Разработка технологии получения компонентов сварочных материалов из сырья кольского полуострова
1На правах рукописи
ПЛЕШАКОВ Юрий Валентинович РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ СЫРЬЯ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА Специальность 05.16.02 – металлургия черных цветных и редких металлов
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Апатиты 2006 2
Работа выполнена в ОАО «Апатит» и Институте химии и техно логии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра Российской Академии наук.
Научный руководитель доктор технических наук Николаев А.И.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук Захаров В.И.
(Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья КНЦ РАН) кандидат технических наук Макаров А.М.
(Институт экономических проблем КНЦ РАН)
Ведущая организация:
ФГУП ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей»
Защита состоится « » 2006г. в часов на заседании диссертационного совета Д 002.105.01 в Институте химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН по адресу: 184200, г. Апатиты, ул. Ферсмана, 26а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.
Тананаева КНЦ РАН.
Автореферат разослан « » 2006г.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. Громов П.Б.
ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы. Существовавшая до распада СССР сырье вая база сварочного производства была ориентирована в основном на богатые и хорошо разведанные месторождения сырья Украины, Грузии, России. После развала Советского Союза, в России отмечается острая нехватка традиционных компонентов сварочных материалов, исчерпы вание ряда богатых месторождений, ухудшение качества продукции, высокие цены, необходимость перевозки сырья на электродные заводы за многие тысячи километров, включая импорт из стран ближнего и дальнего зарубежья. Все это привело к созданию обстановки, способст вующей снижению общего уровня качества сварочных материалов и значительному повышению затрат на их производство. В настоящее время большинство компонентов сварочных материалов поступает на электродные заводы северо-запада (г.г. Санкт-Петербург, Череповец, Северодвинск, Мурманск и др.) из отдаленных регионов России и зару бежья.
В связи с этим, появилась необходимость изучения регионального сырьевого комплекса как эффективного средства усовершенствования производства и минимизации затрат на производство сварочных мате риалов при сохранении или улучшении их качества. Многие продукты, замещающие традиционные компоненты сварочных материалов, могут быть получены из минерального и техногенного сырья Кольского полу острова. Не менее важным является и улучшение социально экономической обстановки за счет создания новых рабочих мест и про изводства рентабельной продукции.
Замена традиционного сырья на новое, полученное из руд других месторождений или из техногенных отходов, является не простой зада чей. Требуется дополнительное изучение свойств этого сырья, создание технологии получения компонентов сварочных материалов, включаю щей кондиционирование их до требований потребителей. Разрабаты ваемые схемы являются сложными. Они предполагают необходимость проведения дополнительных систематических исследований и модель ных испытаний по наработке компонентов сварочных материалов и формированию на их основе новых рецептур сварочных электродов.
Работа выполнялась в соответствии с приоритетными направле ниями фундаментальных исследований РАН по химическим наукам и наукам о материалах (Пункт 4.6. Разработка эффективных экологически чистых и максимально безопасных технологических процессов перера ботки природного сырья), критических технологий федерального уров ня (Пункт 7.4. Природоохранные технологии, переработка и утилизация техногенных образований и отходов) и программой ОХНМ РАН «Науч ные основы ресурсо - и энергосбережения в процессах переработки ми нерального техногенного и возобновляемого сырья» по проекту «Разра ботка научных основ технологии сварочных материалов на основе но вых видов сырья и твердых отходов производства» (2003-2005г.г.), а также темой НИР ИХТРЭМС КНЦ РАН (№ гос. регистрации 01.200.316133) «Разработка научных основ и технологии рационального использования титано-редкометалльного сырья и промышленных отхо дов» и планами ОАО «Апатит» по комплексному использованию апа тит-нефелиновых руд.
Цель работы:
Изучение минерально-сырьевой базы, в том числе техногенных отходов, для производства компонентов сварочных материалов. Разра ботка и обоснование технологии получения компонентов сварочных материалов и на их основе возможных рецептур сварочных материалов с использованием сырья Кольского полуострова. Для этого необходимо было решить следующие основные задачи:
• Изучить состав, свойства и радиационные характеристики сырья Кольского полуострова;
• Разработать условия кондиционирования сырья до требований производителей сварочных материалов;
• Предложить составы композиций для дальнейшей разработки рецептуры сварочных материалов с использованием сырья Кольского полуострова;
• Установить параметры ключевых операций технологии получе ния очищенного сфенового, титаномагнетитового, форстеритового, кианитового и других концентратов как сырья для изготовления сва рочных материалов;
• Выполнить технико-экономическую оценку технологии получе ния сварочных материалов из сырья Кольского полуострова.
Научная новизна:
• Впервые выполнено комплексное исследование состава и радиа ционных характеристик потенциальных компонентов сварочных мате риалов и обоснован выбор сфенового, нефелинового (сиенитового), ти таномагнетитового, форстеритового, кианитового, ильменитового и других концентратов;
• Исследовано поведение лимитируемых примесей при очистке компонентов сварочных материалов. Определены условия, позволив шие получить концентраты из сырья Кольского полуострова, соответст вующие требованиям технических условий;
• Установлено, что причиной повышенного содержания радио нуклидов в сфеновом концентрате, из Хибинских месторождений, явля ется присутствие примеси перовскита;
• Исследовано модифицирование компонентов сварочных мате риалов легирующими элементами, способствующее повышению сва рочно-технологических характеристик электродов.
