автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка технологии выплавки ферросиликомарганца из окомкованного высококремнистого марганцевого сырья

На правах рукописи —

Толымбекова Лязат Байгабьшовна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ ФЕРРОСИЛИКОМАРГАИЦА ИЗ ОКОМКОВАННОГО ВЫСОКОКРЕМНИСТОГО МАРГАНЦЕВОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

по АГЭ 005546589

Екатеринбург- 2014

005546589

Работа выполнена в Дочернем государственном предприятии «Химико-металлургический институт им. Ж. Абишева» Республиканского государственного предприятия «Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан» Министерства индустрии и новых технологий Республики Казахстан и Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте металлургии Уральского отделения Российской академии наук

Научный руководитель

Бабенко Анатолий Алексеевич, доктор технических наук, ИМЕТ УрО РАН, ведущий научный сотрудник лаборатории «Пирометаллургия цветных металлов»

Официальные оппоненты: Михайлов Геннадий Георгиевич,

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет (Национальный исследовательский университет), заведующий кафедрой «Физическая химия»

Цикарев Владислав Григорьевич, кандидат технических наук, ЗАО «Научно-производственное предприятие ФАН», главный инженер

Ведущая организация ОАО «Уральский институт металлов»

Защита состоится «16» мая 2014 г. в 12— на заседании диссертационного совета Д 004.001.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте металлургии Уральского отделения Российской академии наук по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 101.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Уральского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан « 19» марта 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

$6

Дмитриев

Андрей Николаевич

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Существует тесная связь между объемом производства ферросплавов и выплавкой стали. Наблюдаемый рост потребления высококачественной легированной стали сопровождается увеличением спроса на ферросплавы, особенно на сплавы марганца. Марганец является наиболее распространенным легирующим элементом. Около 95% его производится в виде ферросплавов и используется при выплавке стали. В условиях дефицита кускового качественного сырья для стабильной работы ферросплавньк заводов вопросы обеспеченности их надежной сырьевой базой становятся первостепенными. В решении этого вопроса особую актуальность приобретает вовлечение в производство некондиционной по фракционному составу мелочи марганцевых руд, которая образуется на стадии добычи, транспортировки и обогащения. Особенно это характерно для высококремнистых окисленных руд, таких, например, как марганцевые руды месторождения «Западный Камыс», которые имеют низкую прочность и составляют основную массу добываемых на сегодняшний день руд Казахстана. В этой связи поиск и разработка рациональных способов окускова-ния и металлургической переработки таких руд являются актуальными.

Цель работы. Разработка рациональных технологий окомкования мелочи марганцевой высококремнистой руды месторождения «Западный Камыс» и выплавки ферросиликомарганца с использованием марганцевых окатышей.

Задачи исследований:

- исследование физико-химических, физико-механических и электрических свойств исходного сырья;

- разработка технологии окомкования мелочи марганцевых руд класса 0-5 мм с использованием связующего материала и восстановителя без предварительного доизмельчения;

- разработка технологии производства ферросиликомарганца с использованием марганцевых окатышей.

Научная новизна:

- методами неизотермической кинетики изучены и определены значения энергии активации процессов, протекающих при нагреве мелочи марганцевой руды месторождения «Западный Камыс» и смеси ее с восстановителями и связующей добавкой, показавшие, что в присутствии связующей добавки и восстановителей в виде кокса и угля, термические процессы протекают с меньшими

энергетическими затратами;

- на основе термодинамически-диаграммного анализа фазовых равновесий в оксидных системах Ре0-Мп0-Са0-А1203-8Ю2 и М§0-Мп0-Са0-А120з-8Ю2 дано теоретическое обоснование целесообразности использования высокозольных углей Борлинского месторождения (Казахстан), которые обеспечивают образование волластонит-анортит-диопсидовых шлаковых расплавов с содержанием анортита не менее 50%, тем самым улучшая шлаковый и электрический режимы плавки ферросиликомарганца;

- установлены закономерности изменения фазового состава марганцевых окатышей при нагреве и его связь с качественными показателями окомкованно-го сырья.

Практическая значимость работы:

- на основании выполненных исследований создана эффективная технология окомкования мелочи марганцевой руды месторождения Западный Камыс (фракции 0-5 мм) с применением восстановителя и связующего материала, в качестве которого использовали глину Саздинского месторождения (Казахстан);

- разработана технология производства ферросиликомарганца с использованием в шихте марганцевых окатышей при частичной замене (до 30%) коксового орешка высокозольным углем Борлинского месторождения, успешно прошедшая промышленные испытания.

Методы исследования. В работе использованы современные методы химического, термогравиметрического и термодинамического анализов. Лабораторные эксперименты и крупно-лабораторные испытания по выплавке ферросиликомарганца проведены в печи Таммана и рудно-термической печи мощностью 200 кВА. Физико -химические и физико-механические свойства исходного сырья и восстановителей изучены по гостированным методикам.

Достоверность полученных результатов базируется на проведении исследований на современных сертифицированных приборах и установках по гостированным методикам и на подтверждении теоретических и лабораторных данных промышленными испытаниями.

Личный вклад автора. Непосредственное участие в исследовании фазовых равновесий в оксидных системах с использованием термодинамически-диаграммного анализа, кинетических процессов, протекающих при нагреве марганцевой руды и ее смеси с восстановителями и связующей добавкой; в подготовке и проведении лабораторных, крупно-лабораторных и промышленных ис-

следований по разработке технологии окомкования мелочи марганцевых руд и выплавке ферросиликомарганца; анализе и обобщении полученных результатов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Наука и образование в XXI веке: динамика развития в Евразийском пространстве». (Казахстан, г. Павлодар, 2006г.); III Международной Казахстанской металлургической конференции «Казахстанской Магнитке 50 лет» (Казахстан, г. Темиртау, 2010г.); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» (г. Екатеринбург, 2011г.); Международной научно-практической конференции «Гетерогенные процессы в обогащении и металлургии» (Казахстан, г. Караганда, 2011г.); Всероссийской научно-технической конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (г. Юрга, 2011г.); XXIII Всероссийской научно-практической конференции «Энергетики и металлурги - настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 2012г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах по перечню ВАК РФ, 10 статей в других журналах и сборниках научных трудов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Материал изложен на 114 страницах машинописного текста, включая 14 рисунков, 29 таблиц, библиографического списка из 100 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении освещена суть проблемы по теме диссертации, обоснована актуальность работы и необходимость проведения исследований в области подготовки и использования некондиционного марганцевого сырья. Сформулированы основные задачи исследований, научные и практические результаты, а также положения диссертационной работы, выносимые на защиту.

В первой главе дан анализ минерально-сырьевой базы марганца и современного состояния проблемы окускования мелких фракций марганцевых руд. Показано, что на стадии подготовки марганцевых руд к металлургической пере-

работке образуется большое количество мелочи, которая скапливается в местах добычи и на обогатительных фабриках. Особенно это характерно для высококремнистых окисленных руд, таких, например, как марганцевые руды месторождения «Западный Камыс», которые имеют низкую прочность и составляют основную массу добываемых на сегодняшний день руд Казахстана. Отмечена необходимость рационального использования таких марганцевых руд и разработки ресурсосберегающей технологии их переработки, что является актуальным для всех аналогичных руд в мире, в том числе для России и Украины.

