CC BY
28
Характеристики угольных концентратов
Угольный Теханализ Пластометрия Петрография
концентрат W, % Л", % Vй*, % &, % X, мм У, мм ¥Г, % Я
ГЖ и Ж 10,5 7,8 38,0 0,56 17 24 85,0 0,560 0,864
Ж 8,6 8,1 38,2 0,67 -2 34 93,0 0,045 0,853
В настоящей работе с использованием программного комплекса «Терра», созданного в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана [7], проведено термодинамическое моделирование восстановления железа из конвертерных шламов. Программа позволяет производить расчеты равновесного состава фаз и термодинамических свойств произвольных систем при химических и фазовых превращениях. Реализованный метод, сущность которого заключается в нахождении максимума энтропии системы как функции состава и температуры [7], основан на вариационных принципах термодинамики.
Проведено исследование процесса восстановления железа из конвертерного шлама следующего химического состава: 64,17 % Fe2O3; 1,82 % FeO; 4,60 % MgO; 16,71 % СaO; 5,76 % SiO2; 0,19 % К2О; 0,07 % V2O5; 0,10 % Cr2Oз;
0,63 % С; 1,11 % ZnO; 0,06 % CuO; 0,11 % PbO; 1,08 % MnO; 1,93 % Al2Oз; 0,88 % Na2O; 0,32 % P2O5; 0,21 % ТО; 0,24 % S (по массе).
В качестве восстановителей использовали концентрат ЦОФ «Кузнецкая», состоящий из 50 % газового жирного (ГЖ) и 50 % жирного (Ж) углей, а также концентрат угля марки Ж Межэгейского месторождения. Характеристики угольных концентратов приведены в таблице.
Исследование влияния расхода восстановителя на параметры процесса проводили в модельной системе, представленной 100 кг конвертерного шлама. Количество угольного концентрата варьировали в диапазоне 5 - 100 кг. При температуре 1100 °С рассчитывали равновесные составы. Результаты расчетов для процесса восстановления концентратами ЦОФ «Кузнецкая» ГЖ и Ж, а также угля марки Ж Межэгейского месторождения приведены на рис. 1.
Расход угля, кг/100 кг шлама
Рис. 1. Зависимость состава конденсированной фазы процесса восстановления конвертерного шлама от расхода концентрата углей марок ГЖ и Ж Кузнецкой ЦОФ (а) и угля марки Ж Межэгейского месторождения (б):
◊ - С; □ - Ее; Д - FeO; о - Fe3C
Исследуемые концентраты как восстановители имеют аналогичные свойства, которые определяются их составом. Полное восстановление железа происходит при расходе угольного концентрата 20 кг/100 кг шлама; при этом значении содержание восстановленного железа максимально и для концентрата ЦОФ «Кузнецкая» ГЖ и Ж составляет 58,5 %, а для угля марки Ж Межэгейского месторождения - 60,1 %. Оксид железа отсутствует. При увеличении расхода восстановителя концентрация железа снижается, содержание его карбида растет. При расходе концентрата ЦОФ «Кузнецкая» ГЖ и Ж 40 кг/100 кг шлама концентрация карбида железа максимальна и составляет 56,4 %. Для концентрата марки Ж Межэгейского месторождения максимальное содержание карбида кремния составляет 61 % при его расходе 30 кг/100 кг шлама. При дальнейшем увеличении расхода восстановителя содержание карбида железа снижается за счет разбавления конденсированной фазы из-за избытка углерода в системе. Газовая фаза состоит преимущественно из оксида углерода СО. Таким образом, для полного восстановления железа минимальный расход угольных концентратов из углей марок ГЖ и Ж Кузнецкой ЦОФ, а также Ж Межэгейского месторождения аналогичен и составляет 20 кг/100 кг конвертерного шлама. При необходимости получения феррококса с регламентированным содержанием углерода удельные расходы угольных концентратов могут быть определены по соотношениям:
- для смеси углей марок ГЖ и Ж Кузнецкой ЦОФ
М = 21,94 + 1,68С + 0,02С2;
- Ж Межэгейского месторождения
М = 21,62 + 1,52С + 0,02С2.
где С - содержание углерода, %; М - расход концентрата, кг/100 кг шлама.
На рис. 2 представлены результаты исследования влияния температуры на процесс восстановления. При расходах 20 кг/100 кг шлама были рассчитаны равновесные составы в диапазоне температур 100 - 1600 °С. Температурные зависимости состава конденсированной фазы процесса восстановления конвертерного шлама концентратами углей марок ГЖ и Ж Кузнецкой ЦОФ и угля марки Ж Межэгейского месторождения идентичны. Анализ результатов расчетов показывает, что оксид железа FeзO4 существует
при температурах ниже 600 °С, FeO - в диапазоне температур 500 - 700 °С. При температу-
Температура, С
Температура, С
Рис. 2. Температурные зависимости состава конденсированной фазы процесса восстановления конвертерного шлама концентратами углей марок ГЖ и Ж Кузнецкой ЦОФ (а), и угля марки Ж Межэгейского месторождения (б):
◊ - С; □ - Fe; Д - FeO; о - Fe3C; х - Fe3О4
рах 500 - 900 °С восстановленное железо находится в виде карбида, выше 900 °С - в системе присутствует только чистое железо. При низких температурах газовая фаза состоит преимущественно из СН4, при температурах выше 900 °С - из СО. Таким образом, для полного восстановления железа необходимы температуры не ниже 900 °С.
Выводы. С использованием программного комплекса «Терра» проведено термодинамическое моделирование восстановления железа при производстве феррококса с применением адсорбционного обезвоживания и термохимического окускования конвертерных шламов. Установлено, что при использовании в качестве восстановителей концентратов ЦОФ «Кузнецкая» (состоящего из 50 % газового жирного (ГЖ) и 50 % жирного (Ж) углей) и угля марки Ж Межэгейского месторождения полное восстановление железа происходит при их расходе 20 кг/100 кг шлама. Для получения феррококса с регламентированным содержанием углерода получены расчетные соотношения. Установлено, что для полного восстановления железа термохимическое окускование шлама в смеси со спекающимися углями необходимо проводить при температурах не ниже 900 °С.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дорофеев Г.А. Перспективы применения синтетических композиционных материалов в электродуговых печах // Сталь. 2015. № 10. С. 13 - 16.
2. Шахпазов Е.Х., Дорофеев Г.А. Новые синтетические композиционные материалы и технология выплавки стали с их использованием. - М.: Интерконтакт Наука, 2008. -272 с.
3. Ульянов В.П., Булавин В.И., Бутенко А.Н. Термическая переработка нефть- и железосодержащих промышленных отходов с получением товарной продукции // Интегрированные технологии и энергосбережение. 2004. № 3. С. 48 - 53.
4. А.с. 1151768 СССР. Способ утилизации маслоокалиносодержащих отходов / В.П. Ульянов, А.Г. Злобин, Г.С. Умнов и др. // Открытия. Изобретения. 1985. № 15. С. 115.
5. Тайц Е.М. Кокс и железококс на основе брикетирования. - М.: Металлургия, 1965. - 173 с.
6. Школлер М.Б., Протопопов Е.В., Кузнецов С.Н., Темлянцев М.В., Иванов В.П. Разработка основ технологии адсорбционного обезвоживания и термохимического окус-кования конвертерных шламов // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии. 2016. Вып. 37. С. 46 - 53.
7. Трусов Б.Г. Программная система ТЕРРА для моделирования фазовых и химических равновесий при высоких температурах. - В кн.: III межд. симпозиум «Горение и плаз-мохимия». 24 - 26 августа 2005. Алматы, Казахстан. - Алматы: Казак. университету 2005. С. 52 - 57.