Практическая значимость работы:
• Разработан и защищен патентом РФ способ химической очистки природных и техногенных кремний-кальцийсодержащих концентратов от примеси фосфора;
• Разработаны технические условия на новые продукты – компо ненты сварочных материалов;
• Предложены составы композиций сварочных материалов с ис пользованием сырья Кольского полуострова;
• Выполнен расчет технико-экономической эффективности схемы получения концентратов для производства сварочных материалов;
• Усовершенствована и реализована технология получения хими чески очищенного сфенового концентрата, защищенная патентом РФ.
Обоснованность и достоверность результатов работы:
Достоверность и обоснованность основных научных результатов обеспечивалась многократным воспроизведением ряда экспериментов, совпадением данных, полученных независимыми методами исследова ния, использованием стандартных методик, включая факторное плани рование эксперимента, статистическую обработку результатов. Обосно ванность предлагаемых технологических схем подтверждена опытно промышленными испытаниями на реальных объектах.
Основные положения, выносимые на защиту:
• Изучение состава и характеристик компонентов сварочных ма териалов из сырья Кольского полуострова;
• Технология очистки компонентов сварочных материалов от примесей фосфора, серы и углерода;
• Технологическая схема получения химически очищенного сфе нового концентрата из хвостов обратной нефелиновой флотации;
• Составы возможных композиций сварочных материалов с ис пользованием сырья Кольского полуострова, рассчитанные по фазовым диаграммам состояния неметаллических систем с использованием про граммы: «Расчет состава сварочных шлаков, электродных покрытий и флюсов».
Личный вклад автора:
Исследования, представленные в диссертации, являются резуль татом работы автора, который в значительной мере самостоятельно уча ствовал в планировании и выполнении экспериментов, обработке ре зультатов, написании публикаций и подготовки заявок на патенты. Ав тор лично участвовал на всех стадиях опытной и опытно промышленной отработки технологии получения компонентов свароч ных материалов.
Апробация работы:
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:
• 4-ой Всероссийской научно-практической конференции: «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности». С.-Петербург. 1999.
• 11-ой научно-технической конференции МГТУ. Мурманск. 2000.
• II Международной конференции по сварочным материалам стран СНГ. «Материалы и качество на рубеже ХХI века». Орел. 2001.
• Всероссийской научно-технической конференции «Наука и образо вание – 2002». Мурманск. 2002.
• Международной научной конференции: «Фундаментальные пробле мы комплексного использования природного и техногенного сырья Ба ренцева региона в технологии строительных материалов». Апатиты.
2003.
• Конференции молодых ученых: «Комплексность использования ми нерально-сырьевых ресурсов – основа повышения экологической безо пасности региона». Апатиты. 2004.
• 2-ой Международной конференции: «Использование природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов». Петрозаводск. 2005.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 6 ста тей, 9 докладов и тезисов докладов на конференциях, 2 патента РФ.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, перечня цитируемой литературы, включающего 131 источник, приложения.
Диссертация изложена на 116 страницах, включает 45 таблиц и 29 ри сунков. В приложении представлены 5 актов и 5 технических условий, подтверждающие практическое значение результатов работы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении рассмотрено современное состояние проблемы обеспеченности отечественных производителей сварочных материалов сырьем, обосновывается актуальность работы и сформулированы ос новные задачи, показана научная новизна и практическая значимость работы.
Глава 1 Литературный обзор: Сырьевая база для производст ва компонентов сварочных материалов Рассмотрение действующих и перспективных месторождений Кольского полуострова и Карелии позволило выявить большую группу источников сырья, потенциально пригодных для переработки на компо ненты сварочных материалов – электроды, плавленные, агломерирован ные и керамические флюсы. Среди них: сфеновый, титаномагнетито вый, ильменитовый, оливинитовый, форстеритовый, нефелиновый (сие нитовый), кианитовый и другие концентраты. Указанные концентраты содержат в своем составе те же химические элементы, что и традицион ные компоненты для сварочных материалов. Источником некоторых из них являются отходы переработки комплексных руд ряда месторожде ний (Хибинских, Ковдорских и др.).
Приводимые в обзоре данные показывают слабую изученность нового сырья в качестве компонентов сварочных материалов. Требуется систематическое изучение минерального и химического составов кон центратов и продуктов их переработки, уточнения и проверки в укруп ненном масштабе условий получения партий продуктов, соответствия их требованиям технических условий на продукцию для сварочных ма териалов, а при необходимости возможности доочистки, в первую оче редь, от лимитируемых примесей фосфора и серы. Практически в лите ратуре отсутствуют данные радиационной активности минеральных продуктов. Вовлечение новых продуктов в производство требует также разработки новых рецептур покрытий электродов.
Глава 2. Экспериментальная часть.
Примененные в работе приборы, аппараты, установки и аналити ческие методики позволили выполнить комплексные исследования по отработке и проверке отдельных операций и схем в целом. Описаны, методы исследований. Метрологические характеристики использован ных методов подтверждают достоверность приведенных в данной рабо те результатов исследований.
Глава 3. Исследование минеральных концентратов как по тенциального сырья для производства компонентов сварочных ма териалов.