При сравнительном анализе способов окускования (агломерация, окомкова-ние и брикетирование) отмечается, что каждый из трех способов имеет свои достоинства и недостатки. При этом показано, что возможность исключения операции доизмельчения за счет ввода связующих делает способ окомкования наиболее перспективным.

На основании выполненного анализа определена и сформулирована цель работы и задачи исследований.

Во второй главе представлены результаты дериватографических исследований по определению кинетических характеристик процессов, протекающих при нагреве марганцевой руды и смеси ее с глиной и восстановителями методом неизотермической кинетики. В настоящее время получили развитие методы исследования твердофазных реакций, в том числе и определения кажущейся энергии активации, в условиях нагрева взаимодействующих веществ с постоянной скоростью при помощи дифференциально-термического анализа (ДТА). По методике Г.О. Пилояна на основании определения значений температур и величин отклонения кривой ДТА от заданного направления построены зависимости в координатах М - 1/Т для каждого термического эффекта и по тангенсу угла наклона прямой этой зависимости рассчитаны величины Еакт процессов, соответствующих пикам на дериватограммах.

Химические составы исследуемых материалов приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 - Химический состав марганцевой руды Западный Камыс и глины

Материал Содержание, %

Мп0бщ. ^ 6 общ. М20 СаО БЮг А1203 Р Б ппп

Марганцевая руда «Западный Камыс» 30,0 5,6 0,6 2,64 28,24 3,36 0,03 0,03 15,0

Глина - 6,7 1,9 1,5 55,7 15,4 0,09 0,38 13,5

Таблица 2 - Химический состав Берлинского угля и Заринского кокса

Материал Содержание,%

А° Wp S Р тв Vnim S1O2 А12Оз Fe203 CaO MgO P2O5

Уголь 42 1,06 0,04 32,6 24,3 - - - - - -

Зола угля - - - - - 59.6 33,7 2,22 0,7 0,5 0,02

Кокс 12,1 0,46 0,18 85,3 1,92 - - - - - -

Зола кокса - - - - - 49,5 22,8 17,9 5,3 3,48 0.94

Дериватограмма мелочи марганцевой руды месторождения «Западный Ка-мыс», представленная на рисунке 1 (а), имеет четыре эндотермических эффекта. Первый эффект при температуре 200°С соответствует потере гигроскопической влаги, удаление которой не имеет ярко выраженных пиков. Второй эффект при температуре 460°С соответствует получению и разложению а-курнакитового твердого раствора. При температуре 650°С проявляется третий пиролюзитовый эффект, характеризующийся разложением пиролюзита с образованием браунита (Р-Мп203) и кислорода, а также завершением разложения карбонатов железа и марганца. Четвертый эффект при температуре 800°С соответствует разложению кальцита, энергия активации которого составляет Еакт=86,2 кДж/моль. На дери-ватограмме, представленной на рисунке 1, б (марганцевая руда с глиной) протекают те же процессы, что и в марганцевой руде, за исключением 5-го эндотермического эффекта при 90СТС, связанного с переходом (3-курнакита в Р-гаусманит, Eaicr=29,2 кДж/моль. При добавке глины в интервале температур 750-850°С, которые соответствуют разложению кальцита, процесс идет с меньшим значением энергии активации ЕаКт=36,1 кДж/моль.

Рисунок 1 - Дериватограммы исследуемых материалов 7

На рисунке 2 приведены дериватограммы смеси марганцевой руды и глины, содержащей дополнительно кокс (рисунок 2, а) и кокс в смеси с углем (рисунок 2, б). Установлено, что взаимодействие марганцевой руды месторождения «Западный Камыс» с коксом в смеси с керамзитовой глиной протекает с высокой скоростью с экзотермическим эффектом при температуре 580°С. В результате сложных окислительно-восстановительных процессов пиролюзит (Мп02) восстанавливается до гаусманита (Мп304). Эндотермический эффект при температуре 790°С соответствует завершению процесса восстановления Мп304 до МпО. На дериватограмме смеси марганцевой руды, высокозольного угля, кокса и керамзитовой глины зафиксировано два экзотермических эффекта при 510 и 620°С, свидетельствующих о последовательном косвенном восстановлении высших оксидов марганца до низших летучими компонентами угля. При температурах выше 700°С на обеих дериватограммах восстановительные процессы имеют эндотермический характер, что свойственно для реакций прямого восстановления с участием твердого углерода, с энергией активации Еа]сг= 41,7 кДж/моль для смеси марганцевой руды, глины и кокса, и Еа1СГ= 21,8 кДж/моль для смеси марганцевой руды, глины, кокса, содержащей дополнительно уголь.

Анализ показывает, что термические процессы в марганцевых рудах, представленных в виде смесей, протекают при более низких значениях кажущейся

а - марганцевая руда-80%, глина-10% и кокс-10%

б - марганцевая руда-80%, глина-10%, кокс-5% и уголь-5%

Рисунок 2 - Дериватограммы исследуемых материалов

энергии активации с большей скоростью и достигают более высокой степени завершенности процессов при заданном интервале температур, что в конечном итоге должно положительно отразится на степени восстановления марганца и технико-экономических показателях выплавки ферросиликомарганца.

В работе приведены результаты исследования термопластических характеристик и электросопротивления марганцевой руды месторождения «Западный Камыс» в сравнении с известными данными для марганцевых руд различных месторождений, полученными по методике, разработанной в ИМЕТ УрО РАН. Зависимости удельного электросопротивления и размягчения марганцевых руд от температуры, представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 - Зависимость удельного электросопротивления (1,2,3,4,5) и размягчения (Г,2',3',4',5') марганцевых руд от температуры. 1-1'- Западный Камыс (Казахстан); 2- 2', - Чиатурский оксидный концентрат (Грузия); 3-3' - Жайремский концентрат (Казахстан); 4-4' - Башкирская руда (Россия); 5-5' - Австралийская руда (Австралия). Удельное электросопротивление и размягчение для марганцевых руд под номерами 2,3,4,5 и 2',3',4',5' приведены по литературным данным.

По мере нагрева электросопротивление руды уменьшается. Характер изменения электросопротивления согласуется с фазовыми превращениями, происходящими в руде при нагреве.

Для марганцевой руды месторождения «Западный Камыс» характерна заметная проводимость, начиная с комнатной температуры, которая обусловлена повышенным содержанием в окисленной руде пиролюзита. Некоторое увеличение электросопротивления в пределах температур 500-800°С объясняется диссоциацией пиролюзита до Мп203. Практически горизонтальный участок кривой

О 500 1000 1500 Температура, X

б интервале температур 800-930°С (слабое влияние температуры) является следствием перехода Мп203 до Мп304. Резкое уменьшение электросопротивления руды при высоких температурах (>950°С) связано с процессом размягчения руды. Температура начала размягчения руды составляет ~ 950°С, интервал размягчения ~ 70°С.

