газ) —В— вфгаз)

РФС,

0,4 0,3 0,2 0,1

о

1400 1500 1600 1700 1800 Температура, С

—ф— Мп(газ) —В—вКЦгаз)

1300 1400 1500 1600 1700 1800 Температура, С

В отдельных случаях высокотемпературные коэффициенты теплоемкости были преобразованы в коэффициенты полинома, необходимые для моделирования процессов углетермического восстановления марганцевых руд и концентратов. Энтальпия некоторых соединений рассчитывалась через ионные инкременты и аддитивными методами. Данные в форме, требуемой для ввода в базу данных ПК "АСТРА", представлены в приложении.

По результатам расчетов ПТА построены графики зависимости извлечения марганца в МСС и равновесного фазового состава металла и газовой фазы от РУ при различных температурах и основностях. Результаты расчета представлены на рисунках 1 (а-г), 2 (а-г), 3 (а-г).

• Металлизация ДМК происходит при основности (С/Б) - 0,23, когда РУ превышает 5г/100 гДМК, в интервале температур 1500-1700°С и 10 г/100 г ДМК при температуре 1800°С. В отличии от С/Б - 0,23, при более высоких значениях этой величины металлизация начинается при более низкой температуре - в районе 1300-1400°С. Температура начала металлизации Тнм. снижается по мере увеличения основности: при С/5=0,6; 1,0; 1,5, Тнм.=1342, 1324, 1309°С соответственно. В области температур близких к Т„.м. зависимость имеет экстремальный характер.

• Равновесный фазовый состав металла зависит от основности исходной шихты. При С/8=0,23 и Т от 1300 до 1400°С в металле присутствует карбид железг РезС. Его содержание от 1400 до 1500°С снижается до нуля на фоне ростг содержания силицида железа Ре381. От 1400°С в металле появляется силицвд марганца Мг^з, содержание которого снижается от 1600°С. При С/8=0,6 областс перехода Бе3С в Ре381 от 1600 до 1800°С. Мг^з появляется от 1400°С. От 1300 дс 1700°С в металле присутствует карбид марганца МгьзС6 в количестве 0,01 моль/ю рабочего тела (р.т.). При С/8=1,0 от 1300 до 1800°С в металле Ре3С, от 1600°С Мп581'з, от 1300 до 1800°С Мп23Сй в количестве 0,06 моль/кг р.т. При С/8=1,5 от 1300 до 1800°С Ре3С и одновременно от 1500°С Гез81, содержание МпгзСб щ» 1400°С 0,12 моль/кг р.т. и снижается до 0,08 моль/кг р.т. от 1400 до 1800°С.

• В газовой фазе при С/8 0,23 и 0,6 имеется 8Ю (газ) в количестве 1,2 и 0,'. моль/кг р.т. соответственно при Т=1800°С. При всех С/в в газовой фазе есл Мп(газ). Зависимость содержания Мп в отходящих газах от температурь экспоненциальная. Как видно го рис. 1 (а), заметное восстановление при основносп 0,23 начинается при РУ более 5 г/100 г ДМК и Т> 1500°С. Степень извлечения М1 увеличивается с ростом РУ более интенсивно при 1500°С, чем при 1600°С . ( ростом восстановительного потенциала это различие нивелируется и при РУ>21 г/100г ДМК происходит обращение зависимости. Максимум извлечения М) находится около 1600°С и РУ=25г/100 г ДМК. Когда температура превышав 1600°С, максимальная степень извлечения и интенсивность ее достижения падае из-за высоких потерь Мл с отходящими газами (рис. 3 а-г). Как видно из рис. 1 (б) повышением основности от 0,23 до восстановление марганца возможно уже пр] Т=1400°С, но осуществляется оно исключительно за счет карбидообразованш

Этим объясняется падение извлечения марганца при увеличении

восстановительного потенциала при температуре 1400°С. С ростом потенциала соотношение карбида к силициду в металлической фазе резко сокращается, а для

образования силицида требуется более высокая температура. Зависимость равновесного фазового состава металла от температуры при оптимальном расходе восстановителя и различных основностях представлена на рисунках 2 (а-г). В дальнейшем, с ростом температуры, экстремум постепенно сглаживается, и если при 1500°С ещд наблюдается некоторое снижение извлечения Мп, начиная с РУ = ¡5 г/ 100 г ДМК, то более высокая температура обеспечивает исчезновение этого эффекта.

По сравнению с неофлюсованной шихтой максимально достигаемая в равновесии степень извлечения Мп у офлюсованой известью до основности 0,6 меньше на 2% - 92,2 и 90,2% соответственно. Необходимо также отметить, что повышение температуры системы относительно оптимальной от 1600 до 1700°С, сопровождается при основности 0,6 более резким падением извлечения Мп, чем при основности 0,23. При основности 0,6 и Т=1600 и 1700°С Хтп=0,90 и 0,74 соответственно, а при основности 0,23 и Т=1600 и 1700 Хтп=0,92 и 0,84 соответственно. Таким образом, в реальном рудно-термическом процесс, где неизбежно превышение температуры в областях, прилегающих к электроду, суммарное извлечение Мп, вероятно, будет гораздо больше при основности шихты 0,23 чем при 0,6. Разность температурных условий за счет разницы в шлаковом режиме в данном случае не принципиальна.