С целью расширения минеральной базы для производства свароч ных материалов, за счет вовлечения доступных сырьевых продуктов Кольского полуострова, оценена возможность получения кондицион ных компонентов сварочных материалов на обогатительном переделе и снижения содержания примесей до требований технических условий с использованием обогатительных и химических методов.
Минеральные концентраты – нефелиновый (сиенитовый), титано магнетитовый и сфеновый, выделяемые из отходов обогащения руд Хи бинских месторождений (рис. 1), содержат цветные, редкие тугоплавкие и щелочные элементы и относятся к природнолегированным материа лам. Их применение в составе покрытий электродов вместо рутила, гли нозема, корунда и др. традиционных продуктов, удешевляет производ ство электродов, способствует повышению качества сварного шва, по вышает эффективность использования минеральных ресурсов.
В технологической цепи обогащения выявлен продукт батарей ных циклонов нефелинового производства, соответствующий требова ниям ТУ по содержанию фосфора и серы и рекомендованный для при менения. В ряде концентратов (сфеновом, титаномагнетитовом, киани товом, форстеритовом, флогопитовом и др.) после их получения на обо гатительном переделе, остается высоким содержание лимитируемых примесей – фосфора, серы, углеродсодержащих соединений, что требу ет дополнительной очистки таких компонентов.
Метод кислотной очистки от примесей Р и S, отработанный для сфенового концентрата, как показали наши исследования, оказался при годным для других концентратов и титанового шлака (табл. 1).
Изучены условия и отработаны режимы химической очистки сфе нового и титаномагнетитового концентратов растворами серной, соля ной и азотной кислот в зависимости от концентрации, удельного расхо да кислоты, времени и температуры процесса. Найденные условия ис пользованы на практике при наработке очищенных концентратов.
Апатит-нефелиновая руда Измельчение Цикл апатитовой флотации Хвосты апатитовой флотации Апатитовый Классификация концентрат Доизмельчение Магнитная сепарация Черновой титаномагнетитовый концентрат Цикл нефелиновой флотации Хвосты Нефелиновый Пенный продукт нефелиновой концентрат флотации Хвосты Получение концен Цикл получения тратов в ЦЛ ОПУ Цикл получения титаномагнетита «Пигмент» сфена Цикл получения Титаномагнетитовый эгирина концентрат Хвосты Эгириновый Сфеновый Хвосты концентрат концентрат Отвальные хвосты Рис.1. Схема производства концентратов на ОАО «Апатит».
На примере форстеритового концентрата проведено сравнение эффективности очистки от примеси Р2О5 2-х и 5%-ми растворами сер ной, азотной и соляной кислот. Содержание Р2О5 удалось снизить с 0. мас. %: для серной кислоты до 0.14 и 0.10;
для азотной до 0.10 и 0.07;
для соляной до 0.08 и 0.06. Лучшие результаты по очистке получены для 5% раствора соляной кислоты, худшие для 2%-й серной кислоты.
Разработан и запатентован способ проведения процесса очистки концентратов во взвешенном слое, повышающий полноту использова ния кислоты и эффективность очистки концентратов.
Предлагаемый метод очистки минеральными кислотами позволя ет снизить содержание фосфора и серы до требуемого значения – (0.1% по P2O5 и S). В аппарате взвешенного слоя (рис. 2) наработаны и направлены в ЦНИИ КМ «Прометей» на испытания в качестве компо нентов покрытия электродов опытные образцы очищенных концентра тов.
Таблица 1. Условия и результаты очистки концентратов (=3часа) Условия очистки Содержание примесей, мас. % до очистки после очистки Концентрат С Т:Ж H2SО4, % P2O5 P2O5 S Флогопитовый 5 1:3 0.83 0.026 0. Мусковитовый 2 1:3 0.045 0.012 0. Кианитовый 8 1:3 0.90 0.015 0. Диопсидовый 10 1:3 0.60 0.009 0. Форстеритовый 12 1:3 1.60 0.048 0. Оливиновый 5 1:3 0.60 0.02 0. Дунитовый 12 1:3 1.30 0.02 0. Мелилитовый 2 1:3 0.20 0.006 0. Кварц-полевошпатовый 5 1:3 0.18 0.010 0. Сфеновый 12 1:4 1.84 0.05 0. Титаномагнетитовый 2 1:4 0.30 0.008 0. Магнетитовый 10 1:4 0.40 0.009 0. Титановый шлак 5 1:4 0.09 0.001 0. Исходный продукт 1 – конус;
2 – расходная ем кость;
3 – насос;
4 – регулировочный клапан Вывод очищенного продукта Рис. 2. Установка для химической очистки концентратов во взве шенном слое.
Установлены режимы термической очистки кианитового, форсте ритового, ильменитового и сфенового концентратов от примесей соеди нений серы и углерода. При термообработке продуктов, содержащих сульфидные минералы и органические (углеродсодержащие) примеси, S и С удаляются в виде оксидов. Прокаливание концентратов в течение двух часов при температурах ~700-900°С позволяет снизить содержание углеродсодержащих веществ с 0.015-0.935 мас. % до 0.001-0.004 мас. % в пересчете на С;
содержание серы снижается с 0.73 до 0.030 мас.%. С использованием термического метода наработаны образцы и опытные партии продуктов. По данным РФА термообработка ильменита сопро вождается переходом его в псевдобрукит.
Изучены химический, минералогический составы и радиационные характеристики ильменитового (Гремяха-Вырмесское), перовскитового (Африкандское, Вуориярвинское), сфенового (Хибинское), титаномаг нетитового (Хибинское), доломитового (Хибинское), форстеритового (Ковдорское), оливинитового (Ковдорское), дунитового (Сопчеозёр ское), диопсидового (Ковдорское), мелилитового (Ковдорское), муско витового (Чупинское), флогопитового (Ковдорское), кианитового (Хи зоварское), нефелинового (Хибинское), кварц-полевого шпатового (Ён ское) концентратов, титанового шлака (из норвежского и кольского ильменита, хибинского титаномагнетита) с точки зрения дальнейшего их применения в качестве сырья для сварочных материалов.
На основе комплексного изучения минерального состава апатит нефелиновых руд впервые однозначно установлено, что причиной по вышенной эффективной удельной радиоактивности (Аэфф) сфенового концентрата является наличие в нем примеси перовскита. Сфеновый концентрат, выделенный из руды, не содержащей примеси перовскита, и мономинеральная фракция сфена, отобранная из концентрата с повы шенным уровнем удельной радиоактивности, относятся к I классу по НРБ-99 (Аэфф370 Бк/кг), т.е. не имеют ограничений использования по радиационному признаку. Предложены способы отделения примеси пе ровскита от сфена. С целью выяснения зависимости содержания перов скита в сфеновом концентрате от типа руды, технологической схемы и режимов обогащения в настоящее время проводится регулярный хими ческий, минералогический и радиационный контроль руды и концен тратов, а также поиск условий разделения сфена и перовскита на раз личных стадиях технологического процесса.
Установлено, что титаномагнетитовый, диопсидовый, кианито вый, мелилитовый, оливинитовый, сунгулитовый, доломитовый, фор стеритовый, дунитовый, кварц-полевошпатовый и нефелиновый кон центраты, титановый шлак из норвежского и кольского ильменита, а также отдельные пробы сфенового концентрата не имеют ограничений по использованию в производстве сварочных материалов по радиаци онному фактору. Повышенная эффективная удельная радиоактивность мусковитового и флогопитового концентратов связана в основном с со держанием калия-40. Титановый шлак из украинского ильменита по со держанию естественных радионуклидов относится к материалам II–III-го классов по НРБ-99.
Глава 4. Новые материалы в рецептурах покрытий свароч ных электродов.
Наряду с положительными результатами применения сырья Коль ского полуострова в составе покрытий электродов, для некоторых кон центратов отмечаются и негативные моменты, в основном связанные с появлением пористости металла шва. В частности, при использовании кианитового, нефелинового (сиенитового) концентратов, слюд в покры тии электродов основного типа, появляется пористость в металле шва, что ухудшает качество сварного соединения. Одной из основных при чин этого является взаимодействие компонентов покрытия с жидким стеклом.
Химические реакции между компонентами покрытия возможны как на стадии формирования покрытия электродов при комнатной тем пературе, так и при прокаливании до 400оС электродов. Наиболее ин тенсивно реакции протекают в сварочной дуге в расплавленной массе.
Нами изучено взаимодействие натриевого жидкого стекла, как наиболее реакционноспособного компонента, с другими составляющи ми покрытия сварочных электродов (глинозем, мрамор, рутиловый, флюоритовый концентраты) при температурах до 900оС. Методами дифференциально–термического анализа и РФА определяли характери стики и фазовый состав отдельных компонентов и их смесей при ком натной температуре, и после прокалки при 400оС и 900оС в течение часов.
Все индивидуальные исходные продукты, кроме мрамора, не пре терпевают структурных изменений до температуры 900оС. По данным РФА в процессе взаимодействия жидкого стекла с глиноземом про изошло образование продукта по характеристикам близким к нефелину – (NaAlSiO4)4. Отмечено появление небольшого количества корунда – Al2O3. Образование силиката кальция – Ca2SiO4 – зафиксировано при прокаливании смеси мрамора и жидкого стекла.
Подавление нежелательных взаимодействий оказалось возмож ным путем использования в покрытиях электродов комплексных ком понентов – минеральных сплавов (миналов). Выполненные в работе ис следования являются существенным дополнением работ ЦНИИ КМ «Прометей», в результате которых были совместно созданы минераль ные сплавы на основе использования в шихте нефелинового и сфеново го концентратов, нефелинового концентрата и глинозема, нефелинового концентрата и диоксида титана анатазной модификации.
При использовании опытных образцов указанных минеральных сплавов в качестве компонентов электродных покрытий отмечается зна чительное улучшение устойчивости электрической дуги, сварочного процесса в целом, с кардинальным улучшением технологических свойств электродов и качества металла сварных швов. Составы сфен нефелиновых миналов введены в научно-техническую документацию ЦНИИ КМ «Прометей» (ТУ5.965-11875-2004, РД5.УЕИА.3404-2004).
Исследованы взаимодействия сфен-нефелиновых миналов с жид ким стеклом методом РФА. Анализ рентгенограмм показывает, что от сутствуют взаимодействия миналов с жидким стеклом.
Использование минеральных сплавов в качестве компонентов электродных покрытий, агломерированных и керамических (спечённых) сварочных флюсов значительно расширяет возможности применения концентратов из минерального сырья Кольского полуострова.
Изменения состава шлака можно прогнозировать, используя диа граммы фазовых равновесий в соответствие с весомостью выборок трех или четырех основных компонентов из рассчитанного состава шлака.
Фазовые диаграммы соответствуют равновесным составам в системе, тогда как равновесие при сварке может не достигаться. Поэтому важно изучение фактического фазового состава. Нами проведено сравнение минерального состава покрытий электродов марок МР-3, ЭА400/10Т и ЭА400/10У и шлаков от сварки указанными электродами. В качестве основного метода исследований мы использовали РФА.
Несмотря на скоротечность процесса сварки в шлаках успевают образоваться новые соединения. Все шлаки в качестве одной из новых фаз содержали перовскит. Образование других новых фаз зафиксирова но для шлаков электродов марки ЭА400/10Т (ильменит, сложные окси ды титана, железа и марганца – Fe2MnTi3O10), и электродов марки ЭА 400/10У (оксид марганца – Mn3O4, фтороксид кремния и кальция – – опытная рецептура №1;
– опытная рецептура №2;
– опытная ре цептура №3 (см. табл. 2);
– марочная рецептура МР-3.
Рис. 3. Расположение фигуративных точек состава шлака опытных ре цептур 1, 2, 3 и марочной рецептуры электродов МР-3 на фазовых диаграммах.
СaSiO2F2). К сожалению, низкая чувствительность РФА не позволяет обнаруживать соединения при их содержании менее 5%.
Приведенные в работе, наиболее значимые фазовые диаграммы для шлака марочных электродов МР-3, с нанесенными на них точками рассчитанного состава шлака (на рис. 3 даны две диаграммы), подтвер ждают существование соединений обнаруженных рентгенофазовым анализом. Состав компонентов покрытий и рецептура определяют со став сварочных шлаков. Состав и свойства последних во многом опре деляют сварочно-технологические свойства электродов и эксплуатаци онные характеристики металла шва. В случаях использования новых видов сырья, например сфена, кианита, форстерита, оливина, сунгулита, мелилита, расчет составов шлака и их диагностика по фазовым диа граммам становятся не только необходимыми, но и неизбежными в процессе формирования рецептуры электродных покрытий.
Компьютерная программа, разработанная в ФГУП ЦНИИ КМ «Проме тей»: «Расчет состава сварочных шлаков, электродных покрытий и флюсов» (свидетельство РосАПО №960442 от 01.10.1996) и использо ванная в данной работе, позволяет значительно сократить время для расчета новой композиции и наглядно увидеть расположение выбороч ных точек шлака на различных диаграммах фазовых равновесий. По данным авторов программы наиболее предпочтительными следует счи тать точки, располагающиеся в области тройных эвтектик, перитектиче ских превращений и пограничных линий между зонами кристаллизации определенных минеральных соединений системы.
Нами были рассчитаны рецептуры опытных электродных по крытий, с использованием в их составе наряду с традиционными ком понентами сварочных материалов сырья Кольского полуострова: сфе нового, нефелинового, оливинитового, кианитового, форстеритового, доломитового, железорудного концентратов, мусковита и биотита. Доля новых материалов превышала 50%. Основной задачей, при расчете этих рецептур, ставилась возможность получения покрытий Ca-Mg компози ций с различным уровнем SiO2, Al2O3 и оксидов железа, с содержанием TiO2 близким к его уровню в современных фтористо-кальциевых по крытиях. Для выбора состава заданного шлака использованы фазовые диаграммы системы Al2O3–CaО–MgO–SiO2 с содержанием Al2O3 – 10, 15 и 20%. С учетом расположения на фазовых диаграммах фигуратив ных точек рассчитанных составов шлака, следует ожидать получения удовлетворительных сварочно-технологических свойств практически по всем рецептурам и возможность их улучшения.
В табл. 2 приведен возможный состав покрытия электродов МР-3, с использованием сырья Кольского полуострова. Данная марка электро дов является одной из наиболее массовых, она широко применяется для сварки металлических конструкций.
Таблица 2. Опытный состав покрытия электродов МР-3.
№ Состав покрытия, мас. % Компоненты п/п 1 2 1 Мрамор 9.6 9.2 18. 3 Рутил 2.6 14.3 23. 4 Магнезит сырой 18.3 18.3 17. 5 Сфеновый концентрат 29.0 17.5 2. 6 Ферромарганец 15.0 15.0 15. 7 Минал сфен-нефелиновый 15.5 15.6 – 8 Нефелиновый концентрат – – 13. 9 Na-K жидкое стекло (сухой остаток) 10.0 10.0 10. Рассмотрение диаграмм фазовых равновесий систем CaO-TiO2 Al2O3, SiO2-CaO-TiO2, SiO2-TiO2-Al2O3, MgO-SiO2-TiO2, с нанесенными на них расчетными точками составов шлака опытных, и марочной ре цептур электродов МР-3 (рис. 3) показывает, что следует ожидать бла гоприятных сварочно-технологических свойств от всех опытных рецеп тур электродов.
Глава 5. Модельные испытания и опытно-промышленное производство сварочных материалов Выполненные нами исследования (см. главы 2 и 3) позволили усовершенствовать и запатентовать технологию опытно промышленного производства сфенового концентрата для сварочных материалов на ОАО «Апатит». Ниже рассмотрена опытно промышленная установка (ОПУ) по получению химически очищенного сфенового концентрата мощностью 150 т/месяц из отходов переработки апатит-нефелиновых руд. Схема цепи аппаратов представлена на рис. 4.
Получаемый сфеновый концентрат содержит, мас. %: P2O5 0.04, TiO2 35.0, FeO+Fe2O3 2.5, S 0.1. Данный продукт соответствует требованиям составленных нами технических условий на очищенный сфеновый концентрат для сварочных электродов – ТУ №1715-069 00203938-2000 Концентрат сфеновый.
пенный про 1 – пульподелитель;
дукт обратной 6 2 – гидроциклон ГЦ-360;
нефелиновой флотации 3 – гидроциклон ГЦ-150;
2 7 H2SO4 4 – мокрый магнитный сепаратор 1 слабого поля ПБМ-ПП-90/250 ( кА/м);
5 – грохот ГПГ-0.75;
6 – мокрый магнитный сепаратор 8 5 сильного поля «Ридинг»;
7 – мерник серной кислоты;
8 – конус;
9 – аппарат для химочистки от не вода фелина V=10м3;
10 – аппарат для химочистки от H2SO4 3 15 апатита V=3.2м3;
11 – вакуум-фильтр, F=3м2;
12 – вертикальная печь ПЭВ-270;
13 – конвейер трубчатый цепной;
14 – бункер сфеноэгиринового про 16 дукта;
15 – емкость-накопитель V=90м3;
16 – нейтрализатор V=10м3;
10 17 – сухие магнитные сепараторы ЭВС-28/9 (1350 кА/м);
11 18 – контейнер;
8 отвальные хвосты;
получение сфенового кон центрата;
18 отвальные вода хвосты Рис.4.Схема цепи аппаратов получения химически очищенного сфенового концентрата.
Разработаны технические условия на опытные партии концентра тов для сварочных электродов – ТУ №1715-053-00203938-98 Концен трат минеральный для сварочных материалов групповые технические условия (ГТУ) на опытную партию (ОП);
ТУ 1715-058-00203938- Концентрат титаномагнетитовый химически очищенный.
ОПУ оказалась пригодной для очистки и других концентратов от примесей фосфора и серы. Её использовали для наработки опытных партий химически очищенных концентратов из сырья других месторо ждений Кольского полуострова.
Результаты многолетней эксплуатации ОПУ «Пигмент» на ОАО «Апатит» и наших исследований были использованы для разработки технико-экономического обоснования (ТЭО) создания производства сфенового концентрата. Основные расчеты выполнены ОАО «НИИГИПРОХИМ – Санкт-Петербург». ТЭО предусматривает создание 2-х технологических линий. Мощность каждой линии тыс.тонн в год. Полная мощность производства – 6 тыс.тонн в год.
В табл. 3 представлены основные технико-экономические показатели строительства производства химически очищенного сфенового концентрата мощностью 6000 тонн в год. По условиям разработки ТЭО срок окупаемости не должен быть более 5 лет. Такие сроки соблюдаются и составляют 4.8 года для 1-ой очереди (3000 тонн в год) и 4.1 года для полной мощности производства (табл. 3).
Таблица 3. Основные показатели производства очищенных сфенового, эгиринового концентратов и коагулянта-флокулянта.
Величина показателей Наименование показателей Ед. изм.
1-ая Полное очередь развитие 1. Мощность производства сфенового т/год 3000 концентрата 2. Объем инвестиций в строительство. всего млн.у.е. 6.109 11. 2.1. Строительно-монтажные работы млн.у.е. 3.458 6. 2.2. Оборудование млн.у.е. 2.104 4. 2.3. Прочие млн.у.е. 0.547 0. 3. Удельные капитальные вложения в тыс.у.е./т 2.036 1. производство сфенового концентрата 4. Стоимость ОПФ млн.у.е. 6.021 11. 5. Стоимость реализации товарной продукции. млн.у.е. 2.783 5. всего 5.1. Сфенового концентрата млн.у.е. 1.5 3. 5.2. АККФ млн.у.е. 1.233 2. 5.3. Химочищенного эгиринового концентрата млн.у.е. 0.05 0. 6. Среднегодовая стоимость реализации млн.у.е. 2.783 5. товарной продукции 7. Среднегодовые производственные издержки (себестоимость продукции) 7.1. На 1 тонну сфенового концентрата у.е. 517.1 442. 7.2. Годовые млн.у.е. 1.551 2. 8. Среднегодовая валовая прибыль млн.у.е. 1.232 2. 9. Среднегодовая чистая прибыль млн.у.е. 0.851 2. 10. Амортизационные отчисления млн.у.е. 0.434 0. 11. Окупаемость инвестиций лет 4.8 4. Нами также рассмотрен вариант создания производства широкого ассортимента компонентов сварочных материалов в готовом к употреб лению виде на основе сырья действующих горнорудных предприятий Кольского полуострова. При этом в качестве основной базы предполагается использовать производственные мощности ОАО «Апатит» по получению очищенного сфенового концентрата.
Минимальная мощность предприятия составляет 2.5 тыс.т./год компонентов сварочных материалов (форстеритовый, магнетитовый, оливинитовый, доломитовый и др. концентраты) и предназначена для удовлетворения внутренних потребностей региона. Именно для этой мощности рассчитаны экономические показатели. По мере увеличения мощности производства показатели будут улучшаться. Уникальность проекта состоит в том, что в одном месте сосредоточены сырье для про изводства компонентов сварочных материалов и производственные мощности, пригодные для их получения.
Создание производства новых компонентов сварочных материа лов в готовом для потребителей виде, в количестве достаточном для удовлетворения внутренних потребностей, из сырья действующих ме сторождений и техногенных отходов позволит повысить эффективность использования минеральных ресурсов. Одновременно уменьшается ко личество отходов горно-металлургических предприятий и достигается экономический эффект за счет более низкой стоимости ряда новых про дуктов. Общая стоимость проекта составляет 795 тыс.у.е., а временные затраты на создание производства – 23 мес. Следует также отметить со циальную значимость проекта, поскольку создаются новые рабочие места. Предпосылками успеха работы являются: обнадеживающие предварительные результаты по получению и применению предлагае мых компонентов сварочных материалов;
значительные запасы и дос тупность сырья для их изготовления;
производство компонентов сва рочных материалов возможно без существенных капитальных затрат на простаивающем оборудовании предприятий Мурманской области;
на личие необходимого квалифицированного персонала.
Общие выводы 1. Обоснован выбор сфенового, нефелинового (сиенитового), титано магнетитового, форстеритового, кианитового, ильменитового и дру гих концентратов как потенциальных компонентов сварочных мате риалов. Изучены их состав и радиационные характеристики.
2. Исследовано поведение лимитируемых примесей при очистке ком понентов сварочных материалов. Определены условия, позволив шие получить концентраты из сырья Кольского полуострова, соот ветствующие требованиям технических условий 3. Разработан и запатентован способ проведения процесса очистки концентратов во взвешенном слое, повышающий полноту использо вания кислоты и эффективность очистки концентратов. Предлагае мый метод очистки минеральными кислотами позволяет снизить со держание фосфора и серы до требуемого – (0.1% по P2O5 и S). На работаны и направлены в ЦНИИ КМ «Прометей» на испытания в качестве компонентов покрытия электродов опытные образцы очи щенных концентратов.
4. Установлено, что причиной повышенного содержания радионукли дов в сфеновом концентрате, из Хибинских месторождений, являет ся присутствие примеси перовскита. Разработаны предложения по отделению примеси перовскита из сфенового концентрата.
5. Исследовано модифицирование компонентов сварочных материалов легирующими элементами, способствующее повышению сварочно технологических характеристик электродов.
6. С использованием диаграмм фазовых равновесий неметаллических систем (оксиды Ca, Mg, Ti, Al, Si, Mn и Fe) предложены варианты композиций электродных покрытий на основе минеральных продук тов из сырья Кольского полуострова.
7. Подготовлены технические условия на очищенный сфеновый кон центрат (ТУ №1715-069-00203938-2000) и опытные партии концен тратов для сварочных электродов (ТУ №1715-053-00203938-98).
8. Усовершенствована, запатентована и реализована технология полу чения химически очищенного сфенового концентрата.
9. Выполненные экономические оценки создания производств очищенных сфенового (6 тыс.т./год) форстеритового, магнетитово го, оливинитового, доломитового и других концентратов (2. тыс.т./год) на базе ОАО «Апатит» свидетельствуют об их перспек тивности.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах:
1. Николаев, А.И. О перспективах создания производства сварочных электродов на ОАО «Апатит» / А.И. Николаев, Н.Я. Васильева, Ю.В. Плешаков, Ю.Д. Брусницын, В.Б. Петров, Ю.Г. Быченя //Комплексная переработка Хибинских апатитонефелиновых руд:
сб. науч. тр. – Апатиты: КНЦ РАН, 1999. – С. 90-97.
2. Николаев, А.И. Сырьевые ресурсы Кольского полуострова – источ ник новых сварочных материалов / А.И. Николаев, Ю.Д. Брусни цын, Ю.В. Плешаков, В.Б. Петров, Н.Я. Васильева // Новое в эколо гии и безопасности жизнедеятельности: сб. науч. тр. 4-ой Всеросс.
науч.-практ. конф. – С.-Петербург: 1999. – Т. 3. – С. 534.
3. Радиационная оценка новых сварочных материалов на основе сырья Карело-Кольского региона / А.И. Николаев, Н.А. Мельник, В.Б.
Петров, Ю.В. Плешаков, Ю.Д. Брусницын // Сварочное производст во. – 2000. – №1. – С. 50-53.
4. Васильева, Н.Я. Выбор, испытания на обогатимость и пригодность для сварочных материалов минерального сырья Кольского полуост рова / Н.Я. Васильева, Ю.В. Плешаков, А.И. Николаев, В.Б. Петров, Ю.Г. Быченя // Электродное производство на пороге нового тысяче летия: сб. мат. семинара. – С.-Петербург: 2000. – C. 135-140.
5. Характеристика сырьевой базы Карело-Кольского региона для про изводства сварочных материалов / А.И. Николаев В.Б. Петров, Ю.Г.
Быченя, Ю.В. Плешаков, Н.Я. Васильева, Ю.Д. Брусницын // Сва рочное производство. – 2000. – №5. – C. 36-40.
6. Николаев, А.И. Получение компонентов электродных покрытий и флюсов при химической очистке природных и технических продук тов от примесей серы и фосфора / А.И. Николаев В.Б. Петров, Н.Я.
Васильева, Ю.В. Плешаков, Ю.Д. Брусницын // Дуговая сварка. Ма териалы и качество на рубеже века: сб. докл. II-ой Междунар. конф.
по сварочным материалам стран СНГ, 4-8 июня 2001г., Орел. – Орел: 2001. – С. 172-174.
7. Брусницын, Ю.Д. О перспективах использования в электродном производстве минерального сырья Кольского полуострова / Ю.Д.
Брусницын, А.В. Баранов, А.И. Николаев, Н.Я. Васильева, Ю.В.
Плешаков // Дуговая сварка. Материалы и качество на рубеже века:
сб. докл. II-ой Междунар. конф. по сварочным материалам стран СНГ, 4-8 июня 2001г., Орел. – Орел: 2001. – С. 177-180.
8. Пат. 2174561 Российская Федерация, МПК 7 С 22 В 3/08, 34/12.
Способ переработки природного и техногенного кремний кальцийсодержащего концентрата с примесью фосфора / В.Б. Пет ров, Ю.Г. Быченя, Ю.В. Плешаков, А.И. Николаев, Н.Я. Васильева, Ю.Д. Брусницын;
заявитель и патентообладатель Ин-т химии и тех нологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананае ва КНЦ РАН. – №2000116352/02;
заявл. 20.06.00;
опубл. 10.10.01, Бюл. № 28.
9. Алексеев, А.И. Перспективы получения и использования сфенового концентрата из апатитонефелиновых руд / А.И. Алексеев, М.Е. Бы ков, Ю.В. Плешаков, В.Б. Петров А.И. Николаев // Наука и образо вание – 2002: мат. Всеросс. науч.-техн. конф. – Мурманск: 2002. – С.
570- 10. Плешаков, Ю.В. Технология комплексного обогащения хвостов апа титовой флотации / Ю.В. Плешаков, А.И. Алексеев, М.Е. Быков, А.И. Николаев // Фундаментальные проблемы комплексного ис пользования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных материалов: мат. Междунар. науч. конф., 1-4 апр. 2003г., Апатиты. – Апатиты: КНЦ РАН, 2003. – С. 89-90.
11. Технология комплексного обогащения хвостов нефелиновой флота ции / Ю.В. Плешаков, А.И. Алексеев, Ю.Е. Брыляков, А.И. Никола ев // Обогащение руд. – 2004. – №2. – С. 15-17.
12. Титановое и титано-редкометалльное сырье Кольского полуострова как источник традиционных и новых сварочных материалов / А.И.
Николаев, Л.Г. Герасимова, В.Б. Петров, Ю.В. Плешаков, Ю.Д.
Брусницын // Сварочное производство. – 2004. – №9. – С. 45-49.
13. Плешаков, Ю.В. Разработки новых композиций электродных по крытий и флюсов с использованием сырья Карело-Кольского регио на / Ю.В. Плешаков, Ю.Д. Брусницын, А.И Николаев // Комплекс ность использования минерально-сырьевых ресурсов – основа по вышения экологической безопасности региона: сб. науч. тр. – Апа титы: КНЦ РАН, 2005. – С. 91-98.
14. Николаев, А.И. Компоненты электродных покрытий и флюсов из сырья Карело-Кольского региона / А.И. Николаев, Ю.В. Плешаков, Ю.Д. Брусницын, В.Б. Петров // Использование природного и техно генного сырья Баренцева региона в технологии строительных и тех нических материалов: тез. докл. 2-ой Междунар. конф., Петроза водск. – Петрозаводск: 2005. – С. 150-152.
15. Сфеновый концентрат – перспективное титансодержащее сырье для получения пигментов и сварочных материалов / Ю.В. Плешаков, А.И. Алексеев, Л.Г. Герасимова, А.И. Николаев, Н.Я. Васильева // Обогащение руд. – 2005. – №4. – С. 34-37.
16. Исследование состава сфенового концентрата из апатит нефелиновых руд Хибинских месторождений / А.И. Николаев, В.Б.
Петров, Н.А. Мельник, Ю.В. Плешаков, Ю.Д. Брусницын // Цветная металлургия. – 2005. – № 11. – С. 37-46.
17. Пат. 2273524 Российская Федерация, МПК 7В03В 7/00, В03С 1/00.
Способ переработки пенного продукта обратной нефелиновой фло тации / Ю.Е. Брыляков, М.Е. Быков, Н.Я. Васильева, А.Н. Скрябин, А.И. Алексеев, В.Ф. Плахин, Ю.В. Плешаков;
заявитель и патенто обладатель Открытое акционерное общество «Апатит», – №2004111619/03;
заявл. 16.04.04.;
опубл. 10.04.06, Бюл. № 10.