Лаборатория ферросплавов и процессов восстановления

Заведующий лабораторией:
Махамбетов Ерболат Нысаналыулы
Доктор PhD по специальности – «Металлургия»

Лауреат премии академика Е.А. Букетова (2021 г.) за цикл работ: "Комплекс научно-исследовательских работ по организации производства высоколиквидной импортозамещающей продукции - рафинированных сортов ферромарганца из отечественного марганцевого сырья"

В 2022 году был награжден нагрудным знаком Еңбек даңқы III степени от Министерство Индустрии и Инфраструктурного Развития РК.

Основное научно-практическое направление лаборатории

• Развитие и совершенствование существующих технологий получения сплавов на базе фундаментальных данных по фазовым равновесиям в сложных системах.
• Физико-химические и экспериментальные исследования процессов металлургического передела минерального сырья Казахстана на ферросплавы.

История создания лаборатории

Лаборатория ферросплавов и процессов восстановления носит имя Токена Габдулловича Габдуллина, который был заведующим лабораторией более 20 лет. Основным направлением школы Т.Г. Габдуллина являлась разработка теоретических и технологических основ процессов переработки марганцевого сырья Казахстана, некондиционных материалов и отходов производства при выплавке рядовых и комплексных ферросплавов.

Лаборатория ферросплавов и процессов восстановления

Неоценимый вклад в развитие не только лаборатории, но и всей ферросплавной отрасли Республики Казахстан внес Толымбеков Манат Жаксыбергенович, доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Национальной Академии Наук РК, Лауреат Государственной премии РК, Иностранный член АН ВШ Украины, академик Академии минеральных ресурсов РК, который был заведующим лабораторией и директором Химико-металлургического института.

Научные сотрудники лаборатории

Төлеуқадыр руслан Төлеужанұлы Младший научный сотрудник,  магистр техники и технологии	Мукатаев Канат Калижанович Инженер 1 категории, магистр техники и технологии
Сәулебек Жалғас Қасқырбекұлы Инженер 1 категории,  магистр техники и технологии	Асылбек Әбдірашит Мейрамханұлы Младший научный сотрудник,  магистр техники и технологии

Материально-техническая база

Лаборатория оснащена крупнолабораторной руднотермической печью с мощностью трансформатора 200 кВА и рафинировочной печью мощностью 80 кВА, позволяющими разрабатывать и моделировать как углетермические, так и металлотермические процессы производства ферросплавов.

Рафинировочная печь с мощностью трансформатора 100 кВ∙А	Руднотермическая печь с мощностью трансформатора 200 кВ∙А

• Печь сопротивления Таммана - для проведения лабораторных работ;
• Тарельчатый гранулятор - для окускования мелких и сыпучих материалов;
• Дробилка щековая лабораторная - предназначена для первичного дробления различных проб и материалов;
• Истиратель проб - для механического истирания навесок различных руд и других сухих материалов перед передачей их для химического анализа;
• Муфельная печь - для сушки и термической обработки материалов;
• Электронные весы - для подготовки навески шихтовых материалов до 100 кг;
• Весы лабораторные - для подготовки навески шихтовых материалов к лабораторным работам.

Также коллектив лаборатории в сотрудничестве с другими лабораториями института, к примеру централизованной лабораторией химического анализа, аккредитованной в системе аккредитации РК на соответствие требованиям СТ РК ИСО/МЭК 17025-2007, могут успешно реализовать проекты по металлурги-ческому переделу минерального сырья на различные ферросплавы.

• Сотрудники лаборатории занимаются разработкой и составлением технологических заданий, регламентов, бизнес-планов и технических условий на сырье и материалы.
• Осуществляют технологическое сопровождение процессов выплавки ферросплавов различного назначения.
• Тесно сотрудничает с учеными и металлургами России и Украины.
• Результаты лабораторных исследований подтверждены актами промышленного внедрения технологий производства ферросплавов на металлургических заводах республики.
• Сотрудники проходили зарубежные научные стажировки в Пекинском университете науки и технологии (г. Пекин, КНР), в Университете Лотарингии (г. Метц, Франция), в УрФУ им. Первого президента России Б.Н. Ельцина (г. Екатеринбург, РФ).
• По результатам исследований, проведенных в лаборатории, ведется подготовка магистрантов и докторов PhD.