На основании проведенных исследований можно заключить, что руда месторождения «Западный Камыс», так же как и Жайремская, и Австралийская относится к категории легкоплавких руд с относительно низким электросопротивлением, в сравнении с Чиатурской и Башкирской марганцевыми рудами. Значения электросопротивления и размягчения руд «Западный Камыс», Жайрем и Австралийской руды, относящихся к типу окисленных руд с преобладанием в своем составе электропроводных минералов, близки, ввиду схожести минералогического состава, в отличие от Чиатурской марганцевой руды, которая относится к оксидным типам руд, и Башкирской руды силикатного типа, у которых в составе имеются минералы с повышенным значением электросопротивления. Полученные лабораторные данные явились предпосылкой для ввода в состав шихты производства марганцевых окатышей восстановителей, обладающих низкой проводимостью, с целью повышения электросопротивления шихты. При этом ожидается, что тесный контакт составляющих шихты будет способствовать созданию благоприятных условий для восстановительных процессов.

В третьей главе приведены результаты исследований по разработке технологии производства безобжиговых марганцевых окатышей с применением глины Саздинского месторождения (Казахстан) и восстановителя.

Опыты по отработке технологии окомкования марганцевой руды крупностью 0-5 мм проводили на лабораторном тарельчатом грануляторе диаметром 380 мм, высотой борта 80 мм и углом наклона 40°. Скорость вращения грануля-тора поддерживали постоянной, равной 20 об/мин. Время окатывания составляло 20-25 минут. Количество глины в шихте варьировали от 0 до 10%, коксик задавали в количестве 5-10% в шихту с 10% глины. Количество влаги изменяли в пределах 7-12%. В полученных сырых окатышах оценивали содержание влаги, определяли гранулометрический состав, прочность на сжатие и сбрасывание с высоты 300 мм. Сырые окатыши сушили в шкафу при температуре 100°С в течение 3-х часов, затем определяли прочность сухих окатышей на сжатие.

Для оценки влияния температуры нагрева на прочность окатышей их нагревали в лабораторной муфельной печи в атмосфере воздуха до 1000СС со скоростью 5,5°С в минуту. По ходу нагрева отбирались пробы при температурах 100, 200, 400, 600, 800 и 1000°С. Отобранные пробы, после охлаждения в естественных условиях до комнатной температуры, исследованы на прочность. Основные результаты исследования представлены в таблице 3 и на рисунке 4.

Таблица 3 - Качество сырых и сухих окатышей

№ опы та Состав шихты, % Сырые окатыши Сухие окатыши

Марганцевая руда Глина Кок-сик Прочность на сжатие, кг/окатыш Прочность на сбрасывание, раз Прочность на сжатие, кг/окатыш

1 100 - - 0,45 10 4,5

2 95 5 - 0,61 14 8,8

3 90 10 - 0,95 18 16,1

4 85 10 5 0,81 16 13,5

5 80 10 10 0,75 15 12,3

С увеличением доли глины в шихте отмечается заметное улучшение процесса окомкования и прочностных характеристик готовых гранул. При добавке 10 % глины прочность сырых окатышей выросла более чем в 2 раза, а сухих - более чем в 3 раза по сравнению с базовым вариантом и составила соответственно 0,95 и 16,1 кг/окатыш. Добавка в шихту до 10 % коксика повлияла незначительно на прочность окатышей, что говорит о решающем влиянии на прочность окомкованных крупнозернистых материалов вида и количества связующего.

Рисунок 4 — Влияние температуры нагрева на прочность окатышей

(Цифры у кривых - номера окатышей в таблице 3)

При нагреве опытных окатышей от 100 до 600°С (рисунок 4) происходит незначительное снижение прочности, что объясняется повышением пористости структуры окатышей за счет удаления газообразных продуктов. Упрочнение окатышей начинается при температуре 600°С и выше, что можно связать с развитием процесса плавления низкотемпературных фаз, которые образуют вязкий расплав, служащий цементирующей связкой близлежащих с ним масс шихты. При 1000°С прочность окатышей, по сравнению с прочностью при 100°С, выросла в 1,5-2 раза. При этом максимально достигнутая прочность составила 28,1 кг/окатыш для окатышей с 10% глины. При визуальном наблюдении отмечено, что нагрев окатышей до 1000°С не приводит к изменению формы окатышей и их разрушению, а при температуре более 1000°С все окатыши претерпевают заметное размягчение и оплавление.

Таким образом, проведенные лабораторные исследования показали возможность получения высушенных при 100°С безобжиговых окатышей из мелочи руды фракций 0-5 мм, с использованием восстановителя и глины в качестве связующего материала, которые удовлетворяют, по прочностным характеристикам требованиям к шихтовым материалам для плавки в низкошахтных рудно-термических печах.

Промышленные испытания технологии производства марганцевых окатышей с применением глины и коксика проведены в условиях ТОО «Таразский металлургический завод».

По результатам проведенных лабораторных исследований для наработки промышленной партии окатышей выбраны два варианта шихтовки:

- мелочь марганцевой руды фракции 0-5 мм - 90% и 10 % глины (вариант 1);

- мелочь марганцевой руды фракции 0-5 мм - 85 %, глины - 10 % и отсевы коксика - 5 % (вариант 2).

Окомкование по обоим вариантам проходило удовлетворительно. Выход фракции - 5 мм не превышал 10 %. При оптимальных параметрах окомкования - влажность 9-10 %, время окомкования 25 минут, выход фракции 10-15 мм составил 80 % и более. Прочность окатышей после сушки на сжатие составила 15,5-20,0 кг/окатыш и сброс с высоты 300 мм 21-24 раз, что вполне удовлетворяет, по прочностным характеристикам требованиям к шихтовым материалам для плавки в низкошахтных рудно-термических печах (15-25 кг/окатыш по требованиям ТУ).

За время проведения опытов было получено 520 тонн товарной продукции со средней прочностью 15,5-20,0 кг/окатыш, в том числе 300 тонн окатышей по первому варианту шихтовки и 220 тонн по второму варианту, которые были переданы в плавильный цех ТОО «Таразский металлургический завод» (ТМЗ), Казахстан, для оценки их поведения в рудно-термической печи при выплавке ферросиликомарганца.

В четвертой главе приведены результаты исследований по разработке технологических параметров выплавки ферросиликомарганца с использованием марганцевых окатышей из руды месторождения «Западный Камыс» и промышленных испытаний технологии выплавки ферросиликомарганца в условиях ТОО «ТМЗ».

В таблице 4 представлены химический и фазовый составы марганцевой руды и смеси 90% руды и 10% глины. Последний рассчитан с использованием математической модели фазовой диаграммы системы Ре0-Мп0-Са0-А1203-8Ю2.

