Научные основы создания новых многокомпонентных ниобийсодержащих материалов для металлургии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-19-00252

НазваниеНаучные основы создания новых многокомпонентных ниобийсодержащих материалов для металлургии

Руководитель Заякин Олег Вадимович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-204 - Равновесие и кинетика процессов в химически реагирующих системах

Ключевые слова физико-химические основы, восстановительный процесс, ниобий, термодинамика, кинетика, металлы, сплавы, оксидный расплав, равновесие, фазовые превращения, математическое моделирование, металлургия, пироселекция, микролегирование

Код ГРНТИ53.03.11

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
При легировании сталей и получении их высоких качественных характеристик особое место принадлежит ниобию. Его применение в последние десятилетия в России и во всем мире резко увеличилось. Если ранее ниобий использовался в основном для повышения коррозионной стойкости жаропрочных и нержавеющих сталей (1-2 % Nb), то в настоящее время он применяется для упрочняющего эффекта во многих марках конструкционных сталей в десятых долях процента. В современных условиях производство в мире феррониобия и другой ниобиевой продукции, выросшей за последние 25 лет в 4,3 раза, в основном осуществляется бразильской компанией «Companhia Brasileira de Metalurgia e Minerasao» (СВММ). Разработка крупнейшего мирового месторождения ниобия Араша с высококачественными и технологичными пирохлоровыми рудами (среднее содержание 1,89 % Nb2O5) в коре выветривания карбонатитов и отлаженное производство с добычей до 54 тыс. т Nb2O5/год позволяют CBMM удерживать монопольную позицию, препятствуя входу на рынок ниобия новых участников. В России заметно увеличилось потребление феррониобия на выплавку конструкционных сталей, идущих на изготовление нефтегазовых труб большого диаметра, мостов, деталей в автомобиле- и судостроении, с 200-300 т/год в конце 90-х годов прошлого столетия до 4,5 тыс. т/год в настоящее время. При этом собственное производство ниобиевой продукции в РФ составляет не более 550 т/год, а остальная внутренняя потребность закрывается за счет экспорта. В РФ, а ранее в СССР, проблемы создания устойчивого промышленного производства феррониобия не были своевременно решены. В то же время прогнозируется в ближайшей перспективе увеличение потребления феррониобия до 15-20 тыс. т/год. На сегодняшний день в России основной и единственно разрабатываемой минерально-сырьевой базой ниобия является Ловозерское редкоземельно-ниобиевое месторождение в Мурманской области. ООО «Ловозерский ГОК» ведет добычу руды, которая после обработки в виде лопаритового концентрата поступает в ОАО «Соликамский магниевый завод» для получения оксида ниобия. При переработке лопаритового концентрата на Соликамском магниевом заводе получают 1,9–3,1 тыс. т/год редкоземельных продуктов, 0,6–2,2 тыс. т/год титановой продукции, 27–49 т/год танталовых соединений и 397–628 т/год ниобиевых товарных продуктов. Национальное производство ниобиевого сырья в России исчезающе мало и обеспечивает всего 6–9 % существующего потребления ниобиевых продуктов. Однако, Россия располагает перспективными источниками минерального сырья, пригодного для организации производства ниобийсодержащих материалов. К ним относятся месторождения: Белозиминское (Иркутская область), Татарское (Красноярский край), Чуктуконское (Саха-Якутия), Катугинское (Читинская обл.). Наиболее перспективным считается Томторское месторождение в Республике Саха-Якутия, с ресурсами 1,2 млн т Nb2O5 при среднем содержании 3,99 % Nb2O5. Руды всех этих месторождений поддаются обогащению традиционными способами, их изученность позволяет выделять среди них объекты промышленного освоения. Таким образом, в РФ при наличии собственной минерально-сырьевой базы ниобия сложилась импортная зависимость в ниобиевой продукции. В первую очередь это связано с отсутствием научных основ эффективных решений по созданию сквозной технологии переработки ниобиевых руд с получением новых ниобийсодержащих материалов, используемых в промышленности. Следует отметить, что