К вопросу ресурсо- и энергосбережения в производстве корунда

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.

1. Niżankowski C. Manufacturing sintered corundum abradants // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2002. Vol. 2. P. 53–64. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6090-2

2. Zeidler 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/10.1051/0004-6361/201220459

3. Богданов 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.

4. 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/s00170-014-6090-2

5. Данчевская 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.

6. 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.2008.09.026

7. Mccormick 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).

8. 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_69

9. Жуковский Ю.Л., Сизякова Е.В. Внедрение системы энергосбережения и энергоэффективности на предприятиях металлургического комплекса // Записки горного института. 2013. № 202. С. 155–160.

10. 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.2016.03.06

11. Shakhrai 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-z

12. Ярошенко Ю.Г., Гордон Я.М., Ходоровская И.Ю. Энергоэффективные и ресурсосберегающие техноло- гии черной металлургии. Екатеринбург: ОАО «УИПЦ», 2012. 670 с.

13. 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.

14. 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.2016.08.019

15. Kariya 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.2015.10.090

16. Педро A.A. Роль химического взаимодействия электрода с расплавом в изменении гармонического состава тока в электродах // Электротехника. 1997. № 4. С. 27–30.

17. 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.

18. 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.

19. 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/s11148-016-9971-0

20. Корнеев С.В., Трусова И.А. Управление шлаковым режимом в электродуговых печах // Литье и металлургия. 2017. № 4. С. 48–52. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2017-4-48-52

21. Гремячкин В.М., Мазанченко Е.П. Газификация пористых частиц углерода в диоксиде углерода // Химическая физика. 2010. № 12. С. 18–23.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. Педро A.A., Суслов A.П. Вентильный эффект в электродной печи // Цветные металлы. 2012. № 12. С. 37–41.

30. 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/10.1088/1742-6596/1614/1/012069

31. Shurygin 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.2018.8501605

32. Дубовиков 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.2016.5.668

33. Шахрай 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.

34. 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.