Таблица 4 - Химические и фазовые составы марганцевой руды и смеси руды с глиной*

Химический состав, % Фазовый состав, %

О

Материал О и Сц МпО СаО О < О м О г-) < О Й и О !/> О с сч <4 О й О и И* С| О сл О с ГЧ О 53 О « и

Марганцевая

руда фракции 9,08 48,28 3,29 4,12 35,23 11,22 64,31 16,66 5,66 2,14

0-5 мм

Смесь марган-

цевой руды

фракции 0-5 мм и глины 8,87 44,00 3,16 5,56 38,41 15,14 43,23 16,27 25,09 0,23

фракции -0-

0,315 мм

*Для проведения расчетов химические составы пересчитаны на 100%

Плавка руд, имеющих в составе более 50% низкотемпературных фаз, по тради-

13

ционной технологии (на тридимит-кристаболитовых шлаках) сопровождается образованием легкоплавких шлаков. При этом скорость образования шлаков опережает скорость восстановления ведущих элементов, а температура в реакционной зоне печи снижается, что отрицательно сказывается на технико-экономических показателях и на самом процессе плавки.

При разработке оптимальных параметров плавки руд месторождения «Западный Камыс» следует ориентироваться на волластонит-анортитовые шлаки, формирование которых, как показала практика, позволяет существенно улучшить показатели выплавки марганцевых сплавов из казахстанских легкоплавких марганцевых руд. Преимущество расплавов с повышенным содержанием глинозема связано с тем, что процесс восстановления в этом случае ведется с формированием конечных шлаков, близких по составу к анортиту, содержащих СаО-20,1%, А1203-З6,7, 8Ю2-43,2 и имеющих температуру плавления 1550°С. Однако переход шлаков в анортитовую область сопровождается ростом вязкости в

области 1400-1550°С.

На основании известных данных о положительном влиянии К^О на вязкость, температуру кристаллизации и электропроводность тридимит-волластонит-анортитовых оксидных систем было предложено формировать их в области волластонит-анортит-диопсидовых шлаков за счет увеличения содержания в шихте 1^0 до 5-10% добавкой доломита.

Для оптимизации шлакового режима в опытных плавках вещественный состав шихты меняли в пределах обеспечения основности шлака по Са0+М§0/8Ю2 от 0,4 до 0,8, содержания оксида алюминия от 10 до 20% и анортитовой фазы не менее 50%.

В качестве глиноземсодержащего компонента использовали высокозольные угли Борлинского месторождения Карагандинской области, которые задавали вместо кокса.

С учетом значительного влияния свойств восстановителей на электрический режим плавки и процессы восстановления были экспериментально определены их основные физико-химические характеристики (таблица 5).

Анализ результатов исследования показал, что борлинские угли по химическому составу (таблица 2) и свойствам отвечают требованиям, предъявляемым к восстановителям для электротермического производства ферросплавов. При этом по таким показателям, как удельное электрическое сопротивление,

способствующее более полному использованию мощности печи, и реакционная способность, обеспечивающая увеличение скорости процессов восстановления, существенно превосходят традиционные восстановители.

Таблица 5 — Показатели физико-механических свойств восстановителей

Наименование восстановителя Действи- стви-тельная плотность, г/см3 Кажущаяся плот-плотность, г/см3 Пористость, % Удельное электросопротивление, ом см при 20°С Реакционная способность, мл/г с при 20°С

Кокс китайский 1,94 0,95 51,0 5,53 1,70

Кокс магнитогорский 1,88 1,05 44,2 4,06 0,65

Полукокс Ленинск-Кузнецкий 1,60 0,99 38,0 9,30-Ю4 8,02

Полукокс ангарский 1,82 0,82 55,0 24,18 9,8

Уголь борлинский 1,68 1,51 10,12 4,37Т0'и 8,61

Опытные плавки по отработке технологии выплавки ферросиликомарганца с использованием марганцевой руды и опытных марганцевых окатышей проведены на опытной рудно-термической печи мощностью 200 кВА.

В эксперименте испытывали два вида окатышей:

- марганцевые окатыши с добавкой, в качестве связующего, глины (10 %);

- марганцевые окатыши, содержащие в составе шихты 10% глины и дополнительно до 5% коксика.

В состав всех опытных шихт для формирования волластонит-анортит-диопсидовых шлаков, вводили доломит, количество которого задавали из расчета получения 5-10 % Гу^О в шлаке. Химические составы марганцевой руды и глины приведены в таблице 1, доломита и извести в таблице 6.

Таблица 6 - Химический состав доломита и извести

Наименование Материала Содержание, %

Ре0бш м8о СаО ЗЮ2 А1203 Б ппп

Доломит 0,5 21,2 30,8 1,0 0,4 0,11 45, 6

Известь 0,5 0,4 93,3 0,4 1,4 - 2,0

Проведены четыре варианта опытных плавок, результаты которых представлены в таблице 7.

Таблица 7 - Показатели крупно-лабораторных плавок

Показатели Варианты

I II III IV

1. Продолжительность процесса, ч 6 6 6 6

2. Расход материалов, кг: 100 - - -

Марганцевая руда

Марганцевые окатыши (руда+глина) - 100 - -

Марганцевые окатыши (руда+кокс+глина) - - 100 100

Доломит 17 13 14 16

Кокс заринский 21 21 11 5

Уголь борлинский - - - 17

3. Получено сплава, кг 33,52 32,93 33,93 35,42

4. Средний химический состав сплава, % 64,42 63,76 64,29 65,89

Мп

81 17,23 17,21 17,16 18,29

Ре 16,14 16,78 16,30 15,66

С 1,53 1,51 1,58 1,35

8 0,01 0,01 0,01 0,01

Р 0,10 0,14 0,13 0,12

5. Средний химический состав шлака, % 15,07 12,53 9,75 6,23

МпО

РеО 0,56 0,54 0,55 0,52

8Ю2 44,69 45,58 47,13 46,80

м§о 9,77 9,71 10,08 10,13

А12ОЗ 11,24 13,93 14,20 18,23

СаО 18,50 17,52 18,10 17,83

6. Получено шлака, кг 37,01 36,51 36,10 39,58

7. Основность (СаО+ М§0 /8Ю2) 0,63 0,60 0,60 0,60

8. Кратность шлака 1,10 1,11 1,06 1,12

10. Извлечение марганца в среднем, % 75 77 80 83

Опытные плавки, проведенные с использованием марганцевых окатышей, подтвердили их удовлетворительные качественные показатели по механической прочности и термической стойкости. Печь работала со стабильной токовой нагрузкой и с высокими технико-экономическими показателями.

При повышении содержания оксида алюминия в шлаке с 11,24 до 18,23% содержание оксида марганца в нем снизилось с 15,07 до 6,23%, а степень извлечения марганца выросла до 83%. Степень извлечения кремния во всех вариантах плавки находилась практически на одном уровне (~38-39%). Полученный сплав соответствовал ферросиликомарганцу марки МнС17.

На основании термодинамически-диаграмного анализа определили, что опытные шлаки по составу располагаются в фазовом пятивершиннике 2Мп0'5Ю2-Са0'Мё0«28Ю2-Са0'А1203'28Ю2-21^0'8Ю2-8Ю2. Для данного пентатопа по уравнениям трансформации фазового состава от содержания первичных оксидов с использованием математической модели фазовой диаграммы системы М§0-Мп0-Са0-А120з-8Ю2 были рассчитаны нормативные фазовые составы опытных шлаков по Балансовому методу, разработанному в Химико-металлургическом институте им. Ж. Абишева (Казахстан, г. Караганда).