Научные труды сотрудников лаборатории

Монографии «Металлургическая переработка марганцевых руд Центрального Казахстана» (авторы Е.А. Букетов, Т.Г. Габдуллин, Т.Д. Такенов), «Физико-химические свойства марганцевых шлаков» (авторы Т.Г. Габдуллин, Т.Д. Такенов, С.О. Байсанов, Е.А. Букетов) и «Становление и развитие марганцевой отрасли Казахстана» (авторы Б.А. Святов, М.Ж. Толымбеков, С.О. Байсанов) являются обобщением и развитием металлургии марганцевых ферросплавов применительно к минеральному сырью Казахстана и служат справочным материалом для металлургов СНГ по технологическим.

В настоящее время сотрудники лаборатории регулярно публикуют свои труды в зарубежных журналах, входящих в базы данных Web of Science и Scopus.

Лабораторно-экспериментальные работы

Изучение свойств сырья и материалов в лабораторных условиях позволяет подобрать оптимальные параметры процессов и определить направление дальнейших исследований.

Запуск и испытания электродуговой печи мощностью трансформатора 630 кВА для выплавки рафинированных сортов ферромарганца	Проведение пуско-наладочных работ рудно-термической печи типа РКЗ-0,5, рафинированного котла по проекту «Участок по переработки плавильных шлаков ДМЦ БМЗ»

Рафинировочная печь с мощностью трансформатора 250 кВ∙А для выплавки рафинированных сортов ферросплавов и лигатур	Промышленные испытания по выплавке стали 110Г13Л с использованием рафинированного ферромарганца в условиях ПО «Жезказганцветмет».

Перспективные направления развития лаборатории

• Развитие дальнейшего сотрудничества с крупными металлургическими предприятиями страны, в частности, с Аксуским и Актюбинскими заводами ферросплавов, ТОО «ТМЗ», АО «ТЭМК», ТОО «Tau-Ken Temir» и т.д.
• Освоение новых технологий, каким является производство кристаллического кремния углетермическим способом с применением в качестве восстановителя спецкокса и длиннопламенного угля.

В рамках грантового финансирования по научным и (или) научно-техническим проектам на 2021-2023 годы в лаборатории выполняется проект АР09563153 "Физико-химическое обоснование и усовершенствование технологии выплавки углеродистого феррохрома с использованием брикетированной моношихты" (№ госрегистрации 0121РК00668, договор № 288/12-2 от 18.06.2021 г., заказчик - Государственное учреждение "Комитет науки Министерства образования и науки Республики Казахстан"). 

Актуальность

Несмотря на обширную базу исследований, на сегодняшний день в Казахстане отсутствуют промышленные предприятия по производству брикетированной моношихты. Поэтому исследование технологии получения брикетированной моношихты для хромовых сплавов из отечественного некондиционного (по фракции) сырья, исследование их физико-химических свойств, а также изучение возможности вовлечения в металлургический передел являются актуальными задачами, решение которых имеет большое практическое значение. Вышесказанное вызывает необходимость проведения комплекса научно-исследовательских работ по совершенствованию и последующему внедрению технологических процессов производства брикетированной моношихты в Республике Казахстан.

