ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МАРГАНЦЕВОГО АГЛОМЕРАТА И БРИКЕТА ДЛЯ ПОСЛЕДУЮЩЕГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПЕРЕДЕЛА

THE STUDY OF ELECTRICAL RESISTANCE OF MANGANESE AGGLOMERATE AND BRIQUET FOR FURTHER METALLURGICAL TREATMENT

Erulan Samuratov

candidate of Technical Sciences, Research Scientist of NJSC “Kazakh National Research Technical University after K.I. Satpayev”,

Kazakhstan, Almaty

Suyeu Abikov

candidate of Technical Sciences, Vice-Principal of Science Department, NJSC “Kazakh National Research Technical University after K.I. Satpayev”,

Kazakhstan, Almaty

Askhat Akuov

candidate of Technical Sciences, Research Scientist of NJSC “Kazakh National Research Technical University after K.I. Satpayev”,

Kazakhstan, Almaty

Erlan Zhumagaliyev

candidate of Technical Sciences, Research Scientist of NJSC “Kazakh National Research Technical University after K.I. Satpayev”,

Kazakhstan, Almaty

Bauyrzhan Kelamanov

candidate of Technical Sciences, Research Scientist of NJSC “Kazakh National Research Technical University after K.I. Satpayev”,

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты исследовании по изучению электросопротивления окускованных термомагнитных марганцевых концентратов (брикет, агломерат) и шихт на их основе в сравнении с шихтовыми материалами применяемые в настоящее время на ферросплавных заводах РК для выплавки марганцевых ферросплавов. Получены температурные зависимости удельного электросопротивления исследуемых материалов, а также шихт на их основе.

ABSTRACT

In the article research results on electrical resistance of thermo agglomerated manganese concentrates (briquet, agglomerate) and burden materials on their basis in comparison with burden materials currently used in the ferroalloy RK plants for melting of manganese ferroalloys are presented. Temperature dependences of specific electrical resistivity of studied materials and burden materials on their basis are obtained.

Ключевые слова: брикет; агломерат; удельное электросопротивление; шихта; фазовые превращения.

Keywords: briquet; agglomerate; specific electrical resistivity; burden materials; phase conversions.

В руднотермическом процессе производства марганцевых сплавов скорость и степень восстановления полезных компонентов исходного марганецсодержащего сырья зависит, от таких технологических факторов, как распределение мощности и максимальная температура в ванне печи [6; 12], температуры начала шлакообразования, температурного интервала размягчения шихтовых материалов [2].

Раннее шлакообразование и широкий интервал размягчения вызывает расстройство хода плавки, затрудняет, а в ряде случаев делает невозможным достижения в ванне печи требуемого теплового режима процесса. Распределение мощности и максимальная температура печи определяются электропроводностью шихтовых материалов, так как в ферросплавных печах часть электрического тока проходит через шихту [1]. Электрическое сопротивление шихты для выплавки марганцевых ферросплавов определяется главным образом сопротивлением их рудной части.

Способ подготовки, тип окускованных материалов, безусловно, отражаются на электросопротивлении шихты [3]. В связи с этим возникает необходимость проведения исследований по изучению электросопротивления окускованных шихтовых материалов применяемых в настоящее время на отечественных ферросплавных заводах для выплавки сплавов марганца.

Изучение электросопротивления шихтовых материалов и шихт проводилось по методике, предложенной В.И. Жучковым [4], которая позволяет определять электросопротивление материалов и шихт при температурах до 1800°С в насыпном слое с одновременной фиксацией степени их размягчения (усадки). Давление на материал составляло 0,02–0,04 МПа, скорость нагрева 20–25 град/мин, внутренний диаметр корундовой трубки 0,03 м, высота слоя материала 0,025 м. Метод широко применяется для определения электросопротивления материалов и шихт различными исследователями [7; 8; 10].

Объектами исследования были окускованные термомагнитные марганцевые концентраты в виде брикета и агломерата [13] для выплавки ферросиликомарганца и углеродистого ферромарганца соответственно, химический состав которых приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Химический состав окускованных материалов

Так для сравнения электрического сопротивления шихты с марганцевым агломератом и брикетом были взяты шихтовые материалы, применяемые в промышленных условиях, в сравнении с традиционными шихтовыми материалами используемые в ферросплавных заводах РК. Например, для выплавки ферросиликомарганеца используют кусковую руду месторождения Восточный Камыс. Для выплавки ферромарганца использовали марганцевую руду месторождения Мынарал. В качестве восстановителя использовали металлургический кокс.

Во время опыта измерялось электросопротивление, как отдельных компонентов, так и всей шихты. При этом устанавливались все факторы, повлиявшие на сопротивление шихты: температура, агрегатное состояние, степень восстановления. Для объяснения причин изменения электросопротивления ведется постоянное наблюдение за изменением объема материалов.

