Совет молодых ученых инновационное развитие и востребованность науки в современном казахстане

 
159 
«Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане»
На рисунках 7-8 представлена оптическая металлография нано-КЭП, полученных 
при  концентрации    в  электролите  сажи  ламповой 6 г/л  и  диоксида  кремния 14 г/л  и 
плотности тока 3 кА/м
2
. 
Из  рисунков  видно,  что  увеличение  концентрации  углерода  в  электролите 
суспензии  приводит  к  исчезновению  пузырьковых  образований  и  получению  менее 
пористых  нано-КЭП.  Очевидно,  это  связано  с  тем,  что    у  хрома  электронная 
конфигурация валентных состояний (ЭКВС) электронов p
6
 d
5
 s
1
, причем p
6
-электроны, 
в  силу  замкнутости,  ни  в  каких  процессах  не  участвуют.  Следовательно, 
«действующими»  электронами  являются  только  d
5
  s
1
 . Это – основное  состояния 
изолированного атома хрома. 
 
303 К
 
313 К
 
323 К
 
Рисунок 7 – Оптическая металлография нано-КЭП  (х1000) 
 
 
333 К                                   
               
  
343 К 
Рисунок 8 – Оптическая металлография нано-КЭП  (х1000) 
 
При  этом  следует  иметь  в  виду,  что  в  ряду  стабильных  состояний  d
0
, d
5
, d
10
, 
именно d
5 
– состояние является самым устойчивым. 
Для  образования  КЭП  необходимо  возникновение  адгезии  между  хромом  и  
дисперсной  частицей,  а  это  значит,  что  между  атомами  дисперсной  частицы  и  хрома 
должен установиться  процесс  обмена  электронами.  Такое  состояние  возможно  только 
при    выполнении  определенных  условий,  обусловленных  ЭКВС  хрома  и  материала 
дисперсной частицы. 
Вероятность  образования  КЭП  можно  усмотреть  при  сравнении  ЭКВС  хрома  и 
углерода. Действительно, если хром обобществит свой один s
1
 – электрон с углеродом, 
то  приобретет  устойчивое  состояние  d
5
  s
0
,  а  углерод    приобретёт  весьма  устойчивую 
конфигурацию s
2
 p
3
.  
Таким  образом,  с  увеличением  концентрации  углерода  ввиду  образования 
устойчивой  композиции  с  наночастицами  углерода  и  происходит  уменьшение 
пористости нано-КЭП. 
 
В  результате  проведенных  исследование  микроструктуры  были  сделаны 
следующие выводы: 
1.  При  температуре  электроосаждения 303 К  хром  кристаллизуется  в  виде  гроздьев, 
состоящих из конгломерата мелких кристаллов кубической формы.  
2.  При температурах электролиза 313 и 323 К на поверхности появляются пузырьковые 
образования, которые обусловлены выделением водорода в процессе электролиза.  
3.  Повышение  температуры  до 333-343К  приводит  к  исчезновению  пузырьковых 
образований и формированию гладких блестящих покрытий без микротрещин. 
4.  Наблюдаемые  закономерности  изменения  микроструктуры  хромовых  осадков 
объясняются тем, что в зависимости от температуры электроосаждения происходит 

 
160 
«Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане»
 
осаждение  трех  типов  покрытий:  матовых (303К),  молочных  (313-323 К)  и 
блестящих (333-343 К),  которые  обладают  вышеописанными  особенностями 
микроструктуры и характеристиками электроосаждения. 
5.  Увеличение  концентрации  углерода  в  электролите  приводит  к  значительному 
уменьшению  пористости  хромовой  матрицы.  Это  связано  с  обретением  хромом 
устойчивой  электронной  конфигурации валентных состояний при взаимодействии 
наночастиц углерода с хромом в процессе электроосаждения. 
 