На сегодняшний день на отечественных предприятиях действуют несколько цехов по окускованию сырья и отходов производства. Например, в Актюбинском заводе ферросплавов в октябре 2001 года запущен цех брикетирования с мощностью 200 тыс. тонн брикетов в год. В 2005 году введен в эксплуатацию самый крупный в мире комплекс по производству обожженных хромовых окатышей производительностью 700 тыс. тонн готовой продукции в год по технологии финской фирмы «Outokumpu». Инвестиции в данный проект составили более 70 млн. долларов США. В Аксуском заводе ферросплавов действует агломерационный цех, выпускающий как хромовый, так и марганцевый агломераты. Однако технологические процессы и задачи, поставленные перед вышеназванными проектами, кардинально отличаются от предлагаемой    технологии. Отличием предлагаемого проекта является разработка технологии изготовления брикетированной моношихты, получение новых данных о физико-химических процессах, протекающих в ходе выплавки углеродистого феррохрома с применением моношихты. В качестве исходных сырьевых материалов будут использоватся мелочь хромовой руды и дешевые углеродсодержащие материалы – отсевы кокса, спецкокса и высокозольных углей Центрального Казахстана (10-20 $ за тонну), которые малоприменимы в промышленных и бытовых целях.

 Цель работы – разработка технологии углеродистого феррохрома c использованием брикетированной моношихты, а также улучшение показателей их производства.

 Ожидаемые и достигнутые результаты. По стандартной технологии выплавки углеродистого феррохрома используют дорогостоящие шихтовые материалы, что увеличивает стоимость конечного сплава. Согласно приведенным фактам предлагаемая технология брикетированной моношихты конкурентоспособен в плане применения в большой металлургии. Кардинальным отличием предлагаемого проекта является разработка и отработка технологии выплавки углеродистого феррохрома с использованием брикетированной моношихты, изготовленных из нестандартных шихтовых материалов. В качестве исходных сырьевых материалов использованы мелочь хромовой руды, а в качестве восстановителя отсевы различных углеродсодержащих материалов, в том числе дешевых высокозольных углей Центрального Казахстана (10-15 $ за тонну). За счет использования недорогих шихтовых материалов, а также быстрого протекания восстановительных процессов при многократном увеличении поверхности контакта восстановителя и руды, себестоимость получаемого углеродистого феррохрома по предварительным расчетам будет снижаться на 10-15 %.

В ходе проведенных исследовании подобран оптимальный состав шихтовых материалов для производства брикетированной моношихты: брикеты с шубаркольским углем: хромовая руда - 71,94 %, уголь шубаркольский - 28,06 %; брикеты с борлинским углем: хромовая руда - 72,63 %, уголь борлинский - 27,37 %; брикеты с коксом КНР: хромовая руда - 74,0 %, кокс КНР - 18,5 %, связующее - 7,5 %. Анализируя расчетные данные по величинам энергии активации процесса наиболее высокой восстановимостью обладают брикеты с коксом КНР - Еакт = 214,96 кДж/моль и борлинским углем - Еакт = 235,79 кДж/моль. В ходе укрупненно-лабораторных испытаний получена опытная партия феррохрома. По результатом испытаний составлен акт испытаний.

 Члены исследовательской группы

 - Шабанов Ербол Жақсылықұлы - научный руководитель проекта. Доктор PhD. h-и́ндекс (Индекс Хирша): 3. Researcher ID: AAB-8165-2020. Scopus ID: 56346154800. https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56346154800

 - Байсанов Алибек Сайлаубаевич - Кандидат технических наук, ассоциированный профессор. Заведующий лабораторией пирометаллургических процессов, Филиал РГП на ПХВ «НЦ КПМС РК «ХМИ им.Ж.Абишева». h-индекс (Индекс Хирша): 3. Researcher ID: O-5201-2017. Scopus ID: 25654652900. https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=25654652900

 - Инкарбекова Инеш Сатыбалдиевна – ответственный исполнитель. Магистрант техники и технологий по специальности «Металлургия». Инженер 1 категории лаборатории ферросплавов и процессов восстановления Химико-металлургического института им. Ж. Абишева.

 - Төлеуқадыр Руслан Төлеужанұлы - исполнитель. Магистрант техники и технологий по специальности «Металлургия». Младший научный сотрудник лаборатории ферросплавов и процессов восстановления Химико-металлургического института им. Ж. Абишева. https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57217089654

- Сәулебек Жалғас Қасқырбекұлы - исполнитель. Магистрант техники и технологий по специальности «Металлургия». Техник лаборатории ферросплавов и процессов восстановления Химико-металлургического института им. Ж. Абишева.

 Список опубликованных работ 

1 Baisanov S., Shabanov Ye. Zh., Toleukadyr R. T., Inkarbekova I. S., Saulebek Zh. K. Smelting options for carbon ferrochrome based on ore raw materials, middlings and their technological evaluation //Комплексное использование минерального сырья = Complex Use of Mineral Resources. – 2022.

2 Shabanov Ye. Zh., Baisanov A. S., Inkarbekova I. S.,Toleukadyr R. T., Saulebek Zh. K. Differential-thermal analysis of chromium-containing monofilament under gradual heating to high temperatures //Комплексное использование минерального сырья = Complex Use of Mineral Resources. – 2022.

3 Kuatbay Ye., Nurumgaliyev A., Shabanov Ye., Zayakin O., Gabdullin S., Zhuniskaliyev T. Melting of high-carbon ferrochrome using coal of the saryadyr deposit //Metalurgija. – 2022.

4 Shabanov Ye. Zh., Baisanov A. S., Inkarbekova I. S.,Toleukadyr R. T., Saulebek Zh. K. «CIS Iron and Steel Review». – 2022.

В рамках грантового финансирования по научным и (или) научно-техническим проектам на 2022-2024 годы выполняется проект AP14871610 «Разработка научных основ и тестирование технологии выплавки высокоуглеродистого феррохрома с использованием термически-восстановленного хромового сырья углеродом» (Инв. № 0122РК00798, договор № 283/30-22-24 от 18.10.2022 г., заказчик – Комитет науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан) 

Актуальность темы

Наряду с технологиями предварительного восстановления железа в мире интенсивно изучается возможность применения данного подхода к металлизации других, в частности, хромовых руд. Анализ тенденций развития ферросплавной отрасли последнего десятилетия показывает, что мировые производители феррохрома всё чаще переходят на технологию выплавки феррохрома с предварительным подогревом или восстановлением хромового сырья. Двухстадийная технология предвосстановления хромового сырья при выплавке высокоуглеродистого феррохрома позволяет уменьшить удельный расход электроэнергии, сократить время плавки и, тем самым, увеличить производительность плавильной печи. 

Цель проекта

Установление общих закономерностей восстановительного углетермического обжига хромовой руды, определение кинетических параметров восстановления оксидов железа и хрома и фазовых равновесий в модельной системе Cr-Fe-C-O, а также на их основе тестирование технологии выплавки высокоуглеродистого феррохрома с применением термически-восстановленного хромового сырья углеродом. 

Руководитель НИР Шабанов Ербол Жақсылықұлы, старший научный сотрудник лаборатории ферросплавов и процессов восстановления, доктор PhD, ассоциированный профессор. h-индекс Scopus – 3; Web of Science – 1; Researcher ID: AAB-8165-2020; ORCID: 0000-0001-6902-1211;. Scopus Author ID: 56346154800; https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56346154800 

Исполнители проекта:

1 Махамбетов Ерболат Нысаналыулы – Заведующий лабораторией ферросплавов и процессов восстановления Химико-металлургического института им. Ж.Абишева, доктор PhD. Индекс Хирша (Scopus) - 3; Индекс Хирша (WoS) - 2;ResearcherID Web of Science: ABF-3760-2021; https://orcid.org/0000-0001-8613-9932; Scopus ID Scopus 57189221884.

2 Байсанов Сайлаубай – Директор, заведующий лабораторией металлургических расплавов Химико-металлургического института им. Ж.Абишева, доктор технических наук, профессор. Индекса Хирша: Web of Science -3, Scopus -5; ORCID: 0000-0002-7328-2921.