Как видно из рис.1 (в) восстановление начинается с более низкой температуры и более глубоко при основности 1,0, по сравнению с основностью 0,6. Также отсутствует экстремум в этой зависимости, что можно объяснить снижением соотношения силицида и карбида в металле в равновесии. Оптимальная степень извлечения по сравнению с восстановительной плавкой на неофлюсованном концентрате меньше на 1%, то есть 92,2 и 91,2% соответственно. Падение извлечения Мп при переходе от охггиматьной температуры 1600°С к 1700°С занимает промежуточное положение между основностями 0,22 и 0,6, а именно при температуре 1600°С Х™, =0,912 и при Т=1700С Х^, =0,78, что дает основание полагать, что в реальном процессе извлечение из шихты основностью 1,0 будет занимать промежуточное положение.

Исходя из данных графика рис. 1 (г), можно заключить, что минимальный необходимый расход восстановителя в шихту для основности СаО/БЮг+АЬОз =1,5 составляет 16,5 г/ 100 г ДМК. Для объяснения существенного снижения значения РУ, достаточного для оптимального извлечения Мп, как одну из причин, можно привести уменьшение степени восстановления кремния до силицидов и монооксида кремния, связанное с сокращением активности кремнезема в шлаке. Каких-либо принципиальных изменений степени извлечения Мп в МСС при увеличении основности не происходит. Чувствительность к колебаниям температуры осталась на прежнем уровне.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАВИСИМОСТИ ТИПА ХОДА ПЕЧИ ПРИ ВЫПЛАВКЕ МСС ОТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАВИЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА И ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ИСХОДНОЙ ШИХТЫ

Предположительно, величина соотношения суммарной площади сечени электродов к площади сечения плавильной ванны - /8 может влиять н; соотношение интенсивности плавления и химической реакции восстановлена рудной части шихты. В случае если эффект имеет место, то его возможн« использовать в целях оптимизации энергозатрат при восстановительной плавке 1 электродуговых печах. Увеличение соотношения суммарной площади сечензд электродов к площади сечения плавильной ванны ¿Х /Б ведет к сокращении области шихты, в которой происходит первичный прогрев посредство* теплопередачи. Общая площадь соприкосновения шихты и электрода чере электрические дуги увеличивается. Всё это увеличивает скорость проплавлена шихты. И, напротив, снижение этого соотношения расширяет зону прогрева и н< позволяет при наличии легкоплавкой или мелкой шихты разрушатьс: высокотемпературному тиглю. Потребляемая мощность поступает в печь в меньше» по объему реакционное пространство, что уравновешивает скорости обей; составляющих процесса выплавки МСС. Иначе говоря, речь идет < перераспределении мощности, которая при уменьшении /Б. поступает боле» точечно, а не распыляется по всему объему плавильной ванны. При наличш самообжигающихся электродов такое техническое решение возможно реализовал путем создания разъемного направляющего цилиндра в области вязкого электрода I изменяющимся при помощи регулировочного винта диаметром. При переработ» тугоплавкого кускового сырья электрод можно "распускать" (увеличивать диаметр а легкоплавкого и мелкого напротив "сжимать" (уменьшать диаметр). Регулиру; тем самым соотношение скоростей плавления и химической реакции 1 устанавливая нормальный ход печи путем оптимизации энергозатрат по фактор; Евэ /Б для каждой конкретной руды или концентрата, в зависимости от ю индивидуальных особенностей высокотемпературного поведения.

Ферросплавную печь схематически можно представить в виде электрическо] цепи, в которой к источнику питания - электродам, параллельно подсоединены дв, сопротивления. Их начала и концы имеют общие точки подключения к источник; тока Я] - сопротивление шихты и Яг - сопротивление жидкой шлаковой смеси и соответственно, I] - ток шихты и Ь - ток дуги. При этом напряжение на все: проводниках одинаково, а сила тока в неразветвленной цепи будет равна сумме си. токов во всех параллельно включенных проводниках.

На основании закона Ома для участка цепи получим:

1! = и/Яь Т2 = и/1*2, где: и - напряжение, В.

о:

Распределение рабочего тока электрода, на ток шихты -1! и ток

ДУГИ - 12.

электрод

шлак

о0°о1

СТО о.

К

пЛ_

-ц-►

о°о. о,

V

1;

££

V

3>„

1?

СО

о.

твердая шихта

/

высокотемпературный

тигель

металл

и, В

Ж

►

II

ь

Учитывая то, что оптимальное соотношение тока шихты к току дуги, найденное ранее опытным путем, при выплавке МСС составляет 1ш/1д ==0,23456 (81% ток дуги и 19% ток шихты) и учитывая равенство напряжения на всех параллельных участках, получим:

= 12*Ка; 11 = 0,23456*12; 0,23456*1^1 = 12*112 (2)

Сокращая силу тока в обеих частях уравнения, получим: 0,23456*111 = Из (3)

Известно, что электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения. В общем виде:

1И>*(1/8), (4)

где: Л - сопротивление, Ом;

р- удельное электрическое сопротивление, Ом*м; 1 - длина проводника, м; Б - площадь сечения проводника, м2. Учитывая то, что по данным Жердева не менее 95% тока шихты сосредоточено в пространстве по нормали между осями электродов, ограниченном внешними краями электродов - длина проводника, ширина проводника - диаметр электрода, высота проводника - общая высота твердой шихты за вычетом высоты высокотемпературных газовых тиглей, сопротивление твердой шихты можно записать

Я, = р1*((0,5*\'3*0р.э - <3э) / (4*НШ)), (5)

где: - р1 - удельное электросопротивление твердой шихты, Ом*м; для печи РПЗ -16,5: Ор э - диаметр распада электродов = 3,1 м.; с1э - диаметр электрода =1,2 м.; Нш - высота твердой части шихты за вычетом

высоты высокотемпературных газовых тиглей = 2,5 м.

Также учитывая, что не менее 95% тока дуги сосредоточено в подэлекгродных областях [87, 88], сопротивление жидкой шлаковой смеси можно записать следующим образом:

И2 = р2*(2*Ншлак/0,785 *<1э2), (6)

где: р2 - удельная электропроводность жидкой шлаковой смеси, Ом*м для печи РКЗ -16,5: Нциак - высота жидкой шлаковой смеси = 0,2 м. 2 - коэффициент, указывающий на то, что ток дуги дважды преодолевает электрическое сопротивление шлакового слоя: при переходе из электрода в слой жидкого ферросплава и при переходе из слоя жидкого ферросплава в электрод.

Подставив выражения (5), (6) в (3) и произведя необходимые преобразования, получим теоретическое уравнение, позволяющее найти электропроводность твердой шихты, обеспечивающую минимальный удельный расход электроэнергии, р, = (2*р2 * Нш* Нщлак) / (0,1841*с1э*(0,866*0р.э. - 4)) (7)

Рассматривая уравнение (7), можно предположить, что оно противоречит опытным данным, показывающим, что удельный расход электроэнергии не зависит от электропроводности конечного шлака. Согласно же формуле (7) р2 влияет на значение оптимальной электропроводности твердой шихты, а значит и на соотношение шихтового тока и тока дуги, и, в конечном счете, на удельные энергозатраты. На аналогичном положении обосновывается гипотеза, высказанная в литературе, о положительном влиянии на ход процесса плавки высокой электропроводности конечного шлака. Однако не следует забывать, что понятия конечный шлак - идеализированная металлургическая среда и реальная жидкая шлаковая масса довольно различны. В частности, в состав последней входят тестообразная масса недорасллавленного рудного материала, непрореагировавшие куски кокса, что весьма увеличивает электрическое сопротивление. Если бы это не было так в действительности, то доля тока шихтовой проводимости находилась бы на уровне долей процентов.

Например, электросопротивление конечного шлака восстановительной плавки силикомарганца, определенное в лабораторных условиях, составляет максимально 100 Ом*м, а в среднем - 0,5-1 Ом*м при температуре процесса плавки. Реальная же жидкая шлаковая смесь, находящаяся над слоем жидкого ферросплава, по данным Жердева, имеет удельное электросопротивление 25002600 Ом*м.

Теперь рассчитаем по полученной формуле среднюю величину оптимального электросопротивления исходной шихты.

*pi = (2,5*2550*2*0,2) /(0,18141*1,2*(0,866*3,1-1,2)) = 7775 Ом*м

Исходя из полученного значения рь теоретически проверим возможность ньшлзпкп силикомарганца из Жайремского марганцевого концентрата (ЖМК) -удельное электросопротивление -11111 Ом*м и коксового орешка производства КарМК - удельное электросопротивление - 833 Ом*м (при температуре 293 К).

Пример 1. Для восстановления ЖМК в соответствии с термодинамическими расчетами необходимо составить шихту, состоящую из ЖМК -1000 кг, коксика -270 кг.

1. Массовые доли компонентов шихты: \\'Ж%1К - (1000/1270)* 100% = 78,8%

wK0KCM(- 100-78,8 = 21,2%

2. Удельное электросопротивление шихты: Igpi =Lw*lgpb lgp, = 0,78S*lg 11111 + 0,212*lg 833 = 3,807 Pi =6414 OM*M

Полученное значение электросопротивления несколько ниже оптимального, но, учитывая, что это сопротивление при низкой температуре, можно допустить, что плавка на этой шихте будет характеризоваться приемлемыми технико-экономическими показателями.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ВЫХОДА МЕТАЛЛА ПРИ ВЫПЛАВКЕ МАРГАНЕЦС ОДЕРЖА1ДИХ СПЛАВОВ ИЗ МАРГАНЦЕВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ КАЗАХСТАНА.

Результаты термодинамического моделирования процесс;

восстановительной плавки МС с помощью ПК "АСТРА" следует проверит; эмпирическим путем, чтобы оценить адекватность этого метода опгимгоацш состава шихты с имеющимся набором термодинамических данных. Для этоп провели 5 серий экспериментов при различных фиксированных значения: основности и при оптимальной температуре варьировали расход восстановителя 1 шихту.

Для исследования использовали Джездинский марганцевый концентра-следующего химического состава - Мп - 30-33%, Ре - 5,5-7,5%, БЮг - 20-25%, СаС - 3-7%, А1203 - 4-5%, ппп - 8-10%. фракции от 2 до 3 мм, насыпной плотностьк 2100 кг/м3 и кокс той же крупности. Навески ДМК - 100 г смешивали с твердыл восстановителем и известью до основности 0,23; 0,6; 1,0; 1,5 при расходе извести 0 10; 20,9; 34,5 /100 г. ДМК соответственно помещали в алундовые тигли, внутреншп поверхность была защищена специально приготовленной огнеупорной смеськ (молотый отвальный шлак производства ферросиликохрома с добавкой глины замешанный на жидком стекле) и выдерживали в печи Таммана при температур« 1600°С до прекращения процесса восстановления, что контролировалось визуальж прекращением выделения газовых пузырей из массы расплава. Продолжительностс восстановления при переходе от меньших основностей к большим увеличивалась I составляли 30, 35, 45, 55 минут для основностей 0,23; 0,6; 1,0; 1,5 соответственно Расход углерода устанавливался по содержанию его в коксе 85% (масс.) I варьировали от 10 грамм на 100 грамм ДМК до значения РУ на 10-15% болыш определённого при помощи ПТА на максимальное извлечение ведущего элемента < тем, чтобы иметь более полное представление об особенностях процесса пр* избытке восстановителя. По аналогичной методике исследовалось восстановлен!« Жайремского марганцевого концентрата 1-го сорта. Навески ЖМК 100 ] смешивали с твердым восстановителем и известью до основности 0,35; 0,7; 1,1; 1,^ при расходе извести 0, 1,8, 3,7, 5,5. Расход восстановителя - коксовой мелоч* варьировали от 10 до 30-35 г (в зависимости от каждого конкретного случая) < шагом 5 г.