При измерении электрического сопротивления шихты крупность ее компонентов подбиралась такой, чтобы она была пропорциональна крупности компонентов шихты, применяемой в производственных условиях (таблица 2).

Таблица 2.

Крупность компонентов шихты

По результатам экспериментальных данных построены графики зависимости удельного сопротивления от температуры (рисунок 1), а также приведены кривые размягчения руд, шихт и конгломератов (рисунок 2).

Температура является одним из основных факторов, влияющих на электросопротивление исследуемых материалов, так как при комнатной температуре оно очень высоко, а по мере нагрева резко уменьшается. Также существенное влияние на электросопротивление оказывают химический и минералогический составы материалов [1].

На рисунке 1 (а) представлена температурная зависимость удельного электросопротивления (УЭС) брикетов, кусковой марганцевой руды месторождения Восточный Камыс и смеси руды с коксом с таким же количеством твердого углерода (С_тв) как и в брикетах. Из графика зависимости УЭС от температуры видно, что почти во всем температурном интервале наибольшим сопротивлением обладают брикеты. Сравнительно низкое сопротивление имеет кусковая руда с коксом, что соответствует содержанию наибольшего количества пиролюзита MnO₂, минерала с высокой проводимостью [1; 5] и содержанию проводимой частью шихты – кокса. На характер изменения электросопротивления влияют и фазовые превращения, происходящие в рудах при нагреве [1].

Рисунок 1. Изменение УЭС марганецсодержащих материалов при нагревании: а) – брикета, кусковой руды и ее смеси с коксом; б) – агломерата и кускового концентрата

При сравнении кривых УЭС марганцевой руды и его смеси с коксом можно заметить, что с нагревом до 600˚С идет почти параллельное снижение их удельного сопротивления. При дальнейшем нагреве в интервале от 600 до 900˚С вызывает некоторое ее увеличение, что соответствует фазовым превращениям в руде перехода пиролюзита (MnO₂) в β-курнакит (β-Mn₂O₃) [9; 11]. При температуре выше 900˚С наблюдается заметное снижение УЭС, что можно объяснить образованием β-гаусманита и уже при 1100 и 1130˚С оно составило 0,028 и 0,012 Ом м соответственно. В то время как у брикетов минимальное УЭС наблюдается лишь при температуре 1200˚С, и не имеет таких выраженных пиков соответствующих фазовым переходам, что говорит об отсутствии высших окислов в термомагнитных марганцевых концентратах.

Брикет при низких температурах и до 800˚С обладает высоким УЭС, которая снижается с меньшей интенсивностью в сравнении с кусковой рудой и ее смеси с коксом (рисунок 1, а). В интервале 800–950˚С электросопротивление брикета и кусковой марганцевой руды выравниваются, но уже при более высокой температуре обладает меньшей проводимостью (0,74 Ом м при 1100˚С). При температурах выше 1100˚С наблюдается резкое снижение УЭС брикета, что объясняется началом оплавления брикетов, сопровождающийся заметным изменением объема брикета.

Исследования по определению удельного сопротивления полученного марганцевого агломерата, также проводили в сравнении с марганцевым концентратом месторождения Мынарал, с содержанием марганца как и в исследуемом агломерате. В результате проведенных экспериментов установлено, что кусковой марганцевый концентрат обладает наименьшим удельным электросопротивлением почти во всем температурном интервале чем агломерат (рисунок 1, б). С 300˚С до 600˚С уменьшение УЭС концентрата соответсвует наибольшему содержанию минерала пиролюзита. В интервале 600-900˚С электросопртивление концентрата возрастает, что сопровождается диссоциацией пиролюзита до окиси марганца Mn₂O₃, как это наблюдается в предыдущем случае. При дальнейшем увеличении температуры наблюдается интенсивное снижение электросопротивления кускового концентрата, значение которого при 1220˚С составляет 0,04 Ом м.

УЭС агломерата до 1000˚С находится примерно на одном уровне (в интервале 1,20–1,46 Ом м), но при температурах выше 1100–1200˚С УЭС резко снижается, что можно объяснить с началом оплавления агломерата, сопровождающимся с заметным изменением его объема.

Также нами проведены исследования по определению удельного электросопротивления шихты с брикетами и с агломератом применяемые при выплавке из них стандартных сплавов из расчета состава шихты, в сравнении с традиционными шихтовыми материалами с кусковой рудой и с концентратом применяемые на заводах. Температурные зависимости электросопротивления шихт приведены на рисунке 2. Как видно, электросопротивление шихт в определенной степени зависит от УЭС применяемых видов марганецсодержащих материалов, особенно при высоких температурах.

