1

На 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 технологии 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 сырьевая 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, исчерпывание 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, способствующей 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 зарубежья.

В связи с этим, появилась необходимость изучения регионального сырьевого комплекса как эффективного средства усовершенствования производства и минимизации затрат на производство сварочных материалов при сохранении или улучшении их качества. Многие продукты, замещающие традиционные компоненты сварочных материалов, могут быть получены из минерального и техногенного сырья Кольского полуострова. Не менее важным является и улучшение социальноэкономической обстановки за счет создания новых рабочих мест и производства рентабельной продукции.

Замена традиционного сырья на новое, полученное из руд других месторождений или из техногенных отходов, является не простой задачей. Требуется дополнительное изучение свойств этого сырья, создание технологии получения компонентов сварочных материалов, включающей кондиционирование их до требований потребителей. Разрабатываемые схемы являются сложными. Они предполагают необходимость проведения дополнительных систематических исследований и модельных испытаний по наработке компонентов сварочных материалов и формированию на их основе новых рецептур сварочных электродов.

Работа выполнялась в соответствии с приоритетными направлениями фундаментальных исследований РАН по химическим наукам и наукам о материалах (Пункт 4.6. Разработка эффективных экологически чистых и максимально безопасных технологических процессов переработки природного сырья), критических технологий федерального уровня (Пункт 7.4. Природоохранные технологии, переработка и утилизация техногенных образований и отходов) и программой ОХНМ РАН «Научные основы ресурсо - и энергосбережения в процессах переработки минерального техногенного и возобновляемого сырья» по проекту «Разработка научных основ технологии сварочных материалов на основе новых 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 отходов» и планами ОАО «Апатит» по комплексному использованию апатит-нефелиновых руд.

Цель работы:

Изучение минерально-сырьевой базы, в том числе техногенных отходов, для производства компонентов сварочных материалов. Разработка 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 получения очищенного сфенового, титаномагнетитового, форстеритового, кианитового и других концентратов как сырья для изготовления сварочных материалов;

• Выполнить технико-экономическую оценку технологии получения сварочных материалов из сырья Кольского полуострова.

Научная новизна:

• Впервые выполнено комплексное исследование состава и радиационных характеристик потенциальных компонентов сварочных материалов и обоснован выбор сфенового, нефелинового (сиенитового), титаномагнетитового, форстеритового, кианитового, ильменитового и других концентратов;

• Исследовано поведение лимитируемых примесей при очистке компонентов сварочных материалов. Определены условия, позволившие получить концентраты из сырья Кольского полуострова, соответствующие требованиям технических условий;

• Установлено, что причиной повышенного содержания радионуклидов в сфеновом концентрате, из Хибинских месторождений, является присутствие примеси перовскита;

• Исследовано модифицирование компонентов сварочных материалов легирующими элементами, способствующее повышению сварочно-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 – компоненты сварочных материалов;

• Предложены составы композиций сварочных материалов с использованием сырья Кольского полуострова;

• Выполнен расчет технико-экономической эффективности схемы получения концентратов для производства сварочных материалов;

• Усовершенствована и реализована технология получения химически 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 исследования, использованием стандартных методик, включая факторное планирование эксперимента, статистическую обработку результатов. Обоснованность предлагаемых технологических схем подтверждена опытнопромышленными испытаниями на реальных объектах.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Изучение состава и характеристик компонентов сварочных материалов из сырья Кольского полуострова;

• Технология очистки компонентов сварочных материалов от примесей фосфора, серы и углерода;

• Технологическая схема получения химически очищенного сфенового концентрата из хвостов обратной нефелиновой флотации;

• Составы возможных композиций сварочных материалов с использованием сырья Кольского полуострова, рассчитанные по фазовым диаграммам состояния неметаллических систем с использованием программы: «Расчет состава сварочных шлаков, электродных покрытий и флюсов».

Личный вклад автора:

Исследования, представленные в диссертации, являются результатом работы автора, который в значительной мере самостоятельно участвовал в планировании и выполнении экспериментов, обработке результатов, написании публикаций и подготовки заявок на патенты. Автор лично участвовал на всех стадиях опытной и опытнопромышленной отработки технологии получения компонентов сварочных 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 образование – 2002». Мурманск. 2002.

• Международной научной конференции: «Фундаментальные проблемы комплексного использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных материалов». Апатиты.

2003.

• Конференции молодых ученых: «Комплексность использования минерально-сырьевых ресурсов – основа повышения экологической безопасности региона». Апатиты. 2004.