© 2017 г. С.Н. Кузнецов, И.А. Рыбенко, Е.В. Протопопов, М.В. Темлянцев, С.В. Фейлер Поступила 01 февраля 2017 г.
_ГОРНОЕ ДЕЛО И ГЕОТЕХНОЛОГИИ_
УДК 551.3.051.5
Я.М. Гутак1, Д.А. Рубан2
1Сибирский государственный индустриальный университет 2Южный федеральный университет
НЕСОГЛАСИЯ И ПЕРЕРЫВЫ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕЖДУНАРОДНОЙ ТЕРМИНОЛОГИИ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
РОССИЙСКИМИ СПЕЦИАЛИСТАМИ
Термины «несогласие» и «перерыв» являются фундаментальными в геологии, характеризуют нарушения континуума в осадочных последовательностях. В отечественной литературе эти термины достаточно однозначны и в целом их использование не вызывает каких-либо трудностей. Согласно классическим определениям в "Геологическом словаре" [1] несогласное залегание слоев осадочных пород проявляется в последовательности, где более древние отложения отделены от более молодых поверхностью, соответствующей перерыву, который, в свою очередь, явился следствием прекращения седиментации с размывом ранее накопленных слоев или без такового. Выделяются различные типы несогласий, среди которых наиболее примечательно угловое, являющееся следствием тектонических деформаций во время перерыва. Сходная трактовка характерна для многих работ Советского периода (например, см. [2]), доминирует она и в настоящее время.
Международная терминология, касающаяся нарушений континуума осадочных последовательностей, гораздо более разнообразна. В частности, используются следующие термины: unconformity (в том числе angular unconformity), disconformity, discontinuity, diastem, hiatus, sedimentary (sedimentation) break, stratigraphic gap и non-deposition. Первые три видятся сопоставимыми с термином несогласие, а следующие пять - с термином перерыв. Однако такая синонимичность является только кажущейся, так как эти термины имеют свои коннотацион-ные особенности, проявляющиеся в том числе и в том, как ими пользуются зарубежные специалисты. Привлечь внимание российских ученых к подобного рода вопросам необходимо по причине того, что отечественная геологическая наука все быстрее интегрируется в мировую. При обращении к англоязычным работам специалист может оказаться дезориентирован отмеченной выше множественной
терминологией и испытает еще большие трудности при подготовке статей в крупные международные журналы. Наконец, вполне возможна ситуация, что при использовании таких инновационных инструментов, как секвентная стратиграфия возникнет путаница и в русскоязычной терминологии вследствие «калькирования» или некорректного применения англоязычных терминов.
Целью настоящей работы является анализ отмеченных выше терминов, касающихся несогласий и перерывов, в контексте их использования в современных работах зарубежных ученых.
Прежде всего попробуем разобраться в особенностях терминов, исходя из их классического понимания [3, 4]. Unconformity - это любое хорошо выраженное несогласие, которое может быть, в частности, параллельным (disconformity) и угловым (angular unconformity). Эти термины обозначают соотношение более древних и более молодых слоев. Hiatus - это перерыв, что следует понимать и как поверхность в изучаемом разрезе, и как соответствующий временной интервал. Diastem - очень короткий перерыв. Discontinuity - это любое нарушение непрерывности, в том числе фиксируемое геофизическими методами. При этом стоит отметить, что даже в классическом варианте терминология не была в должной степени упорядоченной [3, 4]. Так, понятие disconformities иногда исключали из более широкого по определению понятия unconformity (в таком случае термин angular unconformity по сути превращается в плеоназм [5]). Более того, эти понятия использовали по отношению к несогласиям, маркирующим крупные региональные перерывы, коррелируемые с осадочными толщами на других территориях.
Теперь стоит обратиться к «свежей» работе крупнейшего канадского стратиграфа Э. Май-алла [6], в которой сделана попытка система-