Литература 
1.  Манохина А.И. Композиционные материалы.-М.: Наука, 1991.–305 с. 
2.   Ермоленко А.Ф., Абрамчук С.С., Протасов В.Д. Оценка параметров распределения 
прочности  армирующих  волокон,  взаимодействующих  по  боковой  поверхности, 
путем  испытания  их  пучков.//  Механика  композитных  материалов, 1995. -  №1 -  
С.3-6. 
3.   Huges S.D.H. Strength and modulus of current Carbon fibres.// Carbon, Vol.24, 1994. -   
№5. - Р. 551-556. 
4.   Gu W., Shen D., Wang Y.  Deposition of duplex Al
2
O
3
 / Aluminium  coatings on steel 
using  a combined technique of arc  spraying  and plasma electrolytic oxidation // Applied 
Surface Science. 2006.- 252, Issue 8.- p. 2927-2932. 
5.  Сарсембинов Ш.Ш., Яр-Мухамедов Ш.Х., Яр-Мухамедова Г.Ш. Физические основы 
формирования структуры композиционных материалов с заданными свойствами. – 
Алматы: КазНУ им аль-Фараби, 2007.- 404 с. 
 
 
 
 
ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАВКИ  
С ПРИМЕНЕНИЕМ ВНУТРИПЕЧНОЙ КОНВЕРСИИ УГЛЕВОДОРОДНОГО 
ТОПЛИВА 
 
Б.С. Рахимбаев,  Д.К.Абдрахманова  
 
АО «Центр наук о Земле, металлургии и обогащения» 
РГКП «Рудненский индустриальный интитут» 
 
До  настоящего  времени  восстановительная  шахтная  плавка  свинцового 
сульфидно-оксидного  и  оксидно-сульфатного  сырья  занимает  определяющее  место  в 
производстве свинца из сложного сырья. В мировом свинцовом производстве шахтной 
восстановительной плавкой получают более 85 % свинца 
1. 
Однако  проведенный  анализ  экспериментальных  данных  и  технической 
литературы показывает, что в области определяющих фундаментальных исследований 
макрокинетики  восстановительных  процессов  существует  ряд  нерешенных  проблем 
кинетики и механизма. Например, не существует до настоящего времени завершенной 
концепции  об  определяющей  роли  механизмов  восстановительных  процессов  в 
шахтной  восстановительной  плавке  с  применением  конверсированного  природного 
газа.  До  настоящего  времени  не  решена  проблема  создания  более  совершенной 
восстановительной  плавки  с  применением  внутрипечной  конверсии  углеводородного 
топлива.   
Решение этих проблем в области окислительно-восстановительных процессов и 
создании  новейших  технологий  восстановительной  плавки  с  применением 
внутрипечной конверсии углеводородного топлива могут быть осуществлены главным 
образом  путем  совокупных  фундаментальных  физико-химических  исследований  и 