Результаты проведенных опытов: извлечение марганца Х^ представлены I табл. 3. Выход металла и шлака из 100 грамм ДМК в табл. 1. Химический состш полученных металлов в табл. 2. (теоретические и практические значения).

По аналогичной методике исследовалось восстановление Жайремскогс марганцевого концентрата 1-го сорта. Навески ЖМК 100 г смешивали с твердь» восстановителем и известью до основности 0,35; 0,7; 1,1; 1,5 при расходе извести 0 1,8, 3,7,5,5. Расход восстановителя - коксовой мелочи варьировали от 10 до 30-35 ] (в зависимости от каждого конкретного случая) с шагом 5 г.

Результаты проведенных опытов: извлечение марганца Хщд представлены I табл. 3. Выход металла и шлака из 100 грамм ДМК в табл. 1. Химический соста! полученных металлов в табл. 2. (теоретические и практические значения).

Таблица 1

Выход металла и шлака, грамм из 100 грамм ДМК в зависимости от РУ и _ основности при Т=1600°С. Опытные данные._

ч Расход Чэтлерода, основХ^т/г ность СаО/БЮг \ 0,1 0,15 1 0,165 | ! 0,18 | 0,2 0,22 -------- 0,25

0,23 8,4/59,9 20,8/43 | | 34,5/38^ - 38,1/25

0,6 15,8/68 24,3/52 1 38,1/47 39,4/47 -

1,0 11,1/78 27,7/64 • 1 37/58 | 37,5/56 -

1,5 12,8/99 30,3/72 34,9/59 | 1 - 1 35,1/60 -

числитель - выход металла Таблица 2 знаменатель - выход шлака

Химический состав металла, получаемого из ДМК при различных РУ и

основностях

Расход углерода, Химический состав, %

т/т ДМК Мп Ре Б! С

Основность - 0,23

0,1 33,3/31,8 48,4/50,3 18,2/17,9 0/0,05

0,15 58,6/56,3 20,0/26,1 21,2/17,6 0/0,08

0,2 65,3/68,7 12,5/13.4 22,0/17,9 0/0,07

0.25 69.9/71,2 6,69/8,6 23,3/19.9 0/0,12

0,3 -/69,8 -/10,9 -/17,2 -/2,15

Основность - 0,6

0,1 52,6/49,8 34,5/38,2 10,7/9,9 2,06/2,1

0,15 62,3/61,5 19,2/23,1 16,55/13,8 1,83/1,6

0,2 68,1/67,3 12,3/16,2 18,0/15,5 1,39/1,0

0,22 68,4/68,0 11,9/15,0 18,1/16,1 1,36/1,4

Основность -1,0

0,1 55,1/49,5 38,9/43,3 0/0,12 5,92/7,08

0,15 70,6/69,1 17,22/19,0 8,43/9,6 3,67/2,3

0,18 73,05/74,4 12,5/12,8 11,48/11,3 2,9/1,5

0,2 72,9/73,3 12,6/11,2 11,5/12,9 2,9/2,6

Основность - 1.5

0,1 54,7/55,8 39,3/38,9 0/0,05 5,92/5,2

0,15 79,24/79,8 14,84/13.2 0,4/0,25 5,49/6,75

0,165 79,22/78,9 13,6/13,8 2,08/2,2 5,09/5,1

0,2 -/78,4 -/14,1 -/2,2 -/5,3

числитель - теоретическое содержание содержание элемента

элемента, знаменатель - практическое

Таблица 3

Зависимость степени извлечения Мл из ДМК (% от исходного) от расхода углерода

Расход ^^гаерода, основ-\т/т ность СаО/БЮг 0,1 0,15 0,165 0,18 0,2 0,22 0,25

0,23 8,9/13,5 39,1/45,6 - - 79/81 - 90/92

0,6 26,2/27,1 49,8/51,1 - - 84/88 89/90 -

1,0 18,2/22,1 63,8/65,2 - 92,0/91 92/91 - -

1,5 23,8/21,9 80,6/83,7 91,8/91,2 - 91,5/92 - -

числитель - извлечение Мп - опытное знаменатель - извлечение Мп - расчетное - опыты и расчеты не проводились.

Теоретический химический состав рассчитывался следующим образом: 1. Выход химического соединения преобразовывался из размерности моль/кг рабочего тела в кг/кг рабочего тела, путем умножения на молекулярную массу. 2. Значение выхода в кг/кг рабочего тела складывались. 3. Находилось количество элемента в сплаве в кг/кг рабочего тела путем умножения выхода химического соединения в моль/кг рабочего тела на атомную массу элемента и число атомов в соединении. 4. Находилось содержание элемента как отношение количества элемента в сплаве к количеству сплава в кг/кг рабочего тела. Теоретический химический состав не рассчитан, для больших РУ по причине образования карбида кремния, распределение которого между металлом и шлаком неизвестно.

5. АПРОБАЦИЯ НОВЫХ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ ЗАТРАТ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ МАРГАНЕЦСОДЕРЖАЩИХ

СПЛАВОВ.

Для изучения влияния фактора Ев^ была проведена одна серия плавок силикомарганца, включающая в себя три кампании. Плавки проводились ш одноэлектродной рудно-термической печи мощностью 100 кВ*А с диаметром плавильной ванны 0,45 м и глубиной 0,45 м.

Некоторые рабочие характеристики электродуговой печи, использованной I исследовании (в скобках соответствующие показатели для полупромышленное печи ряда РКО):

1. Мощность-90-100 кВ*А (1000-1200 кВ*А)

2. Рабочая сила тока - '2500 А (6000-11000А)

3. Рабочее напряжение - 38В (38-47В)

4. Соотношение (Ьу'Б) -0,0177; 0,049; 0,111 (0,098)

5. Удельная мощность - 6,3 кВ*А/м2 пода (9,3 кВ*А/м2 пода)

6. Отношение диаметра ванны к высоте - 1 (0,35-0,5)

7. Отношение напряжения к силе тока и/1 - 150*10"4 (350*10"5)

Рудным материалом служил некондиционный марганцевый концентрат Жайремского месторождения фракции 4-10 мм. Химический состав Мп - 35%, Бе -8%, СаО - 7%, БЮ2 - 20%, АЬОз - 5,5%. В качестве восстановителя использовали коксовый орешек Карагандинского металлургического комбината той же крупности, что и рудное сырьё.

Усредненную партию некондиционного марганцевого концентрата фракции 0-10 мм. в количестве 10 тонн разделили на фракции 0-4 мм и 4-10 мм. Было получено 6550 кг первой и 3460 кг второй фракции. Фракцию 4-10 мм использовали для восстановительной плавки с применением электродов различного диаметра. Величину токовой нагрузки поддерживали на уровне ~2-2,5 кА при вторичном напряжении ~38 В путем изменения положения электрода вручную. Использовали электроды диаметром 6, 10, 15 см, что соответствовало отношению 0,0177;

3,049; 0,111 соответственно. Плавки проводились непрерывным способом по 18 тасов за одну кампанию. Выпуск металла и шлака производили каждые 1,5 часа. Металл выходил активно в течение 4-5 мин через лётку 50 мм. Шлак был вязким и зысокотемпературным, выходил затруднительно при (^/Б) - 0,049 и 0,111, но гекучим и низкотемпературным при (^а/Б) - 0,0177. В таблице 4 представлены эезультаты восстановительных плавок. Как видно из результатов плавки, выход зедущих элементов имеет экстремальную зависимость от величины (Хв^). При яизком значении (Хяэ/8) = 0,0177 выход низкий, растет от 0,0177 до 0,049 и снова :нижается от 0,049 до 0,111.

То же можно сказать и об удельном расходе электроэнергии. Однако делать вывод о точном значении максимума сложно в силу малого числа опытов. При Х^) = 0,0177 посадка электрода излишне глубокая настолько, что под печи терегрет, а колошник замораживался. Такой ход печи сопровождался зависанием пихты, поэтому её обвалку приходилось осуществлять принудительно, что :опровождалось выбросами шлака. Из-за намораживания шихты на электроде, в зерхней части печи образовывались полости, в которых скапливался жидкий шлак. Выбросы происходили из верхних полостей, а не из высокотемпературного тигля. Высокотемпературный тигель слабо выражен и вытянут в высоту.

Таблица 4

Основные показатели опытных плавок силикомарганца из некондиционного марганцевого концентрата Жайремского месторождения фракции 4-10 мм.

Показатели плавки соотношения суммарной площади сечения электрода и площади сечения плавильной ванны ОА/5).

0,0177 . 0,049 0,111

- Вторичное напряжение, В 38 38 38

- Сила тока, А 1800 2400 2800

- Удельный расход электроэнергии, кВт*ч / т 7800 4500 11400

- Производительность, кг/ч 8,76 20,2 9,33

- Кратность шлака 0,55 0,45 0,6

- Глубина погружения электродов, мм 430 350 50

- Извлечение марганца в сплав, % 74,2 88,9 67,3

- Расход шихтовых материалов

ЖМК Кокс 100 28 100 28 100 28

- Химический состав металла,% Мп Si С Р 62,4 19,0 1,8 <0,05 65,7 21,1 1,1 <0,05 60,3 17,7 2Д <0,05

Таблица 5

Зависимость показателей восстановительной плавки Жайремского марганцевого концентрата от расхода коксового «орешка»

Расход коксового «орешка», т/т 0,24 0,26 0,27 0,32

1. Сила тока, А 1000-1500 1500-2000 2000-2500 ~4000

2. Электрическая 1,458*10"4 1,53*10"4 1,57*10"4 1,687*10"4

проводность

шихты при

Т=100°С, (Ом*м)"'

3. Глубина

погружения 450 400 350 50

электрода, мм

4. Градиент

температуры по

высоте печи мм от

уровня пода, °С

50 1650 1600 1550 900

100 1400 1700 1600 900

200 900 1200 1100 900

400 300 600 700 1200

5 .Производитель-

ность, кг/ч 8,8 14,8 16,1 0,1

6. Расход

электроэнергии,

кВт*ч/т 7500 4900 4450 00

7. Извлечение Мп,

% 73,9 80,1 90,0 0,05

8. Химический

состав металла, %

Мп 60,0 61,9 63,0 58,6

11,2 14,8 17,1 19,3

Ре 27,7 22,1 19Д 20,5

С 1,1 1,2 0,8 1,6

9. Кратность

шлака 0,66 0,58 0,55 -

При С^/Б) = 0,049 печь идет в нормальном тигельном режиме. Шихтг сходит самостоятельно, посадка электрода достаточно глубокая.

При СЕя^) = 0,111 посадка электрода высокая, высокотемпературный тигел! уменьшен и слабо выражен. Уровень жидкого шлака постепенно растет, что требуа поднятия электрода. По истечении 4-х выпусков твердая шихта начинаем выдавливать нижележащий жидкий шлак, колошник проплавляется, и далее пет идет в режиме проплавления с горением дуг близко к колошнику. Для стабилизацш-температуры металла уровень шихты приходится понижать.

Очевидно, что непрерывная плавка в таких условиях невозможна. Результаты выплавки силикомарганца подтверждают возможность использования предлагаемого здесь метода эмпирической оптимизации энергозатрат при производстве ферросплавов путем варьирования соотношения суммарной площади сечения электродов и площади сечения плавильной ванны.

Для изучения влияния электропроводности шихты на технико-экономические показатели процесса была проведена серия плавок, состоящая из 4-х кампаний, нг одноэлектродной электродуговой печи с динасовой футеровкой. Диаметр плавильной ванны 45 см, глубина 45 см, диаметр электрода 100 мм. Результаты плавок в таблице 5.

В качестве рудного материала в первой серии плавок был использовав Жайремский марганцевый концентрат фракции 4-10 мм следующего химического состава: Мл - 35%, Бе - 8,0%, СаО - 7,0%, БЮ2 - 20%, А1203 - 5,5%. В качестве восстановителя использовали коксовый "орешек".

Как видно из результатов, оптимальный расход восстановителя в пересчете не коксовый «орешек» - 270 кг/тонну концентрата. При меньших значениях расходе углерода (240 кг/тонну) наблюдается заглубление электродов.

В результате плавки с расходом коксового «орешка» 240 и 260 кг/тонну химический состав не соответствует ГОСТу по содержанию кремния. Плавка < расходом 270 кг/тонну сопровождается нормальным сходом шихты, однакс температура металла несколько занижена, продукты плавки выходят менее интенсивно, что можно объяснить высокой электропроводностью шихты и росток доли тока шихты. Часть шлака, особенно нижележащего, по этой причине склонна в саморассыпанию, что свидетельствует о частичном образовании двухкальциевогс силиката.

Увеличение расхода восстановителя до 320 кг/тонну приводит к резкому поднятию электрода и работе печи в режиме сопротивления на проплавление. Та^ ход печи характеризуется чрезвычайно низкой температурой шихты * невозможностью протекания процесса восстановления. Причем кокс в процесс« подогрева выгорает, так что сколь угодно долгая работа печи не приводит I образованию металла.

Результаты исследования показывают, что оптимальная электропроводносп шихты при производстве силикомарганца составляет 1,57* 10"4 (Ом*м)"'

Графическая аппроксимация данных исследования дает возможность утверждать, что отклонение от оптимального значения электропроводности в тределах 2% в большую или меньшую сторону (1,54*104 - 1.6М0"4 (Ом* м") не вызовет существенного расстройства хода печи.

- Исходя из найденной оптимальной величины удельной электропроводности пихты, можно рассчитать оптимальный удельный расход шихтовых материалов.

Пример 1.

Установить возможность применения металлургического кокса КарМК с электропроводностью = 900 Ом*м и зольностью Ас=14,9% для производства ферромарганца, выплавка которого требует расхода углерода РУ=323 кг/тош1у концентрата. Флюс не используется. В качестве рудного материала используем Жайремский марганцевый концентрат фракции 4-10 мм после мокрой отсадки.

Для решения вопроса применимости данного кокса проведем расчет по следующим пунктам:

1. Расход кокса = РУ*100/(100-Ас) = 323*100/(100-14,9) = 380 кг/ тонну концентрата

2. Массовая доля кокса в шихте \укокса = 380/(1000+380) = 0,2753

3. Электропроводность кокса якога= 1/900 = 0,0011 (Ом*м)"'

4. Эле^"™"""1"'"'^ " = 1 И 1 п(а'>5Ркок" + га*|8ржмк^ _ ,/п П(0,2753Ч8 ),0011+0,7246*1® 1

»риирииидми^!ь лил^а Чкокса I' \г,\1\> 1 ] IV;м т)

X. Электропроводность шихты = 1/(10(ю*18ркокса + -''вр^) = ЩО10*27

Заключение: Из расчета следует, что величина электропроводности твердой пихты больше оптимальной, найденной в ходе опытных плавок, что обусловлено

товышенной проводимостью ЖМК, подвергнутого мокрой отсадке, в сравнении с ЖМК, не проходившим такую обработку, а также из-за большего расхода кокса на установление. Отсюда можно предположить, что процесс плавки будет проходить 1С в тигельном режиме, а на проплавление.

Пример 2.

В условиях примера 1 определить удельные расходы Шубаркульского угля и <оксика КарМК, которые могут обеспечить удельный расход углерода 323 кг/тонну ЖМК(подвергнутого отсадке) и электропроводность шихты 1,57*1 О*4. Зольность /гля - 22%, летучие - 26%, влага - 6%, твердый углерод - 46%.