3 Байсанов Алибек Сайлаубаевич – Заведующий лабораторией пирометаллургических процессов Химико-металлургического института им. Ж.Абишева, кандидат технических наук, профессор. Индекс Хирша:5; Researcher ID:O-5201-2017; ORCID: 0000-0002-3025-7267; Scopus Author ID:25654652900.

4 Төлеуқадыр Руслан Төлеужанұлы - Магистр техники и технологий, младший научный сотрудник лаборатории ферросплавов и процессов восстановления. h-индекс (Scopus): 1; ORCID: 0000-0002-7191-8893; Scopus Author ID: 57217089654; https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57217089654.

5 Инкарбекова Инеш Сатыбалдиевна - Магистр техники и технологий, инженер 1-категорий лаборатории ферросплавов и процессов восстановления. h-индекс (Scopus): 1; ORCID: 0000-0002-4135-4134; Scopus Author ID: https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57217089783.

6 Сәулебек Жалғас Қасқырбекұлы - Магистрант техники и технологий, инженер 1-категорий лаборатории ферросплавов и процессов восстановления. h-индекс (Scopus): 1; ORCID: 0000-0003-3852-7513; Scopus Author ID: 57218177265; https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57218177265 

Этап 2022 г.

Проведение термодинамически-диаграммного анализа системы Cr-Fe-C-O для установления областей составов, непосредственно характеризующих фазовые равновесия и процессы восстановления хрома при обжиге хромовой руды 

Ожидаемые и достигнутые результаты

Методом рентгеноcпектрального анализа изучен химический состав хромовой мелочи (фракция - 10 мм) Донского Горно-обогатительного комбината. Средний химический состав хромовой руды следующий, %: Cr₂O₃ - 41,09; Al₂O₃ - 8,99; Fe₂O₃ - 11,59; SiO₂ - 6,44, MgO - 11,29, CaO - 1,3; P₂O₅ - 0,068; S - 0,04, п.п.п. - 3,21. С помощью программного комплекса «HSC Chemistry 6» проведен термодинамический анализ системы Cr-C-O для установления оптимального температурного интервала металлезирующего обжига хромовой руды и расхода твердого углерода. Согласно термодинамическим данным металлизирующий обжиг хромовой руды необходимо провести в температурным интервале 1500-1700 К, при расходе твердого углерода Ств - 1 кг на 4,2 кг Cr₂O₃. Для установления сосуществующих фаз при металлизирующим обжиге хромовой руды изучен диаграмма состояние системы Cr-C-O при температурах 1500, 1700 и 1900 К. Для графического построения диаграммы фазового строения системы Cr-C-O был применен программный комплекс «Thermo-Calc». При обжиге хромовой руды в интервале температур 1500-1700 К сосуществуют следующие фазы: CO, Cr₂O₃, Cr₃C₂, Cr₇C₃, Cr₂₃C₆, Cr. При температуре 1900 К обнаружен жидкая фаза в виде Cr.

Таким обрaзом,  был проведен термодинамический анализ системы Cr-C-O и графически построена его диаграмма фазового строения. Оптимальным температурным интервалом для металлезирующего обжига хромовой руды является 1500-1700 К. Подобран оптимальный расход восстановителя для обжига хромовой руды, на 4,2 кг оксида хрома необходимо 1 кг твердого углерода. В качестве восстановителей будут использованы мелочи низкозольных углей Казахстана и мелочь металлургического кокса. При обжиге хромовой руды в интервале температур 1500-1700 К сосуществуют следующие фазы: CO, Cr₂O₃, Cr₃C₂, Cr₇C₃, Cr₂₃C₆, Cr.

В рамках грантового финансирования фундаментальных и прикладных научных исследований молодых ученых – постдокторантов по проекту «Жас ғалым» на 2022-2024 годы выполняется проект AP14972750 «Разработка ресурсосберегающей технологии выплавки среднеуглеродистого ферромарганца с использованием передельного ферросиликомарганца и низкокачественных марганцевых руд»
(№ госрегистрации 0122РК00785, договор №302/ЖГ-2-22-24 от 20 октября 2022 года, заказчик - Государственное учреждение «Комитет науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан)

 

Целью проекта является разработка и отработка ресурсосберегающей и экономически выгодной технологии выплавки среднеуглеродистого ферромарганца с использованием низкофосфористого передельного ферросиликомарганца, полученного из марганцевого шлака и углей Центрального Казахстана.

 

Актуальность проекта

На сегодняшний день в Казахстане отсутствуют промышленные предприятия по производству среднеуглеродистого ферромарганца, в том числе и рафинированных сортов ферромарганца. Отечественные литейные цеха вынуждены использовать импортный ферромарганец из Китая, Украины и РФ. Несмотря на нехватку марганцевых ферросплавов, внутри страны практически большая часть ценного марганцевого сырья в виде руды экспортируется в соседние страны, такие как Китай и РФ. Например, основными поставщиками марганцевого концентрата в Россию являются Казахстанские предприятия - Жайремский ГОК и рудник Джезды, управляемый холдингом «Казахмарганец». Казахстанские источники марганцевого сырья предпочтительны для России в части относительной дешевизны поставляемых продуктов, отсутствии взимания ввозной пошлины (как страны Таможенного Союза) и небольших транспортных расходов по доставке материалов к месту потребления. Немалая доля марганцевой руды экспортируется в Китай. Таким образом, из этих стран в виде встречных потоков в Казахстан импортируется рафинированный ферромарганец и ферросиликомарганец с уже высокой надбавленной стоимостью.

 

Исполнитель проекта

Заведующий лабораторией «Ферросплавов и процессов восстановления» Химико-металлургического института им. Ж. Абишева, доктор PhD - Махамбетов Ерболат Нысаналыулы – Индекс Хирша (Scopus) - 3; Индекс Хирша (WoS) - 2; ResearcherID Web of Science: ABF-3760-2021, https://orcid.org/0000-0001-8613-9932, Scopus ID Scopus 57189221884

 

Задачи проекта на 2022 год:

-                     необходим подбор оптимального состава шихтовой смеси, а именно оптимального соотношения рудной части шихты к восстановителю. Для этого будут изучены физико-химические свойства исходных шихтовых материалов, будет проведен расчет материального баланса, а также проведен полный термодинамический анализ с использованием современных компьютерных программных комплексов.

 

Полученные результаты за 2022 год

Исследованы физико-химические свойства исходных шихтовых материалов и проведено термодинамическое моделирование процесса выплавки передельного ферросиликомарганца. Установлено, что химический состав шихтовых материалов следующие, %: марганцевая руда Mn_общ. 25-33, SiO₂ 28-36, Feобщ. 3-8; марганцевый шлак MnO 23-25, SiO₂ 25-28, Al₂O₃ 10-12, CaO 37-39. Технический состав угля, %: зола 25-35, летучие 10-25, влага 5-10. Фазовый состав марганцевой руды в основном представлен якобситом MnFe₂O₄, браунитом Mn₂O₃·MnSiO₃ и кварцем SiO₂. Фазовый состав золы угля представлен кварцем SiO₂ и каолинитом Al₂Si₂O₅(OH)₂. Марганцевый шлак представлен двухкальциевым силикатом Ca₂SiO₄ и монооксидом марганца MnO. Был смоделирован процесс выплавки низкофосфористого передельного ферросиликомарганца в программном комплексе «Terra», где установили, что плавку необходимо вести при избытке твердого восстановителя на 10 % от стехиометрии (расход твердого восстановителя) и оптимальный состав шлака достигается при основности CaO/SiO₂ = 0,75-1,0 который обеспечивает наиболее высокую степень извлечения марганца и кремния в металл. Таким образом, подобран оптимальный состав шихтового материала, %: уголь - 42, марганцевый шлак - 21, марганцевая руда - 32. Впервые были проведены комплекс научно-исследовательских работ по подбору оптимального состава шихтовой смеси из не традиционных шихтовых материалов для выплавки низкофосфористого передельного ферросиликомарганца.