 
161 
«Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане»
математического  моделирования  исследований,  базирующихся  на  современных 
комплексных фундаментальных компьютерных технологиях 
2. 
Для  фундаментальных    исследований,  наряду  с  разработкой  аналитических 
подходов 
и 
углубленным 
экспериментальным 
изучением 
кинетических 
закономерностей  и  механизмов  восстановительных  процессов  крайне  необходима 
математическая  интерпретация  получаемых  результатов,  включающая  описание 
кинетики процесса, алгоритмизацию и компьютерную реализацию поставленных задач. 
В  этой  связи  нами  осуществлена  разработка  и  выполнено  описание 
концептуально-методологических 
основ 
математического 
моделирования, 
алгоритмизации  и  компьютерной  реализации  исследований  физико-химических  основ 
макрокинетики и механизма восстановительных процессов, включающее:   
  обоснование  выбора  математического  описания  кинетических  закономерностей 
восстановительных процессов; 
 формализацию общей задачи структурной и параметрической идентификации;    
 алгоритмическую реализацию;   
  отработку  компьютерной  технологии  автоматизированного  моделирования  и 
мониторинга восстановительных процессов свинцового производства. 
Выполнена  адаптация  программно-инструментального  комплекса  (ПИК)  для 
решения прямой и обратной задач кинетики и установлению оптимальных механизмов 
протекания  восстановительных  процессов,  а  также    осуществлена  компьютерная 
поддержка:  
  исследований  кинетики  восстановления  оксидов  свинца  продуктами  конверсии  
СН
4 
 (Н
2
, СО); 
  исследований  кинетических  закономерностей  восстановления  силикатов  свинца 
(PbOnSiO
2
) в жидкой фазе (775-1100
С) водородом и смесью водорода и СО; 
  исследований  кинетики  восстановления  свинцового  агломерата  водородом  и 
окисью углерода; 
  исследований  кинетики  и  механизма  высокотемпературного  восстановления 
оксидов свинца и агломератов в конденсированных фазах водородом; 
 исследований кинетики восстановления основных оксидных соединений свинца 
окисью углерода.  
Данные,  полученные  опытным  путем,  в  целом  соответствуют  расчетным. 
Константы  скоростей  либо  близки  по  значению,  либо  находятся  в  одном  порядковом 
диапазоне. 
Отличительной особенностью процесса восстановления свинцовых  силикатных 
стекол является то, что во временном интервале 30-60 мин. восстановление исходных 
оксидов  не  достигает 100%, что,  в  свою  очередь,  не  позволяет  получать  хорошую 
аппроксимацию  экспериментальных  данных.  В  математическом  плане  это  связано 
вычислительными  трудностями,  обусловленными  наличием  т.н.  жестких  систем 
дифференциальных уравнений, описывающих кинетику процесса.  
Проведённые  исследования  и  расчёты    показали,  что  константы  скорости 
восстановления свинцовых стекол одного состава при повышении температуры от 800 
до 1400
С и выше (при одной и той же степени превращения 20-50%) увеличиваются, а 
с изменением состава стекол при одних и тех же температурах убывают с уменьшением 
содержания оксида свинца в стекле и увеличением степени превращения. 
В  результате  проведенных  компьютерных  экспериментов,  включающих 
элементы  имитационного  моделирования,  установлено,  что  величины  констант 
скорости  и  степени  восстановления  при  одинаковых  условиях  гораздо  выше,  чем  по 
имеющимся  в  литературе  данным  при  восстановлении  оксидом  углерода  и  смесью 
газов (Н
2г
+СО).
 
 
 

 
162 
«Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане»
 
Предварительно,  в  качестве  исходных,  исследованы  брутто-механизмы  (при 
Т=600-1100
С): 
           PbOSiO
2
 + CO = Pb+SiO
2
+CO
2
 
           PbOSiO
2
 + H
2
 = Pb + SiO
2
+H
2
O 
           PbOSiO
2
 +  CH
4
 = Pb + SiO
2
+2H+CO 
          3PbOSiO
2
 + CH
4
 = 3Pb +3SiO
2 
+H
2
O+CO 
          4PbOSiO
2
 + CH
4
 = 4Pb + 4SiO
2
+2H
2
O+CO
2
 ,  
которые  предполагается  в  дальнейшем  синтезировать  способами  имитационного 
моделирования с целью определения и изучения промежуточных элементарных стадий.     
Компьютерный  анализ  кинетических  данных    в  начальной  стадии  развития 
процесса, показывает, что жидкофазное восстановление силикатных свинцовых стекол 
оксидом  углерода  достаточно  приемлемо  описывается  линейными  уравнениями 
(уравнениями  первого  порядка).  Порядок  реакции  начинает  увеличиваться  при 
повышении  температуры  от 800
С.  Скорость  процесса,  с  увеличением  степени 
восстановления, уменьшается.  
На  основании  анализа  опытных  и  экспериментальных  данных  по  кинетике  и 
механизму  восстановления  свинцовых  силикатов  водородом,  окисью  углерода  и 
конверсированным  природным  газом  (Н
2
+СО)  в  процессе  восстановительной  плавки 
свинцового агломерата,
 сделаны выводы о более эффективном использовании водорода 
в качестве восстановителя, чем окиси углерода
.   
Установлено, что процесс восстановления водородом осуществляется: 
а) посредством хемосорбции, сопровождаемой диссоциацией молекул водорода 
и ионизацией с образованием атомов и ион-радикалов  
Н
2 (газ)
 