проводимые ранее работы выполнялись специалистами в своем диапазоне научных исследований – в области переработки, обогащения руд, в области пирометаллургического получения ниобиевых ферросплавов и в области металлургии стали и металловедения. Предлагаемый проект направлен на решение научной проблемы создания научных основ разработки новых эффективных многокомпонентных ниобийсодержащих материалов для современных условий металлургии, что позволит решить стратегическую государственную задачу по удовлетворению внутреннего потребления и обеспечения промышленности России ниобиевыми материалами, начиная с переработки отечественного сырья до получения новых ниобиевых сплавов и стали, микролегированной ниобием. Научная новизна предлагаемого проекта состоит, во-первых, в использовании нового объекта исследований. Все отечественные месторождения ниобиевого сырья значительно отличаются друг от друга своими видами (карбонатиты, граниты, кора выветривания), минеральным составом (пирохлор, апатит, монацит и др.), физико-механическими характеристиками и т.д. Во-вторых, это новое сырье в свою очередь потребует разработки физико-химических основ восстоновительно-окислительных высокотемпературных процессов получения ниобиевых сплавов, создания оригинальных технологий плавки, зависящих от содержания в концентратах таких элементов, как фосфор, сера, титан и другие. Будут использованы приемы селективного восстановления отдельных элементов концентрата (железа, ниобия, титана), двух- и трехстадийный восстановительный процесс, глубокая дефосфорация и т.д. В-третьих, будет разработана методика комплексной оценки физико-химических характеристик ниобийсодержащих ферросплавов, на основании которой будут созданы новые эффективные ниобиевые сплавы, удовлетворяющие современным требованиям черной металлургии и оптимально соответствующие действующим условиям процесса микролегирования стали. Таким образом, предлагаемый проект обладает новизной в области разработки физико-химических основ процессов, связанных с переработкой отечественного ниобиевого сырья и разработкой составов новых эффективных ферросплавов с целью решения актуальной проблемы создания собственной базы производства ниобийсодержащих материалов для промышленности. Актуальность предлагаемого проекта связана с решением проблемы снижения в РФ стратегически опасной сырьевой импортной зависимости от зарубежных стран производства ниобийсодержащих сплавов и сталей при наличии собственной минерально-сырьевой базы. Отечественное рудное ниобиевое сырье отличается по своему вещественному и минеральному составу от зарубежного, содержит пониженную концентрацию ниобия и повышенную – сопутствующих элементов (фосфор, титан и др.). Это сырье мало изучено и ранее не использовалось. Российские ниобийсодержащие руды и концентраты характеризуются новыми ранее не изученными физико-химическими и металлургическими характеристиками. Для переработки таких материалов требуется разработка новых химико-технологических и металлургических подходов. При переработке новых видов сырья невозможно получение стандартных марок феррониобия, соответствующих требованиям международного стандарта ISO 5453-80 или российского ГОСТ 16773-2003, образуются новые металлические и оксидные расплавы. Необходима разработка новых рациональных составов ниобийсодержащих ферросплавов на базе уникального метода комплексной оценки физико-химических характеристик ферросплавов, а также определение и разработка рациональных составов оксидных расплавов в новых областях составов системы СаО-SiO2-Nb2O5-TiO2 для обеспечения максимальной степени извлечения ведущих элементов в металлическую фазу. Ранее такого комплекса научных исследований не проводилось. Для решения этой проблемы потребуется формирование научных основ сквозной переработки отечественного сырья с получением высококачественной ниобиевой продукции.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Леонтьев Л.И., Жучков В.И., Заякин О.В., Сычев А.В., Михайлова Л.Ю. Перспективы получения и применения комплексных ниобиевых ферросплавов Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. (год публикации - 2022)

2. Заякин О.В., Шартдинов Р.Р., Сметаников А.Н., Кель И.Н. Физико-химические характеристики ниобийсодержащих оксидных систем для получения ферросплавов Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. (год публикации - 2022)

3. Жучков В.И., Заякин О.В., Михайлова Л.Ю. Dephosphorization of silicon-containing ferroalloys AIP Conference Proceedings (год публикации - 2021)

4. Заякин О.В., Жучков В.И., Михайлова Л.Ю. Use of Russian niobium raw materials with a high phosphorus content for complex ferroalloys AIP Conference Proceedings (год публикации - 2021)

5. Кель И.Н., Заякин О.В., Пермяков Н.А. Изучение температур размягчения ниобийсодержащих оксидных материалов Материалы Международной научно-практической онлайн-конференции «Инновации в производстве и подготовке технических кадров», Сборник научных трудов Международной научно-практической онлайн-конференции «Инновации в производстве и подготовке технических кадров». – Актобе: Актюбинский региональный университет имени К.Жубанова, 2021. – с. 26-30 (год публикации - 2021)

6. Ренёв Д.С., Заякин О.В., Ардышев А.А. Изучение плотности материалов системы СaО-SiO2-Nb2O5-TiO2-Al2O3 Материалы Международной научно-практической онлайн-конференции «Инновации в производстве и подготовке технических кадров», Сборник научных трудов Международной научно-практической онлайн-конференции «Инновации в производстве и подготовке технических кадров». – Актобе: Актюбинский региональный университет имени К.Жубанова, 2021. – с. 33-37 (год публикации - 2021)

7. Жучков В.И., Заякин О.В., Кель И.Н. Изучение процесса плавления ниобийсодержащих сплавов в жидкой стали Труды XXII международной научно-практической конференции «Металлургия: технологии, инновации, качество» («Металлургия - 2021»), Металлургия: технологии, инновации, качество: труды XXII Международной научно-практической конференции. В 2 частях. Часть 1 / под общ. ред. А.Б. Юрьева, Сиб. гос. индустр. ун-т. – Новокузнецк : Изд. центр СибГИУ, 2021. – с. 37-42 (год публикации - 2021)

8. Заякин О.В., Кель И.Н., Жучков В.И., Ренёв Д.С., Пермяков Н.А. Изучение влияния основности ниобийсодержащих концентратов на температуры размягчения Труды V конгресса с международным участием и Конференции молодых ученых «Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований», Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований: труды V Конгресса с международным участием и Конференции молодых учёных “Техноген-2021”. – Екатеринбург: УрО РАН, 2021. – с. 198-201 (год публикации - 2021)
10.34923/technogen-ural.2021.28.18.065

9. Заякин О.В., Михайлова Л.Ю., Уполовникова А.Г., Сычев А.В., Ардышев А.А. Термодинамический анализ силикотермического получения ферросплавов из ниобийсодержащих концентратов Труды V конгресса с международным участием и Конференции молодых ученых «Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований», Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований: труды V Конгресса с международным участием и Конференции молодых учёных “Техноген-2021”. – Екатеринбург: УрО РАН, 2021. – с. 202-205 (год публикации - 2021)
10.34923/technogen-ural.2021.41.80.067

Публикации

1. Кель И.Н., Заякин О.В., Вязникова Е.А., Ренёв Д.С. Карботермический процесс получения малофосфористого ниобиевого шлака Сборник тезисов 2-й Международной научно-практической конференции «Редкие металлы и материалы на их основе: технологии, свойства и применение», г. Москва, 2-я Международная научно-практическая конференция «Редкие металлы и материалы на их основе: технологии, свойства и применение» памяти академика Н.П. Сажина («РедМет-2021»): Сборник тезисов. Москва, 2022. С. 306-307 (год публикации - 2022)

2. Заякин О.В., Жучков В.И., Сычев А.В., Михайлова Л.Ю., Салина В.А., Уполовникова А.Г. Изучение физико-химических характеристик ниобийсодержащих оксидных материалов. Сообщение 1 Металлург (год публикации - 2023)

3. Заякин О.В., Михайлова Л.Ю., Уполовникова А.Г. Thermodynamic modeling of aluminothermal production of complex niobium alloys Materials Science Forum (год публикации - 2023)

4. Заякин О.В., Жучков В.И., Леонтьев Л.И. Перспективы научно-технологического развития ферросплавного производства РФ в современных условиях Сборник трудов Международной научной конференции «Физико-химические основы металлургических процессов» имени академика А.М. Самарина (ФХОМП 2022). г. Выкса, Международная научная конференция «Физико-химические основы металлургических процессов» имени академика А.М. Самарина / Сборник трудов конференции: Выкса, 2022. С. 340-345 (год публикации - 2022)

5. Заякин О.В., Жучков В.И., Михайлова Л.Ю., Сычев А.В., Кель И.Н. Получение комплексных ниобийсодержащих материалов для современных условий металлургии Сборник трудов Международной научной конференции «Физико-химические основы металлургических процессов» имени академика А.М. Самарина (ФХОМП 2022), г. Выкса., Международная научная конференция «Физико-химические основы металлургических процессов» имени академика А.М. Самарина / Сборник трудов конференции: Выкса, 2022. С. 391-395 (год публикации - 2022)

6. Кель И.Н., Заякин О.В., Ренёв Д.С., Толмачев М. Изучение влияния оксида фосфора на физико-химические характеристики ниобиевых концентратов Сборник тезисов IX Международной молодежной научной конференции Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2022, г. Екатеринбург: УрФУ, Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2022. [Электронный ресурс]: тезисы докладов IX Международной молодежной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора С. П. Распопина. - Екатеринбург: УрФУ, 2022. С. 642-643 (год публикации - 2022)

7. Заякин О.В. Фундаментальные основы создания новых ниобийсодержащих материалов для металлургии Сборник тезисов XXII Всероссийской школы – семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества памяти М.И. Куркина (СПФКС-22), Екатеринбург, XXII Всероссийская школа – семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества памяти М.И. Куркина (СПФКС-22): Сборник тезисов, Екатеринбург, 2022. С. 68 (год публикации - 2022)

8. Кель И.Н., Заякин О.В., Ренёв Д.С., Толмачев М. The effect of phosphorus and ferrous oxide on the physicochemical characteristics of niobium-containing concentrates AIP Conference Proceedings (год публикации - 2023)

Публикации

1. Заякин О.В., Кель И.Н., Ренев Д.С., Сычев А.В., Михайлова Л.Ю., Долматов А.В. Физико-химические характеристики новых комплексных ниобийсодержащих сплавов Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия, № 5. Том 66. 2023. С. 616-622 (год публикации - 2023)
10.17073/0368-0797-2023-5-616-622

2. Заякин О.В., Кель И.Н., Ренев Д.С., Лозовая Е.Ю., Сычев А.В., Михайлова Л.Ю., Долматов А.В. Physical-chemical and service properties of alloys of the Nb-Si-Al-Fe-Ti system Russian Metallurgy (Metally) (год публикации - 2023)

3. Заякин О.В., Михайлова Л.Ю., Кель И.Н., Сычев А.В., Вязникова Е.А. Силикотермический метод получения комплексных ниобиевых сплавов из черновых концентратов «Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований»: труды VI Конгресса с международным участием «Техноген-2023», С. 344-347 (год публикации - 2023)
10.34923/technogen-ural.2023.32.29.119

4. Кель И.Н., Заякин О.В., Сычёв А.В., Михайлова Л.Ю., Ренёв Д.С. Алюминотермический способ получения комплексных ниобийсодержащих ферросплавов «Металлургия саласының мәселелері мен перспективалары: теория және практика»: Халықаралық ғылыми конференциясының материалдары., С. 135-139 (год публикации - 2023)

5. Ренёв Д.С., Заякин О.В., Кель И.Н., Михайлова Л.Ю., Сычёв А.В. Плотность комплексных ниобиевых сплавов Современные материалы, передовые производственные технологии и оборудование для них (СМППТО–2023): Сборник тезисов докладов Международной научной конференции, С. 50-52 (год публикации - 2023)

6. Заякин О.В., Кель И.Н., Ренев Д.С., Шартдинов Р.Р. Изучение зависимости температур кристаллизации оксидной системы Nb2O5-SiO2-CaO-TiO2-Al2O3 от основности Современные материалы, передовые производственные технологии и оборудование для них (СМППТО–2023): Сборник тезисов докладов Международной научной конференции, С. 66-68 (год публикации - 2023)

7. Кель И.Н., Заякин О.В., Ренёв Д.С., Толмачев М. Изучение плотности сплавов системы Nb-Si-Al-Ti-Fe XXIII Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПКФС-23): Тезисы докладов, С. 144 (год публикации - 2023)

8. Заякин О.В., Жучков В.И., Кель И.Н., Михайлова Л.Ю., Сычев А.В., Ренев Д.С. Получение и физико-химические характеристики новых ниобийсодержащих сплавов Сб. тр. Международной конференции "Научно-практическая школа для молодых металлургов" (год публикации - 2023)

9. Заякин О.В., Михайлова Л.Ю., Уполовникова А.Г. Изучение алюминотермического восстановления ниобия методом термодинамического моделирования AIP Conference Proceedings (год публикации - 2023)

10. Кель И.Н., Заякин О.В., Жучков В.И., Ренев Д.С., Данилов С.В., Вязникова Е.А. Карботермический процесс двухстадийной технологии замкнутого цикла получения ниобийсодержащих ферросплавов «Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований»: труды VI Конгресса с международным участием «Техноген-2023», С. 93-95 (год публикации - 2023)
10.34923/technogen-ural.2023.81.45.021