ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2020-6-1347-1356ipolytech-460Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMETALLURGY AND MATERIALS SCIENCEК вопросу ресурсо- и энергосбережения в производстве корундаIssues of resource and energy saving in corundum productionПаляницинП. С.PalyanicinP. S.

Паляницин Павел Сергеевич, aспирант

199106, г. Санкт-Петербург, Васильевский о-в, 21 линия, 2

Pavel S. Palyanicin, Postgraduate Student

2, 21st Line, St. Petersburg 199106

ppalyanitsin@yandex.ruПетровП. А.PetrovP. A.

Петров Павел Андреевич, кандидат технических наук, декан факультета переработки минерального сырья

199106, г. Санкт-Петербург, Васильевский о-в, 21-я линия, 2

Pavel A. Petrov, Cand. Sci. (Eng.), Dean of the Faculty of Mineral Raw Material Processing

2, 21st Line, St. Petersburg 199106

petrov_pa3@pers.spmi.ruБажинВ. Ю.BazhinV. Yu.

Бажин Владимир Юрьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматизации технологических процессов и производств

199106, г. Санкт-Петербург, Васильевский о-в, 21-я линия, 2

Vladimir Yu. Bazhin, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of Automation of Technological Processes and Production

2, 21st Line, St. Petersburg 199106

bazhin-alfoil@mail.ruСанкт-Петербургский горный университетРоссияSaint Petersburg Mining UniversityRussian Federation20201301202124613471356Copyright © Паляницин П.С., Петров П.А., Бажин В.Ю., 20212021Паляницин П.С., Петров П.А., Бажин В.Ю.Palyanicin P.S., Petrov P.A., Bazhin V.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/460

Цель - изучение и определение перспективных направлений и технических решений для повышения ресурсосбережения и энергоэффективности в производстве корунда, на основе проведенного патентного исследования по совершенствованию и оптимизации плавки. Пути оптимизации процесса получения корунда рассматривались по трем направлениям с точки зрения энергосбережения. Первое направление связано с развитием перспективных технических разработок, которые были изучены для выбора рациональных рабочих режимов и определения основных факторов, влияющих на скачки напряжения в течение технологического процесса и выход годной продукции. Рассмотрены условия для снижения удельных энергозатрат и повышение экологичности производства на всех стадиях от изотермического спекания корунда, получения электрокорунда, мелкокристаллического корунда до монокристаллов корунда. Второе направление – оптимизация производства корунда на всех стадиях для разработки оптимального алгоритма управления технологическим процессом, при этом возможно снижение расхода электроэнергии на 10–12% по сравнению с действующими нормативами. Третье направление – разработка технических решений с изменением отдельных конструктивных узлов печных агрегатов, а именно: использование современных комплектующих и новых теплоизоляционных материалов, а также применение отработанных теплоносителей в качестве источников вторичных энергоресурсов, ввод дополнительных контроллеров автоматизированной системы управления процессом. Аналитическое исследование показало, что результатом оптимизации должны являться модернизированные конструкции установок и электрического оборудования, которые могут обеспечить максимальный электрохимический КПД и соответствующую герметичность печей. Разработаны критерии энергоснабжения и качества электроэнергии, позволяющие стабилизировать материальный баланс печи и решить вопросы ресурсосбережения. Данные мероприятия позволяют снизить потерю сырья до 20–25%, удельное энергопотребление в процессе производства корунда на 2 –3 тыс. кВт.ч на 1 т.

The purpose of this article is study and identification of the most promising trends and engineering solutions in order to improve resource saving and energy efficiency in the production of corundum on the basis of the conducted patent review on melting improvement and optimization. The ways to optimize the corundum production are considered in three directions from the point of view of energy saving. The first direction relates to the development of promising engineering developments. The latter are studied to select rational operating modes and determine the main factors affecting voltage surges during the technological process and useful product yield. Consideration is given to the conditions for reducing specific energy consumption and improvement of production environmental friendliness at all stages beginning from isothermal sintering of corundum, production of electrocorundum, fine corundum to single corundum crystals. The second direction is the optimization of corundum production at all stages for the development of an optimal control algorithm for the technological process. In this case the electricity consumption might be reduced by 10-12% as compared to current standards. The third direction is the development of engineering solutions involving the change of individual structural units of furnaces, namely, the use of modern components and new heat insulating materials, as well as the application of spent heat carriers as the sources of secondary energy resources and the introduction of additional controllers of the automated control system of the process. The analytical study has shown that the result of optimization should be upgraded designs of plants and electrical equipment, which can provide maximum electrochemical efficiency, and corresponding furnace tightness. Criteria for energy supply and energy quality making possible to stabilize furnace material balance and solve resource saving issues have been developed. These measures allow to reduce the loss of raw materials up to 20-25%, the specific energy consumption under the production of corundum by 2-3 thousand kWh per 1 t.

энергосбережениепроизводство корундаглиноземэнергопотреблениекоэффициент полезного действияоптимизация технологического процессаenergy savingcorundum productionaluminaenergy consumptionefficiencyprocess optimizationРабота выполнена в рамках Государственного задания по проекту № FSRW-2020-0014 на 2020 год. Тема: «Развитие междисциплинарных направлений комплексного освоения недр земли и сохранения природы». Направление (тематика на 2020 год): Аналитический обзор и разработка концепции комплексной переработки минерального и техногенного сырья с газификацией твердого углеводородного сырья.ReferencesNiżankowski C. Manufacturing sintered corundum abradants // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2002. Vol. 2. P. 53–64. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6090-2Niżankowski C. Manufacturing sintered corundum abradants. Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2002;2:53–64. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6090-2Zeidler S., Posch Th., Mutschke H. Mid-infrared properties of corundum, spinel, and α-quartz, potential carriers of the 13 μm feature // Asronomy and Astrophysics. 2013. Vol. 553. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201220459Zeidler S, Posch Th, Mutschke H. Mid-infrared properties of corundum, spinel, and α-quartz, potential carriers of the 13 μm feature. Asronomy and Astrophysics. 2013;553. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201220459Богданов С.П., Гаршин А.П., Сычев М.М. Бронеке- рамика на основе порошков корунда "ядро-оболочка" // Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка: сб. докл. XI Междунар. симпозиума: в 2 ч. (г. Минск, 10–12 апреля 2019 г.). Минск: ИД «Белорусская наука», 2019. Ч. 1. С. 424–430.Bogdanov SP, Garshin AP, Sychev MM. Armor ceramics based on corundum core-shell powders. In: Poroshkovaya metallurgiya: inzheneriya poverhnosti, novye poroshkovye kompozicionnye materialy. Svarka: sbornik dokladov XI Mezhdunarodnogo simpoziuma = Powder Metallurgy: Surface Engineering, New Powder Composite Materials. Welding: collected reports of XI International symposium: 10–12 April 2019, Minsk. Minsk: Belorusskaya nauka; 2019, part. 1, р. 424–430.Nadolny K. State of the art in production, properties and applications of the microcrystalline sintered corundum abrasive grains // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. Vol. 74. P. 1445–1457. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6090-2Nadolny K. State of the art in production, properties and applications of the microcrystalline sintered corundum abrasive grains. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014;74:1445–1457. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6090-2Данчевская М.Н., Ивакин Ю.Д., Багдасаров Х.С., Антонов Е.В., Костомаров Д.В., Панасюк Г.П. Синтетический мелкокристаллический корунд – новое сырье для выращивания лейкосапфира // Перспективные материалы. 2009. № 4. С. 28–33.Danchevskaya MN, Ivakin YuD, Bagdasarov ChS, Antonov EV, Kostomarov DV, Panasyuk GP. Synthetic finecrystalline corundum – new raw material for leucosapphire single crystals growth. Perspektivnye materialy. 2009;4:28–33. (In Russ.)Li Zi-cheng, Li Zhi-hong, Zhang Ai-ju, Zhu Yu-mei. Influence of thermal treatment conditions on twodimensional crystal growth of nanocrystal corundum abrasives // Materials Research Bulletin. 2009. Vol. 44. Issue 4. P. 762–767. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2008.09.026Li Zi-cheng, Li Zhi-hong, Zhang Ai-ju, Zhu Yu-mei. Influence of thermal treatment conditions on twodimensional crystal growth of nanocrystal corundum abrasives. Materials Research Bulletin. 2009;44(4):762–767. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2008.09.026Mccormick M. Asia-Pacific leading world’s corundum production [Электронный ресурс]. URL: https://www.indmin.com/Article/3499879/Regulation-LatestNews/Asia-Pacific-leading-worlds-corundumproduction.html (07.08.2020).Mccormick M. Asia-Pacific leading world’s corundum production. Available from: https://www.indmin.com/Article/3499879/Regulation-LatestNews/Asia-Pacific-leading-worlds-corundumproduction.html [Accessed 07th August 2020].Klyuev R.V., Bosikov I.I., Alborov A.D. Research and mathematical modeling of the thermal and power performance of resistance furnaces at metallurgical enterprises // Lecture Notes in Electrical Engineering. 2020. Vol. 641. Р. 630–636. http://doi.org/10.1007/978-3-030-39225-3_69Klyuev RV, Bosikov II, Alborov AD. Research and mathematical modeling of the thermal and power performance of resistance furnaces at metallurgical enterprises. Lecture Notes in Electrical Engineering. 2020;641:630– 636. http://doi.org/10.1007/978-3-030-39225-3_69Жуковский Ю.Л., Сизякова Е.В. Внедрение системы энергосбережения и энергоэффективности на предприятиях металлургического комплекса // Записки горного института. 2013. № 202. С. 155–160.Zhukovskiy YL, Sizyakova EV. The introduction of the system of energy saving and energy efficiency at the enterprises of metallurgy. Zapiski Gornogo Instituta. 2013;202:155–160. (In Russ.)Пингин В.В., Третьяков Я.А., Радионов Е.Ю., Немчинова Н.В. Перспективы модернизации ошиновки электролизера С-8БМ (С-8Б) // Цветные металлы. 2016. № 3. С. 35–41. http://doi.org/10.17580/tsm.2016.03.06Pingin VV, Tretyakov YaA, Radionov EYu, Nemchinova NV. Modernization prospects for the bus arrangement of electrolyzer S-8BM (S-8B). Tsvetnye metally. 2016;3:35–41. (In Russ.) http://doi.org/10.17580/tsm.2016.03.06Shakhrai S.G., Nemchinova N.V., Kondrat’ev V.V., Mazurenko V.V., Shcheglov E.L. Engineering solutions for cooling aluminum electrolyzer exhaust gases // Metallurgist. 2017. Vol. 60. No. 9-10. P. 973–977. http://doi.org/10.1007/s11015-017-0394-zShakhrai SG, Nemchinova NV, Kondrat’ev VV, Mazurenko VV, Shcheglov EL. Engineering solutions for cooling aluminum electrolyzer exhaust gases. Metallurgist. 2017;60(9-10):973–977. http://doi.org/10.1007/s11015-017-0394-zЯрошенко Ю.Г., Гордон Я.М., Ходоровская И.Ю. Энергоэффективные и ресурсосберегающие техноло- гии черной металлургии. Екатеринбург: ОАО «УИПЦ», 2012. 670 с.Yaroshenko YuG, Gordon YaM, Khodorovskaya IYu. Energy-efficient and resource-saving technologies of ferrous metallurgy. Ekaterinburg: UIPTs; 2012, 670 р. (In Russ.)Косенко Н.Ф., Филатова Н.В., Грехнев А.Ю. Кинетика активированного изотермического спекания ко- рунда // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2006. Т. 49. № 4. С. 56–58.Kosenko NF, Filatova NV, Grekhnev AYu. Kinetics of activated isothermal sintering of corundum. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Seriya: Himiya i himicheskaya tekhnologiya = Russian Journal of Chemistry and Chemical Technology. Series: Khimiya i Khimicheskaya Tekhnologiya. 2006;49(4):56–58. (In Russ.)Rashad A.M. Vermiculite as a construction material – a short guide for civil engineer // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 125. P. 53–62. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.08.019Rashad AM. Vermiculite as a construction material – a short guide for civil engineer. Construction and Building Materials. 2016;125:53–62. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.08.019Kariya J., Ryu J., Kato Y. Development of thermal storage material using vermiculite and calcium hydroxide // Applied Thermal Engineering. 2016. Vol. 94. P. 186– 192. http://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.10.090Kariya J, Ryu J, Kato Y. Development of thermal storage material using vermiculite and calcium hydroxide. Applied Thermal Engineering. 2016;94:186–192. http://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.10.090Педро A.A. Роль химического взаимодействия электрода с расплавом в изменении гармонического состава тока в электродах // Электротехника. 1997. № 4. С. 27–30.Pedro AA. Role of electrode chemical interaction with the melt in changing harmonic composition of current in electrodes. Elektrotekhnika = Electrical Engineering. 1997;4:27–30. (In Russ.)Лысенко А.П., Серѐдкин Ю.Г., Зенькович Г.С. Электролитический способ получения Аl2О3 чистотой 99,99–99,999% // Металлургия цветных металлов. Проблемы и перспективы: сб. тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. (г. Москва, 13–15 мая 2009 г.). М.: Изд-во МИСиС, 2009. С. 322–323.Lysenko AP, Seryodkin YuG, Zen'kovich GS. Electrolytic production method of Al2O3 with the purity of 99.99– 99.999%. Metallurgiya cvetnyh metallov. Problemy i perspektivy: sbornik tezisov dokladov Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii = Metallurgy of Non-Ferrous Metals. Problems and Prospects: collected abstracts of the reports of the International scientific and practical conference. 13–15 May 2009, Moscow. Moscow: MISIS; 2009, р. 322–323. (In Russ.)Лысенко А.П., Серѐдкин Ю.Г., Зенькович Г.С. Механизм электролитического получения оксида алюминия, пригодного для производства монокристаллов корунда // Технология металлов. 2009. № 12. С. 8–12.Lysenko AP, Seryodkin YuG, Zen'kovich GS. Mechanism of electrolytic obtaining of aluminum oxide suitable for the production of corundum single crystals. Tekhnologiya metallov = Technology of Metals. 2009;12:8–12. (In Russ.)Gorlanov E.S., Bazhin V.Yu., Fedorov S.N. Carbide formation at a carbon-graphite lining cathode surface wettable with aluminum // Refractories and Industrial Ceramics. 2016. Vol. 57. No. 3. P. 292–296. https://doi.org/10.1007/s11148-016-9971-0Gorlanov ES, Bazhin VYu, Fedorov SN. Carbide formation at a carbon-graphite lining cathode surface wettable with aluminum. Refractories and Industrial Ceramics. 2016;57(3):292–296. https://doi.org/10.1007/s11148-016-9971-0Корнеев С.В., Трусова И.А. Управление шлаковым режимом в электродуговых печах // Литье и металлургия. 2017. № 4. С. 48–52. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2017-4-48-52Korneev SV, Trusova IA. Management of the slag adjustment in arc furnaces. Litiyo i Metallurgiya = Foundry Production and Metallurgy. 2017;(4):48–52. (In Russ.) https://doi.org/10.21122/1683-6065-2017-4-48-52Гремячкин В.М., Мазанченко Е.П. Газификация пористых частиц углерода в диоксиде углерода // Химическая физика. 2010. № 12. С. 18–23.Gremyachkin VM, Mazanchenko EP. Gasification of porous carbon particles in carbon dioxide. Himicheskaya fizika = Russian Journal of Physical Chemistry B: Focus on Physics. 2010;12:18–23. (In Russ.)Ватулин И.И., Минков О.Б., Сухарев А.В., Сухарев В.А., Шингарев Э.Н. Высокотемпературное алюминотермическое восстановление оксида кальция // Материаловедение. 2009. № 3. С. 46–50.Vatulin II, Minkov OB, Suharev AV, Suharev VA, Shingarev EN. High-temperature aluminothermic reduction of calcium oxide. Materialovedenie. 2009;3:46–50. (In Russ.)Косенко Н.Ф., Филатова Н.В., Шиганов А.А. Кинетика активированного изотермического спекания корунда в присутствии алюминатных добавок // Неорганические материалы. 2007. Т. 43. № 2. С. 193–196.Kosenko NF, Filatova NV, Shiganov AA. Effect of aluminate additions on the isothermal sintering kinetics of mechanically activated corundum. Neorganicheskie materialy. 2007;43(2)193–196. (In Russ.)Пат. № 2347766С2, Российская Федерация, C04B 35/107. Электрокорунд и способ его получения / В.А. Перепелицын, А.С. Зубов, И.В. Кормина, Л.А. Карпец, Е.М. Гришпун, А.М. Гороховский. Заявитель и патентообладатель ОАО "Первоуральский динасовый завод" (ОАО "ДИНУР"). Заявл. 16.04.2007; опубл. 27.02.2009.Perepelitsyn VA, Zubov AS, Kormina IV, Karpets LA, Grishpun EM, Gorokhovsky AM. Electrocorundum and its production method. Patent RF, no. 2347766C2; 2009. (In Russ.)Пат. № 2664149С2, Российская Федерация, C01F 7/42. Способ получения мелкокристаллического корунда / Е.П. Новиков, Е.В. Агеев, Е.В. Агеева, А.Ю. Алтухов. Заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) (RU). Заявл. 21.03.2016; опубл. 15.08.2018.Novikov EP, Ageev EV, Ageeva EV, Altukhov AYu. Production method of fine-crystalline corundum. Patent RF, no. 2664149C2; 2018. (In Russ.)Пат. № 2366608С1, Российская Федерация, C01F 7/42. Способ получения оксида алюминия, пригодного для производства монокристаллов корунда / А.П. Лысенко, В.А. Бекишев, Ю.Г. Серѐдкин, Г.С. Зенькович. Заявители и патентообладатели: Лысенко Андрей Павлович (RU), Бекишев Владимир Афанасьевич (RU), Серѐдкин Юрий Георгиевич (RU). Заявл. 08.05.2008; опубл. 10.09.2008.Lysenko AP, Bekishev VA, Seryodkin YuG, Zenkovich GS. Obtaining method of the aluminum oxide suitable for the production of corundum single crystals. Patent RF, no. 2366608С1; 2008. (In Russ.)Пат. № 1 104 798 A1, СССР, C01F 7/02. Способ получения пластинчатого корунда / Д.С. Рутман, Н.М. Пермикина, С.А. Азимов, Г.Т. Адылов, А.Г. Белогрудов. Заявитель и патентообладатель Восточный научно-исследовательский и проектный институт огнеупорной промышленности, Физико-технический институт АН УССР. Заявл. 08.04.1983; опубл. 23.08.1991.Rutman DS, Permikina NM, Azimov SA, Adylov GT, Belogrudov AG. Production method of lamellar corundum. Patent RF, no. 1 104 798 A1; 1991. (In Russ.)Качан Ю.Г., Мных А.С. Алгоритм динамической оптимизации процесса производства электрокорунда нормального на базе метода терминального управления // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2008. № 32. С. 48–56.Kachan YuG, Mnykh AS. Algorithm for dynamic optimization of normal electrocorundum production based on terminal control method. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2008:32:48–56.Педро A.A., Суслов A.П. Вентильный эффект в электродной печи // Цветные металлы. 2012. № 12. С. 37–41.Pedro AA, Suslov AP. Valve action in the electrode furnace. Tsvetnyye metally. 2012;12:37–41. (In Russ.)Peretyatko M.A., Yakovlev P.V., Peretyatko S.A., Deev A.S., Dyachenok G.V. The study of heart transfer during boiling process of organic fluid // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1614. http://doi.org/10.1088/1742-6596/1614/1/012069Peretyatko MA, Yakovlev PV, Peretyatko SA, Deev AS, Dyachenok GV. The study of heart transfer during boiling process of organic fluid. In: Journal of Physics: Conference Series. 2019;1614. http://doi.org/10.1088/1742-6596/1614/1/012069Shurygin Y.A. Technologies of organizational energy saving at metallurgical enterprises // International Russian Automation Conference (Sochi, 9–16 September 2018). Sochi: IEEE, 2018. http://doi.org/10.1109/RUSAUTOCON.2018.8501605Shurygin YA. Technologies of organizational energy saving at metallurgical enterprises. In: International Russian Automation Conference. 9–16 September 2018, Sochi. Sochi: IEEE; 2018. http://doi.org/10.1109/RUSAUTOCON.2018.8501605Дубовиков О.А., Яскеляйнен Э.Э. Переработка низкокачественного бокситового сырья способом термохимия-Байер // Записки Горного института. 2016. Т. 221. С. 668–674. https://doi.org/10.18454/PMI.2016.5.668Dubovikov OA, Yaskelyainen EE. Processing of lowquality bauxite feedstock by thermochemistry-Bayer method. Zapiski Gornogo instituta = Journal of Mining Institute. 2016;221:668–674. (In Russ.) https://doi.org/10.18454/PMI.2016.5.668Шахрай С.Г., Скуратов А.П., Кондратьев В.В., Ершов В.А., Карлина А.И. Обоснование возможности нагрева глинозема теплом анодных газов алюминиевого электролизера // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 3. С. 131–138.Shakhrai SG, Skuratov AP, Kondratiev VV, Ershov VA, Karlina AI. Justification of the possibility of heating alumina by aluminum electrolyzer anode gases warmth. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016;3:131–138. (In Russ.)Белоглазов И.И., Суслов А.П., Педро А.А. Изменение постоянной составляющей фазного напряжения при плавке циркониевого электрокорунда // Цветные металлы. 2014. № 5. P. 86–89.Beloglazov II, Suslov AP, Pedro AA. Change of constant component of phase voltage during melting of zirconium corundum. Tsvetnye Metally. 2014;5:86–89. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.