 Н
2 ( сорб )
 2Н
+
 + 2е, 
Н
2 (газ) 
 О
2-
 
 ОН
-
 +Н
2
 + е; 
б)  возможно осуществление радикально-цепного процесса 
Н
2
 + ОН 
 Н
2
О + Н, 
Н
2
 
 Н
2 (сорб)
 + О
2-
 ОН
-
 + Н + е, 
Н + О
2-
 
 ОН
-
 + е; 
в) свободные электроны системы привлекаются к участию во взаимодействии с 
ионами  свинца Pb
2+
+2e 
 Pb
ж
,  которые,  мигрируя  в  стекле,  образуют  металлические 
корольки свинца;  
г)  процесс  жидкофазного  восстановления  свинцовых  силикатных  стекол 
осуществляется на поверхности и объеме стекла. 
На основании анализа рассмотренных экспериментальных результатов и синтеза 
экспериментальных и математических данных макрокинетики и механизма  высказана 
точка зрения о создании принципиально новой свинцовой восстановительной плавки с 
внутрипечной  конверсией  природного  газа,  обеспечивающей  наиболее  высокие 
технологические  показатели,  и  прежде  всего, увеличение  производительности  печных 
агрегатов в 1,6-1,8 раза, что не достигается другими технологическими процессами. 
 
Литература 
1.  Полывянный И.Р. Кислород и природный газ в металлургии свинца. г. Алма-Ата, 
«Наука», 1976 
2.  В.И.Полывянный., А.К.Кобжасов., А.С.Инчин, Б.С.Рахимбаев Автоматизированное  
исследование  кинетики и  механизма окисления  сульфидов  свинца  и некоторых 
сопутствующих    металлов // Вторая  международно-практическая,  конференция, 
посвященная 15-летию  независимости  Республики  Казахстан. – Алматы:  КазНТУ 
им. К.И. Сатпаева, 2006. – С. 133-137 
 

 
163 
«Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане»
ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОКИСЛЕННЫХ СВИНЦОВЫХ РУД УЧАСТКА 
«ЗАРЕЧНОЕ» МАЯТАССКОЙ ТЕРРИТОРИИ 
 
М.Е.Буранбаев,  Б.С.Рахимбаев  
 
ТОО «Маятас» 
АО «Центр наук о Земле, металлургии и обогащения» 
 
Основная  тенденция,  характеризующая  положение  сырьевой  базой  цветной 
металлургии  в  Казахстане  и  за  рубежом, – обеднение  руд  и  усложнение  характера 
вкрапленности  ценных  компонентов,  увеличение  степени  окисления  и  ухудшение 
обогатимости  руд,  что  предопределяет  необходимость  поиска  новых  технологических 
решений по переработке полиметаллических руд.  
Особенностью  месторождения  «Заречное»,  относящегося  к  металлоносным 
корам  выветривания,  является  их  природная  дезинтегрированность  и    наличие  в  них 
глинистых  минералов,  а  также  то,  что  основная  или  значительная  часть  запасов 
металлов находится в их окисленных формах.  
Анализ  существующих  технологий  обогащения  окисленных  тяжелых  цветных 
металлов  показывает,  что  более  половины  потерь  металла  в  хвостах  обогащения 
обусловлено  наличием  их  в  форме  окисленных  соединений.  Практика  применения 
новых  флотореагентов  и  комбинированных  схем  не  позволяет  повысить  извлечение 
металлов  более  чем  на 2-3 %. Предложенные  в  последние  годы  новые  реагенты-
собиратели дороги, а их эффективность в значительной степени зависит от соблюдения 
специальных  условий,  что  достаточно  сложно  осуществить  на  практике,  так  как 
труднообогатимые окисленные руды характеризуются непостоянством состава. 
Гидрохимические  способы  обогащения  позволяют  увеличить  извлечение 
металлов.  Однако  эти  процессы  отличаются  значительными  удельными  затратами 
вследствие  их  многостадийности,  большого  расхода  дорогостоящих  и  агрессивных 
реагентов, а также требуют применения коррозионностойкого оборудования. При этом 
извлечение полезного компонента в концентрат составляет не более 54 %.  
По  результатам  анализов  было  установлено,  что  полезными  компонентами, 
представляющими промышленное значение, являются свинец, золото и серебро. Цинк 
и  медь  содержатся  в  незначительных  количествах.  Основным  полезным  компонентом 
является  свинец  и  в  подчиненных  количествах  серебро,  золото.  По  данным  фазового 
анализа свинец в представленных пробах находится: 
- в окисленном состоянии  77,76-84,5 %; 
- сульфидном   
 