• 2-ой Международной конференции: «Использование природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов». Петрозаводск. 2005.

По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 6 статей, 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 рисунков. 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 основные задачи, показана научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1 Литературный обзор: Сырьевая база для производства компонентов сварочных материалов Рассмотрение действующих и перспективных месторождений Кольского полуострова и Карелии позволило выявить большую группу источников сырья, потенциально пригодных для переработки на компоненты сварочных материалов – электроды, плавленные, агломерированные и керамические флюсы. Среди них: сфеновый, титаномагнетитовый, ильменитовый, оливинитовый, форстеритовый, нефелиновый (сиенитовый), кианитовый и другие концентраты. Указанные концентраты содержат в своем составе те же химические элементы, что и традиционные компоненты для сварочных материалов. Источником некоторых из них являются отходы переработки комплексных руд ряда месторождений (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 концентратов и продуктов их переработки, уточнения и проверки в укрупненном масштабе условий получения партий продуктов, соответствия их требованиям технических условий на продукцию для сварочных материалов, а при необходимости возможности доочистки, в первую очередь, от лимитируемых примесей фосфора и серы. Практически в литературе 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 аналитические методики позволили выполнить комплексные исследования по отработке и проверке отдельных операций и схем в целом. Описаны, методы исследований. Метрологические характеристики использованных методов подтверждают достоверность приведенных в данной работе результатов исследований.

Глава 3. Исследование минеральных концентратов как потенциального сырья для производства компонентов сварочных материалов.

С целью расширения минеральной базы для производства сварочных материалов, за счет вовлечения доступных сырьевых продуктов Кольского полуострова, оценена возможность получения кондиционных компонентов сварочных материалов на обогатительном переделе и снижения содержания примесей до требований технических условий с использованием обогатительных и химических методов.

Минеральные концентраты – нефелиновый (сиенитовый), титаномагнетитовый и сфеновый, выделяемые из отходов обогащения руд Хибинских месторождений (рис. 1), содержат цветные, редкие тугоплавкие и щелочные элементы и относятся к природнолегированным материалам. Их применение в составе покрытий электродов вместо рутила, глинозема, корунда и др. традиционных продуктов, удешевляет производство электродов, способствует повышению качества сварного шва, повышает эффективность использования минеральных ресурсов.

В технологической цепи обогащения выявлен продукт батарейных циклонов нефелинового производства, соответствующий требованиям ТУ по содержанию фосфора и серы и рекомендованный для применения. В ряде концентратов (сфеновом, титаномагнетитовом, кианитовом, форстеритовом, флогопитовом и др.) после их получения на обогатительном переделе, остается высоким содержание лимитируемых примесей – фосфора, серы, углеродсодержащих соединений, что требует дополнительной очистки таких компонентов.

Метод кислотной очистки от примесей Р и S, отработанный для сфенового концентрата, как показали наши исследования, оказался пригодным для других концентратов и титанового шлака (табл. 1).

Изучены условия и отработаны режимы химической очистки сфенового и титаномагнетитового концентратов растворами серной, соляной и азотной кислот в зависимости от концентрации, удельного расхода кислоты, времени и температуры процесса. Найденные условия использованы на практике при наработке очищенных концентратов.

Черновой титаномагнетитовый Отвальные 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 серной, 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 использования кислоты и эффективность очистки концентратов.

Предлагаемый метод очистки минеральными кислотами позволяет 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 компонентов покрытия электродов опытные образцы очищенных концентратов.

Таблица 1. Условия и результаты очистки концентратов (=3часа) Рис. 2. Установка для химической очистки концентратов во взвешенном слое.

Установлены режимы термической очистки кианитового, форстеритового, ильменитового и сфенового концентратов от примесей соединений 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 сопровождается переходом его в псевдобрукит.

Изучены химический, минералогический составы и радиационные характеристики ильменитового (Гремяха-Вырмесское), перовскитового (Африкандское, Вуориярвинское), сфенового (Хибинское), титаномагнетитового (Хибинское), доломитового (Хибинское), форстеритового (Ковдорское), оливинитового (Ковдорское), дунитового (Сопчеозёрское), диопсидового (Ковдорское), мелилитового (Ковдорское), мусковитового (Чупинское), флогопитового (Ковдорское), кианитового (Хизоварское), нефелинового (Хибинское), кварц-полевого шпатового (Ёнское) 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 апатитнефелиновых руд впервые однозначно установлено, что причиной повышенной 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 повышенным уровнем удельной радиоактивности, относятся к I классу по