Таблица 8 - Средний химический и фазовый составы опытных шлаков выплавки ферросиликомарганца*

Химический состав Фазовый состав

Вариант плавки МпО О й О <ч < СаО О й О с О Й СЧ О вд 9 о СЧ О Й 04 и) О ^ и <ч о сл О ьо <4 О й

1 15,18 45,02 9,84 11,32 18,64 21,59 44,96 27,19 2,58 -

2 12,62 45,92 9,78 14,03 17,65 17,95 38,25 38,33 4,65 0,81

3 9,82 47,48 10,16 14,31 18,23 13,96 39,89 39,09 4,78 2,26

4 6,28 47,17 10,21 18,34 18,0 8,93 30,42 50,11 7,94 2,59

*Для проведения расчетов химические составы пересчитаны на 100%

Ввод в базовую шихту глины, высокозольных углей и доломита привело к увеличению содержания оксида алюминия в шлаке с 11,32 до 18,34 % и переместила составы конечных шлаков в рекомендуемую для высококремнистых марганцевых руд область волластонит-анортит-диопсидовых шлаков, содержащих анортитовую фазу более 50% (таблица 8, шлак №4), в которой создаются оптимальные термодинамические и кинетические условия восстановления марганца и кремния. Заданное количество глинозема обеспечило образование шлака анортитового состава с содержанием остаточного кремнезема менее 3%, исключив образование геленита, присутствие которого ведет к образованию коротких тугоплавких геленитных шлаков с высокой активностью глинозема. Переход на магнезиальные шлаки при суммарной основности СаО+ Mg0/Si02 = 0,6 обеспечил стабильный технологический режим во всех вариантах опытных плавок (таблица 7).

Промышленные испытания по выплавке ферросиликомарганца марки МнС17 с использованием окатышей из мелочи марганцевой руды месторождения «Западный Камыс» проведены в условиях ТОО «ТМЗ».

Основной задачей исследования являлась оценка поведения опытных окатышей в условиях плавки в промышленной рудно-термической печи и влияния их на технико-экономические показатели.

Испытания проводились на электропечи № 3 мощностью 25 МВА на ступени напряжения 176-180 В и линейной силе тока 70 кА. Рудная часть базовой шихты состояла из 40% Жайремской руды и 60% марганцевой руды месторождения «Западный Камыс» с содержанием 20% мелкой фракции. Для обеспечения стабильного содержания марганца в сплаве не ниже 65% состав шихты регулируется вводом до 40% богатой по марганцу Жайремской марганцевой руды. Химический состав марганцевой руды месторождения «Жайрем» представлен в таблице 9.

Таблица 9 - Химический состав марганцевой руды месторождения «Жайрем» __

Материал Содержание, %

Мп общ Fe общ Si02 СаО А1203 MgO Р S ппп

Марганцевая руда «Жайрем» 38,5 4,2 9,2 9,9 1,1 1,4 0,07 0,1 15,0

В опытных вариантах в состав рудной части шихты 20% руды месторождения «Западный Камыс» фракции 0-8 мм задавалась в окомкованном виде (варианты 2 и 3, таблица 10).

Результаты опытно-промышленных испытаний приведены в таблице 10.

Таблица 10 - Технико-экономические показатели выплавки ферросиликомар-ганца

Показатели 1 вариант (базовый) 2 вариант 3 вариант

1 .Продолжительность, сут 3 3 2

2. Удельный расход материалов, кг/т:

Марганцевая руда «Жайрем» фракции 8-80 мм 1069,0 1071,0 1053,0

Марганцевая руда «Западный-Камыс» фракции 0-100 мм 1603,0 - -

Марганцевая руда «Западный-Камыс» фракции 8-100 мм 803,4 829,0

Окатыши (10% глины) - 803,4 -

Окатыши (10% глины, 5% кокса) - - 829,0

Уголь высокозольный борлинский 1131,0 1148,0 1144,0

Кокс 189,0 178,0 135,6

Кварцит (95,5% БЮг) 58,0 0 0

Доломит (25,6% СаО, 16,6%М§0) 122,0 106,0 98,0

3. Получено сплава, т 211,8 220,4 150,0

4. Получено шлака, т 177,9 176,3 115,5

5. Кратность шлака (шл/ме) 0,84 0,8 0,77

6. Основность шлака (Са0+М§0/ЗЮ2) 0,6 0,6 0,6

7. Количество МпО в шлаке, % 15,1 14,0 12,8

8. Производительность печи, т/сут 70,6 73,5 75,0

9. Удельный расход эл.энергии, МВт-ч/т 5,10 4,9 4,80

10. Извлечение Мп в сплав, % 74,0 75,5 76,5

11. Извлечение в! в сплав, % 44 45 48

Состав шихты во всех вариантах промышленного эксперимента рассчитывали на получение волластонит-анортитовых шлаков с основностью по (СаО + \^0)/8Ю2 = 0,6 и содержанием Гу^О 10%. В качестве флюса использовали доломит, а глиноземсодержащего материала - высокозольные борлинские угли.

В целом, в ходе промышленного эксперимента марганцевые окатыши показали удовлетворительную прочность. Разрушения их как на верхних, так и при отборе на нижних горизонтах ванны печи, не наблюдалось. Это обстоятельство, в первую очередь, отразилось на снижении пылевыноса из печи. Использование окускованного материала с исключением мелкой фракции 0-8 мм оказало положительное влияние на технологические и технико-экономические показатели плавки.

По сравнению с базовым вариантом производительность печи увеличилась на 4% и 6%, а извлечение марганца на 2 и 3 % соответственно для 2 и 3 вариантов. На 4-8% снизилась кратность шлаков, и на 4-6 % уменьшился удельный расход электроэнергии. Сплав всех вариантов содержал не менее 65% Мп и 18% Б! и соответствовал марке МнС17.

Заключение

С использованием результатов физико-химических исследований разработана технология окомкования мелочи марганцевой руды месторождения «Западный Камыс» с применением в качестве связующего глины Саздинского месторождения и выплавки ферросиликомарганца с использованием марганцевых окатышей.

В результате выполнения работы получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Анализ минерально-сырьевой базы марганцевого сырья и современного состояния проблемы окускования мелких фракций марганцевых руд показал, что для высококремнистых окисленных руд, таких, например, как марганцевые руды месторождения «Западный Камыс», которые имеют низкую прочность и составляют основную массу добываемых на сегодняшний день руд Казахстана, наиболее эффективным способом окускования образующейся мелочи при подготовке марганцевой руды в условиях ферросплавного завода является окомко-вание.

2. Методами неизотермической кинетики изучены и определены значения энергии активации процессов, протекающих при нагреве марганцевой руды месторождения «Западный Камыс» и её смеси с восстановителями и связующей добавки. Показано, что в присутствии связующей добавки и восстановителей в виде кокса и угля, термические процессы протекают с меньшими энергетическими затратами.

3. На основе термодинамически-диаграммного анализа фазовых равновесий в оксидных системах Ре0-Мп0-Са0-А1203-5Ю2 и М§0-Мп0-Са0-А1203-8Ю2 дано теоретическое обоснование целесообразности использования высокозольных борлинских углей с позиции улучшения шлакового и электрического режимов плавки ферросиликомарганца, которое обеспечивается образованием волластонит-анортит-диопсидовых шлаковых расплавов, с содержанием анортита не менее 50 %.

4. Исследованы физико-химические характеристики восстановителей: плотность, пористость, удельное электрическое сопротивление и реакционная способность. Установленные параметры показали, что борлинские угли отвечают требованиям, предъявляемым к восстановителям для электротермического производства ферросплавов. При этом по таким важным показателям, как удельное электрическое сопротивление и реакционная способность угли существенно превосходят традиционные восстановители.

5. Разработана и испытана в промышленных условиях Таразского металлургического завода технология производства безобжиговых марганцевых окатышей из высококремнистой марганцевой руды месторождения «Западный Камыс» фракции 0-5 мм без доизмельчения с использованием восстановителя и связующего материала, в качестве которого использовали глину Саздинского месторождения (Казахстан);

6. Проведенны промышленные испытания и разработана технология выплавки ферросиликомарганца, которые показали, что опытные марганцевые окатыши по физико-химическим и технологическим характеристикам соответствуют требованиям, предъявляемым к шихтовым материалам для выплавки в рудно-термической печи марганцевых сплавов. Вывод из шихты мелочи фракций 0-8 мм и подача их в шихту в виде окускованного материала (окатышей) повысили технико-экономические показатели процесса плавки ферросиликомарганца марки МнС17.

Список опубликованных работ по теме диссертации

В рецензируемых журналах по перечню ВАК РФ:

1. Толымбекова Л.Б. Особенности металлургической переработки марганцевых руд месторождения «Западный Камыс» / Л.Б.Толымбекова, A.C. Ким // Электрометаллургия. 2012. - №9. — С.11.

2. Толымбекова Л.Б. . Исследование термических превращений в марганцевых рудах месторождения «Западный Камыс» и шихтах для выплавки силико-марганца в неизотермических условиях в токе воздуха / Л.Б. Толымбекова, A.C. Ким, А.К. Жунусов, A.A. Бабенко // Металлург. - 2012. - №12. - С.47.

3. Толымбекова Л.Б. Определение кинетических параметров фазовых превращений в марганцевых рудах месторождения Западный Камыс и в окатышах из них при нагреве / Л.Б. Толымбекова, A.C. Ким, A.A. Бабенко // Расплавы. -2013.-№4.-С. 90.

В других изданиях:

4. Толымбекова Л.Б. Использование отходов ферросплавного производства / Л.Б. Толымбекова, Ж.О. Нурмагамбетов и др. // Сб. трудов межд. науч-практ. конф. «Валихановские чтения-11», Кокшетау. - 2006. - С. 54.

5. Толымбекова Л.Б. Использование отходов мелкой фракции ферросплавного производства / Л.Б. Толымбекова, Ж.О. Нурмагамбетов, А.К. Жунусов и др. // Межд. науч-практ. конф. « Наука и образование в XXI веке: динамика развития в Евразийском пространстве», Павлодар. - 2006. - С.112.

6. Толымбекова Л.Б. Изучение процесса окускования отходов ферросплавного производства / Л.Б. Толымбекова, Ж.О. Нурмагамбетов и др. // Вестник КазНТУ им. К.Сатпаева. - 2007. -№4. - С.131.

7. Толымбекова Л.Б. Изучение кинетических параметров в марганцевых окатышах / Л.Б. Толымбекова, И.Я. Корсукова, А.М. Акуов // Труды Ш-й Межд. Казахстанской металлург, конф. «Казахстанской Магнитке 50 лет», Темиртау. -2010.-С.95.

8. Толымбекова Л.Б. Кинетика процесса обжига марганцевых окатышей / Л.Б. Толымбекова, Ж.О. Нурмагамбетов // Вестник ИнЕУ - 2011. - №1. - С. 105

9. Толымбекова Л.Б. Технология получения марганцевых окатышей для выплавки ферросиликомарганца / Л.Б. Толымбекова // Труды Всероссийской

научн-техн.конф., посвященной 310-летию уральской металлургии «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР», Екатеринбург. - 2011. - С.209.

10. Толымбекова Л.Б. Выплавка ферросиликомарганца из марганцевых окатышей в рудно-термической печи с мощностью трансформатора 200 кВА / Л.Б. Толымбекова, A.C. Ким // Межд. научн-практ.конф. «Гетерогенные процессы в обогащении и металлургии», Караганда. - 2011. - С.470.

11. Толымбекова Л.Б. Разработка технологических параметров выплавки ферросиликомарганца с использованием марагнцевых окатышей / Л.Б. Толымбекова, A.C. Ким // Сб. трудов Всероссийской научн-техн. конф. «Машиностроение - традиции и инновации», Юрга. - 2011. - С. 442.

12. Толымбекова Л.Б. Отработка технологических параметров выплавки ферросиликомарганца с использованием марганцевых окатышей в руднотерми-ческой печи мощностью 200 кВА/ Л.Б. Толымбекова, A.C. Ким // Вестник науки Сибири. - 2012. -№1(2). - С.348.

13. Толымбекова Л.Б. Оптимизация электрического режима плавки ферросиликомарганца за счет использования новых восстановителей/ Л.Б. Толымбекова, A.C. Ким // XXIII Всероссийская научно-практ.конф. «Энергетики и металлурги - настоящему и будущему России», Магнитогорск. - 2012. - С.47.

Подписано к печати 13.03.14 Брошюра А5. Бумага офсетная. Тираж 100 шт. Заказ № 314. ИТ!Звозников А.П. 620075, г. Екатеринбург, ул. Восточная, 40-67, тел. 355-13-13

Дочернее государственное предприятие «Химико-металлургический институт

им. Ж. Абишева» Республиканского государственного предприятия «Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан» Министерства индустрии и новых технологий Республики Казахстан и Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ ФЕРРОСИЛИКОМАРГАНЦА ИЗ ОКОМКОВАННОГО ВЫСОКОКРЕМНИСТОГО МАРГАНЦЕВОГО СЫРЬЯ

На правах рукописи

0420'Н57300

ТОЛЫМБЕКОВА ЛЯЗАТ БАИГАБЫЛОВНА

05.16.02 - металлургия черных, цветных и редких металлов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, Бабенко А.А.

Екатеринбург 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................... 4

1 Минерально-сырьевая база марганца и подготовка марганцевых

руд к металлургическому переделу ........................................ 8

1.1 Состав и мировые запасы марганцевых руд............................... 8

1.2 Состав и запасы марганцевых руд Казахстана............................ 11

1.3 Подготовка марганцевых руд к металлургическому переделу........ 16

1.4. Особенности металлургической переработки марганцевых руд

Казахстана......................................................................... 27

1.5 Постановка задач исследования.............................................. 29

2 Исследование термических превращений, физико-механических и физико-химических свойств в марганцевых рудах месторождения «Западный Камыс» и шихтах для выплавки ферросиликомарганца.......................................................... 31

2.1 Дифференциально-термический анализ фазовых превращений в марганцевых рудах и шихтах для выплавки ферросиликомарганца

при непрерывном нагреве...................................................... 31

2.2 Определение кинетических параметров фазовых превращений в марганцевых рудах месторождения «Западный Камыс» методом неизотермической кинетики.................................................. 35

2.3 Исследование физико-механических и физико-химических свойств марганцевой руды месторождения «Западный Камыс»............... 47

2.3.1 Электросопротивление и термопластические характеристики марганцевой руды............................................................... 47

2.3.2 Оценка плотности и пористости руд......................................... 52

Выводы............................................................................. 53

3 Разработка и опытно-промышленные испытания технологии производства безобжиговых окатышей из мелочи марганцевых руд

месторождения «Западный Камыс»........................................ 55

3.1 Разработка технологии производства марганцевых окатышей....... 55

3.2 Отработка и опытно-промышленные испытания технологии производства марганцевых окатышей с применением керамзитовой глины и коксика............................................... 60

Выводы........................................................................... 64

4 Выплавка ферросиликомарганца с применением марганцевых

окатышей.......................................................................... 66

4.1 Исследование физико-химических характеристик борлинских каменных углей.................................................................. 69

4.1.1 Исследование физико-механические характеристики 70 углей.................................................................................................

4.1.2 Удельное электросопротивление углей.................................... 72

4.1.3 Исследование термической прочности углей............................. 79

4.2 Исследования по разработке технологических параметров выплавки ферросиликомарганца с использованием марганцевых окатышей и борлинских каменных углей........................................... 83

4.3 Промышленные испытания технологии выплавки ферросиликомарганца с использованием марганцевых окатышей и

борлинских каменных углей.................................................. 90

Выводы........................................................................... 93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................... 95

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ........................................................... 98

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ........................ 99

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................... 102

ПРИЛОЖЕНИЕ ......................................................................... 113

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Существует тесная связь между объемом производства ферросплавов и выплавкой стали. Наблюдаемый рост потребления высококачественной легированной стали сопровождается увеличением спроса на ферросплавы, особенно на сплавы марганца. Марганец является наиболее распространенным легирующим элементом. Около 95% его производится в виде ферросплавов и используется при выплавке стали. В условиях дефицита кускового качественного сырья для стабильной работы ферросплавных заводов вопросы обеспеченности их надежной сырьевой базой становятся первостепенными. В решении этого вопроса особую актуальность приобретает вовлечение в производство некондиционной по фракционному составу мелочи марганцевых руд, которая образуется на стадии добычи, транспортировки и обогащения. Особенно это характерно для высококремнистых окисленных руд, таких, например, как марганцевые руды месторождения «Западный Камыс», которые имеют низкую прочность и составляют основную массу добываемых на сегодняшний день руд Казахстана. В этой связи поиск и разработка рациональных способов окускования и металлургической переработки таких руд являются актуальными.

Цель работы. Разработка рациональных технологий окомкования мелочи марганцевой высококремнистой руды месторождения «Западный Камыс» и выплавки ферросиликомарганца с использованием марганцевых окатышей.

Задачи исследований:

- исследование физико-химических, физико-механических и электрических свойств исходного сырья;

- разработка технологии окомкования мелочи марганцевых руд класса 0-5 мм с использованием связующего материала и восстановителя без предварительного доизмельчения;

разработка технологии производства ферросиликомарганца с использованием марганцевых окатышей.

Научная новизна:

- методами неизотермической кинетики изучены и определены значения энергии активации процессов, протекающих при нагреве мелочи марганцевой руды месторождения «Западный Камыс» и смеси ее с восстановителями и связующей добавкой. Показано, что в присутствии связующей добавки и восстановителей в виде кокса и угля, термические процессы протекают с меньшими энергетическими затратами;

- на основе термодинамически-диаграммного анализа фазовых равновесий в оксидных системах РеО-МпО-СаО-АЬОз-БЮг и Mg0-Mn0-Ca0-Al20з-Si02 дано теоретическое обоснование целесообразности использования высокозольных углей Борлинского месторождения (Казахстан), которые обеспечивают образование волластонит-анортит-диопсидовых шлаковых расплавов с содержанием анортита не менее 50%, тем самым улучшая шлаковый и электрический режимы плавки ферросиликомарганца;

- установлены закономерности изменения фазового состава марганцевых окатышей при нагреве и его связь с качественными показателями окомкованного сырья.

Практическая значимость работы:

- на основании выполненных исследований создана эффективная технология окомкования мелочи марганцевой руды месторождения Западный Камыс (фракции 0-5 мм) с использованием восстановителя и связующего материала, в качестве которого использовали глину Саздинского месторождения (Казахстан);

разработана технология производства ферросиликомарганца с использованием в шихте марганцевых окатышей при частичной замене (до 30%) коксового орешка высокозольным углем Борлинского месторождения (Казахстан), успешно прошедшая промышленные испытания.

Методы исследования. В работе использованы современные методы химического, термогравиметрического и термодинамического анализов. Лабораторные эксперименты и крупно-лабораторные испытания по выплавке

ферросиликомарганца проведены в печи Таммана и рудно-термической печи мощностью 200 кВА. Физико-химические и физико-механические свойства исходного сырья и восстановителей изучены по гостированным методикам.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты физико-химических исследований исходного сырья и шихты для производства окатышей и выплавки ферросиликомарганца;

- технология окомкования мелочи марганцевых руд класса 0-5 мм с использованием восстановителя и связующего материала без предварительного доизмельчения;

- технология производства ферросиликомарганца с использованием марганцевых окатышей.

Достоверность полученных результатов базируется на проведении исследований на современных сертифицированных приборах и установках по гостированным методикам и на подтверждении теоретических и лабораторных данных промышленными испытаниями.

Личный вклад автора. Непосредственное участие в исследовании фазовых равновесий в оксидных системах с использованием термодинамически-диаграммного анализа, кинетических процессов, протекающих при нагреве марганцевой руды и ее смеси с восстановителями и связующей добавкой; в подготовке и проведении лабораторных, крупно-лабораторных и промышленных исследований по разработке технологии окомкования мелочи марганцевых руд и выплавке ферросиликомарганца; анализе и обобщении полученных результатов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Наука и образование в XXI веке: динамика развития в Евразийском пространстве». (Казахстан, г. Павлодар, 2006г.); III Международной Казахстанской металлургической конференции «Казахстанской Магнитке 50 лет» (Казахстан, г. Темиртау, 2010г.); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований

и НИОКР» (г. Екатеринбург, 2011г.); Международной научно-практической конференции «Гетерогенные процессы в обогащении и металлургии» (Казахстан, г. Караганда, 2011г.); Всероссийской научно-технической конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (г. Юрга, 2011г.); XXIII Всероссийской научно-практической конференции «Энергетики и металлурги -настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 2012г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах по перечню ВАК РФ, 10 статей в других журналах и сборниках научных трудов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Материал изложен на 114 страницах машинописного текста, включая 14 рисунков, 29 таблиц, библиографического списка из 100 источников.

1 Минерально-сырьевая база марганца и подготовка марганцевых руд к металлургическому переделу

1.1 Состав и мировые запасы марганцевых руд

Одним из определяющих факторов роста экономического потенциала страны является наличие мощной минерально-сырьевой базы стратегически важных металлов, горно-металлургического комплекса по добыче, обогащению и переработке добываемого из недр рудного сырья с получением конкурентоспособной металлопродукции.

По объемам потребления марганец занимает четвертое место в мире среди всех металлов, уступая только железу, алюминию и меди.

Общие запасы марганцевых руд в мире составляют 8,9 млрд.т, подтвержденные - 3,5 млрд. т. Основные месторождения сосредоточены в девяти странах - ЮАР и Украине (суммарно 50% мировых), Казахстане, Габоне, Китае, Грузии, Бразилии, Австралии, Индии. Самые высокосортные руды с содержанием марганца - 40-50% находятся в ЮАР, Габоне, Австралии и Бразилии, однако в мировом балансе богатые руды составляют не более трети. Руды в основном оксидные, представлены пиролюзитом, псиломеланом, гаусманитом, легко обогащаются путем дробления с последующей промывкой и отсадкой. В распоряжении остальных стран находится сырье среднего и низкого качества (содержание марганца - 20-30%) [1-3]. Доля подтвержденных мировых запасов марганцевых руд по странам [1], представлена на рисунке 1.1.

ЮАР. Рудное поле Калахари представляет собой крупнейшее в мире скопление руд, с содержанием марганца - 38-50%. В Постмасбургском поле содержание марганца в руде достигает 30-32% . Около четверти добываемой в стране руды перерабатывается на местных ферросплавных заводах, остальное вывозится в виде руды. Ведущие поставщики - компании Anglovaal, Assmang и Samancor, которая является совместным предприятием ВНР и Anglo American [3].

Бразилия 6 % Австралия 2 % Индия 1 %

ЮАР 34 %

Грузия 6 %

Китай 8 %

Габон 8 %

Казахстан 14%

^^^У Украина 21 %

Рисунок 1.1- Доля подтвержденных мировых запасов марганцевых руд по странам [1]

Украина. Второе место в мире (2,5 млрд. т общих 2,3 млрд. т разведанных запасов) по запасам. Основные залежи марганцевых руд находятся в ЮжноУкраинском бассейне. Это месторождения Никопольской группы и Болыпе-Токмакское, содержащие 33 и 67% подтвержденных запасов страны. Запасы представлены рудами с высоким, до 0,4% содержанием фосфора, что предопределяет его содержание в сплаве на уровне 0,5-0,6%. Содержание марганца - 25-30%. Основная часть марганцевых руд (77%) карбонатные. Оксидные руды составляют только 15% [9].

Казахстан. По запасам занимает третье место в мире. Более 90% запасов находится в Центрально-Казахстанском районе в месторождениях Западный Каражал, Ушкатын-Ш и Большой Ктай (Жезказганская область). Среднее содержание марганца - 20-30%, при этом низкое содержание фосфора (0,020,08%) и серы (0,1-0,3%) [1-3].

Габон. Месторождение Моанда близ Франсвиля, разработка ведется открытым способом. Среднее содержание марганца в рудах - 48%, серы - 0,030,09%, фосфора - 0,04-0,13%, 8Юг - 3-4%. Высокое качество сырья позволяет использовать его без обогащения. Большая часть сырья экспортируется в США

Китай. Мелкие, но многочисленные залежи марганца, хотя 70% из них представлено низкосортными и труднообогатимыми карбонатными рудами. Крупнейшие месторождения расположены в Гуанси-Чжуанском автономном районе, в провинциях Хунань, Гуйчжоу, а также Ляонине, Сычуане и Юньнане. Среднее содержание в рудах - 30-40%. Руды карбонатные с высоким содержанием фосфора. КНР является мировым лидером по валовой добыче марганцевых руд, но из-за низкого их качества занимает лишь пятое место по выпуску товарных руд стандартного (48-50% Мп) качества [9].

Грузия. Основные запасы сосредоточены в Чиатурском и Чхари-Аджаметском месторождениях. Основные типы руд: первичные и окисленные пиролюзит-псиломелановые, манганитовые и бедные карбонатные разновидности. Среднее содержанием марганца 20-30% [9].

Бразилия. Месторождения Урукум штат Мату-Гросу-ду-Сул, Азул и Буритирама штат Пара, Серра-ду-Навиу (территория Амапа), Мигель-Конгу и другие находятся в штате Минас-Жерайс. На мировой рынок ежегодно отгружается 1,5-2 млн. т марганцевой руды преимущественно с содержанием марганца свыше 39%. Ведущий продуцент и экспортер - компания СУШ) [3].

Австралия. Месторождение Грут-Айленд. Содержание: марганца - 37-52% (среднее - 41%); железа - 2-11,5%; кремнезема - 3-13%; фосфора - 0,07-0,09%; серы - 0,07-0,08%. Руды легко обогащаются. Отработка ведется открытым способом. Известны также более мелкие месторождения в Западной Австралии (Вуди-Вуди, Майк). Компания ВНР ВШкоп добывает свыше 7 млн. т руды [5].

Индия. Большинство месторождений расположены в штатах Гуджарат, Мадхья-Прадеш, Орисса и Махараштра. Содержание марганца - 31-55%; железа - 2-7,5%; кремнезема - 2-19%; фосфора - 0,07-0,35%. Руды легкообогатимые, добываются открытым способом [6].

Россия. На территории РФ выявлено более 20 месторождений марганцевых руд, из них состоят на учете в Государственном балансе 18 месторождений (на Урале 14, в Сибири 3, На дальнем Востоке 1). Основные месторождения и рудоуправлениями марганца в Западно-Сибирском регионе являются Усинское,

Кайгадатское, Дурновское, Горной Шории (Селезень, Чугунаш), Тогул-Сунгуйского района Центрального Салаира (вблизи Дурновского, мелкие руды, но богатые) [19-20]. Преобладает карбонатный тип руд (около 90%) со средним содержанием марганца 20%. Запасы оксидных (окисных и окисленных) марганцевых руд составляет - около 7%. В прогнозных ресурсах ряда месторождений доля оксидных руд больше. Сырьевая база России существенно уступает ведущим горнодобывающим странам, формирующим мировые цены на товарные руды черных металлов. Основные причины такого положения - низкое содержание металла в рудах, повышенное содержание фосфора и сложные горногеологические условия разработки (большая вскрыша, обводненность месторождений и т.п.) [9-11].

1.2 Состав и запасы марганцевых руд Казахстана

Казахстан обладает запасами марганцевого сырья, отнесенного к группе полезных ископаемых, имеющих стратегическое значение, составляющих основу экономической безопасности страны и занимает 2 место в СНГ. В Казахстане известно более 100 месторождений и рудопроявлений. Балансом Республики учтены 23 месторождения. Около 60 % запасов содержат марганца 10-20 %, 30 % - с содержанием марганца 20-30 %, 11 % имеют более 30 %. Для всех типов руд характерно низкое содержание фосфора (0,02-0,08%) и серы (0,1-0,3%).

Марганцевые руды Казахстана предст