     15,50-22,64 %.  
В виде плюмбоярозита        29-33,02 % (абс.). 
Исходя  из  вышеизложенного,  целью  настоящих  исследований  являлось 
изучение  возможности  гравитационного  извлечения  свинца  и  сопутствующих 
благородных  металлов  в  товарный  концентрат.  Также  практический  интерес 
представляла  разработка  комбинированной  технологии,  включающей  в  качестве 
основной  операции  гравитационное  извлечение  свинца  и  флотационное  доизвлечение 
минералов из хвостов гравитации. С этой целью, а также учитывая результаты фазового 
анализа руды, который показал, что значительная часть свинца находится в окисленной  
форме. В связи с этим было принято решение провести лабораторные исследования по 
трем технологическим вариантам:  
Вариант I  –  флотационное обогащение; 
Вариант II – гравитационно-флотационное обогащение; 
Вариант III – усиленное гравитационное обогащение. 
 

 
164 
«Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане»
 
Таблица 1 – Содержание полезных компонентов в пробах 
№ 
п/п 
Номер пробы 
Элемент 
Свинец %  
Цинк % 
Серебро г/т 
Золото г/т 
1 
№1-1 -Заречное  
1,10 
0,10 
9,00 
0,70 
2 
№1-2 -Заречное   
2,45 
0,10 
9,50 
0,50 
5 
№2 - Заречное 3,65 0,20 9,50 0,40 
 
Были  проведены  опыты  по  флотации  сульфидов  и  оксидов  свинца  при 
различной  крупности  измельчения  руды.  Наибольшее  извлечение  суммарное  свинца 
составило 52,72 %, при  измельчении  руды  до 75 % класса -0,074 мм.  При  флотации 
сульфидов и оксидов свинца в один концентрат наилучшее извлечение 55,54 % свинца 
было получено при расходе сернистого натрия 4 кг/т.   
 
Таблица 2 – Результаты флотации руды месторождения «Заречное» при различной 
крупности измельчения. 
№ 
п/п 
Наименование 
Выход, 
% 
Содержание 
свинца, % 
Извлечение 
свинца, % 
Тонина 
помола 
1 
К-т сульфидной 
флотации 
5,05 2,23 
5,24 
65% 
класса 
 
-0,074мм 
2 
К-т окисленной 
флотации 
33,13 3,00 
46,23 
3 
Хвосты 61,82 
1,68  48,31 
4 
Исходная руда 100,00  2,15 
100,00 
5 
Невязка  
- 
- 
-0,22 
 
6 
К-т сульфидной 
флотации 
5,64 3,50 
8,00 
75% 
класса 
 
-0,074мм 
7 
К-т окисленной 
флотации 
32,59 2,95 
44,72 
8 
Хвосты 61,77 
1,60  45,97 
9 
Исходная руда 100,00  2,15 
100,00 
10 
Невязка - -  -1,31   
11 
К-т сульфидной 
флотации 
5,15 2,23 
4,42 
85% 
класса 
 
-0,074мм 
12 
К-т окисленной 
флотации 
33,30 2,85 
36,50 
13 
Хвосты 61,55 
2,50  59,18 
14 
Исходная руда 100,00  2,60 
100,00 
15 
Невязка - -  +0,10  
 
Следующим  этапом  работ  было  гравитационное  обогащение  с  последующей 
флотацией  хвостов  гравитации.  Суммарное  извлечение  свинца  по  комбинированной  
гравитационно-флотационной  схеме    составляет 67,99-69,86 %, при  измельчении 
исходной руды до 65% класса -0,074мм.  
 