Для решения данного вопроса произведем расчеты в соответствии со следующими пунктами:

1. Составим уравнение материального баланса шихты по углероду -Скокса*®кокса + Сугля*ококса*1 = РУ, где ^ - доля углерода в материале, в долях; сококса -масса кокса, кг/ тонну концентрата; I - степень замены кокса углем, в долях; РУ -необходимый удельный расход углерода, кг/тонну концентрата;

2. Зададимся некоторой нулевой величиной степени замены кокса углем и минимальным шагом ее изменения - 0,01. Выразим массу кокса из уравнения материального баланса в явном виде и решим уравнение с одним неизвестным -найдем расход кокса (озК(ЖСа);

3. Найдем расход угля, учитывая, что он равен ю>тля = Шкокса кг/тонну концентрата;

4. Найдем массовые доли всех компонентов шихты (Wj) wK0Kca = юкокс /(1000 +

® кокса +ЮуТЛЯ) ; = сйупм /(юоо + О кокса +Юугля ); WK0HueHTpaIa 1 - WK0KCa " WyrJU;

5. Используя формулу аддитивности найдем электропроводность шихты. Е том случае, если электропроводность больше величины 1,57* 10"4 +(-) 2%, то 1 имеющейся степени замены кокса углем прибавляем минимальный шаг е< изменения и повторяем расчет. Если же соответствие есть, то принимаек полученные величины удельных расходов шихтовых материалов как основу дда дальнейших полупромышленных испытаний.

Поскольку порядок расчета предусматривает многократное выполнен» однотипных действий с как можно меньшим шагом изменения параметра, то дю расчета целесообразно применить вычислительную технику. Текст компьютерно! программы на языке BASIC и результаты расчета приводятся далее.

101 = 0

20 Х=323/(.85+.46*1)

30 Y-X*T: А=Х/(1000+X+Y): B=Y/(1000+X+Y): С=1-А-В

40 Z=-3.95*C-2.9208*A-7.576*B

50 PRINT X, Y, Z,I

60 IF Ig Z>1.54*10A(-4) THEN M+.01: GOTO 20

70 END

Где: X - расход кокса, кг/тонну концентрата, Y - расход угля, кг/тонщ концентрата, Z - электропроводность шихты, (Ом*м)"', А, В, С - доля кокса, угля у концентрата в шихте, соответственно.

. Данная программа не универсальна, но она может быть легкс модифицирована для вычисления удельного расхода при использовании другю шихтовых материалов.

Условиям, определенным в исходных данных, соответствуют следующие расходные нормы по шихтовым материалам - Кокс КарМК - 355 кг/тонну ЖМК Шубаркульский уголь - 46 кг/тонну ЖМК.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных исследований зависимости основных технико-экономических показателей плавки силикомарганца от геометрических параметро! электродуговой печи, в частности, соотношения суммарной площади сечени* электродов и площади сечения плавильной ванны (s^/S), выработана методикг оптимизации затрат электроэнергии по этому фактору. Методика основана не найденной в этой работе экстремальной зависимости удельного расходг электроэнергии от величины (£s3/S). Характер зависимости в свою очередь зависвп от высокотемпературных особенностей поведения рудного материала, то есть дш каждого конкретного материала необходима оптимизация по фактору (Es3/S).

2. Найдено оптимальное значение показателя Zs^/S при восстановительно* плавке Жайремского марганцевого концентрата фракции 4-10 мм, которо( составляет 0,045-0,055.

I. Установлена экстремальная зависимость технико-экономических

гоказателей плавки МСС в электродуговых печах от удельной электропроводности шходной шихты. Разработаны основы методики оптимизации энергозатрат по ггому фактору. Оптимальная величина электропроводности шихты (1,57*10"4 Ом*м)"') +(-) 2% для выплавки силикомарганца явилась также оптимальной и для 1ьтплавки углеродистого ферромарганца. Это дает возможность предполагать, что ну величину можно использовать для расчета шихт и при выплавке других ферросплавов.

к Разработана программа для расчета оптимальных расходных норм шихтовых материалов с точки зрения баланса шихты по факторам электропроводности и

дельного расхода углерода - восстановителя.

>. На основе полного термодинамического анализа разработана модель процесса ¡осстановления марганцевого сырья, заключающаяся в совокупности ряда :имических превращений. Определены условия протекания этих реакций температура, восстановительный потенциал системы, основность шихты). >. Найдены оптимальные расходные нормы шихтовых материалов и штимальные геометрические параметры печи (Zs/S) для получения :иликомарганца марки См 17 из некондиционного по гранулометрическому составу Кайремского марганцевого концентрата.

Теоретическим путем выведена формула для расчета оптимального 1лекгрического сопротивления исходной шихты, при котором достигается наиболее свершенное распределение рабочего тока электрода на ток шихты и ток дуги - Pi = 2*р3*Нш*Нш.так) / (0,1841*4*(0,866*Dp3.-d,)).

Основное содержат» диссертации отражено в следующих опубликованных >аботах и изобретениях-

Зобнин H.H., Тлеугабулов С.М. К вопросу о химизме процесса ¡осстановления Fe-Mn руд иконцентратов // Сб. "Металлургия». Алматы, РИК, 999.-c.6-12.

1. Зобнин H.H., Тлеугабулов С.М. Определение восстановительного режима юлучения ферросиликомаргаица га Джездинского некондиционного концентрата И 26. «Металлургия». Алматы, РЖ, 1999. - с.39-42.

>. Зобнин H.H., Тлеугабулов С.М. Восстановительная плавка ферросиликомаргаица из некондиционного марганцевого концентрата // Известия Евразийского университета. Технические науки - 2000, №1. - с. 31-33. к Зобнин H.H., Тлеугабулов С.М. Теоретический расчет оптимальной шектропроводности исходной шихты для выплавки марганецсодержагцих сплавов / Сб. «Технология производства металлов» - Алматы. РИК, 2000. - с. 9-14. >. Зобнин H.H., Тлеугабулов С.М. Полупромышленная плавка силикомарганца с «пользованием метода оптимизации энергозатрат по фактору электропроводности. / Сб. «Технология производства металлов» - Алматы. РИК, 2000. - с. 14-22. >. Предварительный патент №10679 Республики Казахстан. Способ получения шликомарганца из некондиционного концентрата Жайремского месторождения.

Зобнин H.H. - Опубл. В официальном бюллетене «Промышленна

собственность», 2001, №9

7. Зобнин H.H., Тлеугабулов С.М., Алыбаев Ж.А. Теоретический расче оптимальной электропроводности исходной шихты для выплавк; марганецсодержащих сплавов. // Комплексная переработка минерального сырья ■ 2001, №1,23-31 с.

8. Зобшш H.H., Тлеугабулов С.М., Алыбаев Ж.А. Полупромышленная плавк силикомарганца с использованием метода оптимизации энергозатрат по фактор; электропроводности.// Комплексная переработка минерального сырья - 2001, №4 23-31 с.

9. Зобнин H.H., Тлеугабулов С.М. Оптимизация затрат электроэнергии npi восстановительной плавке некондиционного марганцевого концентрат Жайремского месторождения // тезисы докладов международной научно практической конференции «Инженерная наука Казахстана на пороге 21-го века >; Алматы, 2001, 34-36 с.

10. Зобнин H.H., Тлеугабулов С.М. Исследование влияния электросопротивлеяи шихты на ТЭП выплавки силикомарганца и углеродистого ферромарганца // там же 49-51 с.

11. Зобнин H.H., Тлеугабулов С.М. Экспериментальная проверка результате полного термодинамического анализа, выполненного с применением программного комплекса «АСТРА» V 4.0 // там же, 21-24

12. Зобнин H.H., Тлеугабулов .С.М. К вопросу о теоретическом расчет оптимального электросопротивления шихты при выплавке ферросплавов // там же 99-101 с.

Zobnin Nickolay Nickolaevich

Physical-chemical conversions by reduction melting of non-conditional manganese

concentrates of Kazakhstan.

SUMMARY

The work has been directed to the creation of new methods of optimization of ;nergy and materials expenditures in the process of silicon-manganese and "erromanganese production.

Chemistry of the process of the manganese reduction by full thermodynamic malysis has been investigated with the help of program software "ASTRA". On the basis >f these investigations optimal conditions of melting of silicon-manganese and "erromanganese have been found. The dependence of specific energy expenditures on the atio of the total section area of the electrodes to the section area of the melting bath Xse/S) has also been discovered. As discovered in the course of experimental melting in he arc furnace with the power of 100 kW*A, this dependence reaches its minimum at lefinite QjsJS). The value of (Xse/S) which helps to reach the minimum energy :xpenditures depends on the nature of the ore materials. The optimum value of (ZsJS) for he production of the silicon-manganese of Cm 17 grade out of the non-standard nanganese concentrate of Jairem Manganese Ore Deposit has been found.

The dependence of specific energy expenditures on the electro-conductivity of the charge x has been discovered. As discovered, this dependence also reaches its minimum it definite and the value of optimum % has been found.

Theoretical formula and program software for computing optimal value of % have •>een created.

Зобнин Николай Николайулы

Т¥ЖЫРЫМЫ

Жаман марганнецтщ концентраттьщ балкыггьвд зертгеу жэне ещцрунщ технологиялык жаксардш Si-Mn жэне Fe-Mn Казакстан концентратгар

Жумыска ету жана эдютж жаксардьм электр энергиясы жумсауды касында ещирунщ Si-Mn жэне Fe-Mn. Электр энергиясы жумеауды тэуелдшкгщ ушш тонна Si-Mn жэне Fe-Mn коншдан аудан xecir электродтар жэне аудан кесш балкыт ванна (X s,/S) жэне электр узатупндан %. Касында тэжгрибелардан электр жабутщге куат 100 кВ^

табу оптималды Е sJS жэне %. Мунда жэприбелер нэтижелер бар. Эсер диаметрды электродды болдым шышнлар электроэнергияны зерттеудым. Силикомарганец мен болдым пеш электро ерпудым, куат пешты - ЮС кВа. Мунда мен жана техникалык сез алындым. Бул угым — S — катыч ауданды электродларды жэне ауданды пеш. Оптимал магы на угамды — S - бул — 0,045 -0,055. Жэтсрибелер нэтижелер бар эсер электр кернеуны реакциялык коспаны болдым шышнлар электроэнергияны зерттеудым, Силикомарганец жэне ферромарганец мен болдым пеш электро ерпудым Ен жаксы электр кернеу умш epirri ферросплавлар мен тауыптым — 64006500 Ом\м. Кдзир болдым заводтар электр кернеуны — 6000-6050 Ом\м.

Зерттеуда химия маганецтн келттру жэрдемден толь термодинамикалык анализдьщ. Нэтижепен зертгеудатщ табу оптималар курамтар шихталар касында балкыттьщ Мп - концентратгар Казакстандага.