Рисунок 2. а) Изменение УЭС исследуемых шихт при нагревании; б) Кривые размягчения исследуемых марганецсодержащих материалов и шихт на их основе

Из полученных экспериментальных данных установлено, что шихта с агломератом по такому важному показателю для электротермических процессов, как УЭС, имеет большую ее величину, чем шихта с марганцевым концентратом. В сою очередь, сопротивление шихты с брикетами имеет примерно одинаковое значение УЭС с шихтой из марганцевой руды, тем самым не уступая традиционным шихтовым материалам.

Кроме того, при высоких температурах проявляется влияние размягчения рудной части шихты на их электросопротивление, выражающееся резким уменьшением последнего. Кривые размягчения исходных материалов и шихт на их основе приведенные на рисунке 2(б), из которых видно, что температура размягчения варьируется в пределах 800–1100˚С. Из исследуемых окускованных материалов брикеты имеют одинаковые значения температуры начала размягчения относительно смеси руды с коксом, которая соответствует температуре 800˚С, а температурный интервал рамягчения составил 400˚С, от 800 до 1200˚С.

Температура начала размягчения агломерата и кускового концентрата соответствует температурам 1100 и 900˚С соответственно, с разницей в 200˚С. Их температурный интервал размягчения также различен, так как агломерат более устойчив при высоких температурах, но при этом имеет узкий интервал размягчения (100˚С) от 1100 до 1200˚С относительно кускового концентрата, температурный интервал размягчения которого соответствует 300˚С (от 900 до 1200˚С). Кривые размягчения шихт занимают промежуточные положения между ними.

Исследования показали, что на значение электросопротивления при заданной температуре в значительной мере влияет химический и минералогический составы окускованных материалов (брикетов и агломерата) и фазовые превращения, протекающие при их нагревании.

Выводы.

Проведены исследования по изучению электросопротивления окускованных термомагнитных марганцевых концентратов (брикет, агломерат) и шихт на их основе в сравнении с шихтовыми материалами применяемые в настоящее время на ферросплавных заводах РК для выплавки ферросиликомарганца и углеродистого ферромарганца. Получены температурные зависимости УЭС марганцевых руд, исследуемых окускованных марганецсодержащих материалов, а также шихт на их основе. Электросопротивление шихт зависит от УЭС применяемых видов марганецсодержащих рудных материалов особенно при высоких температурах. Шихта с брикетами (и с агломератом) по такому важному показателю для электротермических процессов, как УЭС, относительно превосходит марганцевую руду (и концентрат).

Список литературы:

1. Букетов Е.А., Габдулин Т.Г., Такенов Т.Д. Металлургическая переработка марганцевых руд Центрального Казахстана. Алма-Ата: Наука, 1979. 184 с.
2. Емлин Б.И., Гасик М.И. Справочник по электротермическим прочесам. – М.: Металлургия, 1978. 288 с.
3. Жучков В.И., Розенберг В.Л. Энергетические параметры и конструкции рудовосстановительных электропечей. Челябинск: Металл, 1994. 192 с.
4. Жучков В.И., Микулинский А.С. Методика определения электрического сопротивления кусковых материалов и шихт // Экспериментальная техника и методы высокотемпературных измерений. – М.: Наука, 1966. – С. 43–46.
5. Кекелидзе М.А., Николайшвили Г.У. Электрическое сопротивление Чиатурских марганцевых руд и продуктов их окускования // Металлургия и коксохимия. – М.: Марганец, 1967. № 11. – С. 87–95.
6. Микулинский А.С. К теории электрических и карбидных печей // Труды УНИХИМ. – 1954. № 11. – С. 33–39.
7. Мизин В.Г, Серов Г.В. Углеродистые восстановители для ферросплавов. – М: Металлургия, 1976. 272 с.
8. Нурмуханбетов Ж.У. Ким В.А., Толымбеков М.Ж. Электрическое сопротивление углеродистых восстановителей // Новости науки Казахстана. – Алматы: 2005. № 2. – С. 35–40.
9. Николайшвили Г.У., Кекелидзе М.А. Электропроводность марганцевых окислов. // Металлургия и коксохимия. – М.: АН СССР, 1970. № 2. – С. 393–395.
10. Павлинский Н.И., Ганцеровский О.Г. Электросопротивление шихт для выплавки углеродистого ферромарганца // Металлургия и коксохимия. – М.: 1974. №39. – С. 84–86.
11. Роде Е.А. Кислородные соединения марганца. – М.: Изд. АН СССР, 1952. 398 с.
12. Сисоян Г.А. Электрическая дуга в электрической печи. – М.: Металлургия, 1974. 304 с.
13. Самуратов Е.К., Акуов А.М., Абиков С.Б., Жумагалиев Е.У., Келаманов Б.С., Алдангаров Е.М. Выплавка стандартных марок марганцевых ферросплавов из окускованных термомагнитных марганцевых концентратов // IX Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития научных исследований в 21 веке». – Махачкала: 2015. – С. 57–61.