Таблица 3 – Результаты гравитационно-флотационного обогащения при различном 
расходе бутилового ксантогената 
№ 
п/п 
Наименование 
Выход, 
% 
Содержание 
свинца, % 
Извлечение 
свинца, % 
Расход 
ксантогената, г/т 
1 
Гравитационный к-т 9,52 
11,38 
46,50 
 
100 
2 
Флотационный к-т 13,35 
3,75 
21,49 
3 
Хвосты 77,13 
0,99 32,77 

 
165 
«Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане»
4 
Исходная руда 100,00  2,33 
100,00 
5 
Невязка - - +0,76   
6 
Гравитационный к-т 9,52 
11,38 
46,50 
 
167 
7 
Флотационный к-т 14,83 
3,67 
23,36 
8 
Хвосты 75,65 
0,99 32,14 
9 
Исходная руда 100,00  2,33 
100,00 
10 
Невязка - - +2,00   
 
Также  была  проведена  лабораторная  плавка  полученного  концентрата  при 
различных условиях.  
В  серии  опытов  использовали  концентраты  и  богатые  руды  с  месторождения 
«Заречное». 
Первая  серия  опытов  включала  в  себя  прямую  плавку,  без  предварительного 
обжига  и  добавления  восстановителя,  навесок  руды  или  концентрата  ручной 
рудосортировки  по  1г    (тонина  помола -0,1мм),  глубина  окисления    определялась 
визуально по цвету материала. Полученные данные приведены таблице 4. 
 
Таблица 4 – Результаты лабораторной плавки концентрата и руды без добавления угля 
№ 
Тип руды, 
концентрата 
Содержание 
Выход 
сплава, % 
Содержание 
Извлечение,% 
Pb, % 
Ag, г/т Pb, 
% 
Ag, 
г/т Pb  Ag 
1 
Окисленная 21,71 110.00 
0 
- 
- 
0 
0 
2 
Окисленная 13,66  87,50 
0 
- 
- 
0 
0 
3 
Смешанная 34,74 167,50 
0 
- 
- 
0 
0 
4 
Смешанная 54,62 226,25 
0 
- 
- 
0 
0 
5 
Смешанная  
54,55 
216,25 
21,5 
99,00 
633,72  39,02 
63,00 
6  Сульфидная 62,11  272,50  38,5  99,00 328,96 61,37 46,48 
 
Вторая    серия  опытов  включала  в  себя  прямую  плавку,  без  предварительного 
обжига с добавлением  восстановителя (каменного угля 10 % от веса шихты), навесок 
руды или концентрата ручной рудосортировки по 2г  (тонина помола -0,1мм). 
По  результатам  опытных  плавок  было  установлено,  что  при  плавке  из 
полученных концентратов свинец извлекается на 95-97 % в сплав. 
 
Таблица 5- Результаты лабораторной плавки концентрата и руды с добавлением угля 
№  Тип руды, 
концентрата 
Содержание 
Выход 
сплава, % 
Содержание 
Извлечение,% 
Pb, % 
Ag, г/т Pb, 
% 
Ag, 
г/т Pb  Ag 
1  Окисленная 21,71  110.00  20,00  99,00  330,13 91,20 60,02 
2  Окисленная  
13,66 
87,50 
0 
- 
- 
0 
0 
3  Смешанная 34,74  167,50  34,25  99,00 276,71 97,60 56,58 
4  Смешанная 54,62  226,25  40,00  99,00 330,78 72,50 58,48 
5  Смешанная  
54,55 
216,25 
52,50 
99,00 
194,26 
95,27 
47,16 
6  Сульфидная  
62,11 
272,50 
55,00 
99,00 
205,88 
87,67 
41,55 

жүктеу/скачать 5,59 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: