Проведені порівняльні дослідження мінералогічних характеристик кварцитів, як сировинної бази для виплавки феросиліцію; виявлена принципова відмінність за вмістом домішкових оксидів в структурах кварцитів різних родовищ. Вперше встановлена необхідність обліку при термодинамічному аналізі процесів відновлення кремнію в ваннах феросиліцієвих печей, газорідинних вкраплень в кварцитах, як одного з джерел надходження водню в газову фазу піделектродної порожнини печі. Оцінені металургійні властивості Банічського і традиційно застосованих для виплавки феросиліцію і силікомарганцю Овручських кварцитів, а також випробувані технологічні якості кварциту нового Васильківського родовища. Показано, що мінералогічна структура, пористість, вміст домішкових оксидів, водопоглинання, термічна стійкість і вартість кварцитів багато в чому визначають можливість та доцільність їх використання для виплавки феросиліцію.

Технічні умови на Васильківський кварцит. На підставі проведених дослідно-промислових робіт розроблені технічні умови ТУУ В.2.7-14355988.002-2000 „Кварцити Васильківського родовища для виробництва феросплавів”. У Васильківському кварциті регламентовано вміст SiО2 (не нижче 96,5% мас.) і Al2O3 (не більш 1,7% мас.). Кварцит феросплавним заводам може поставлятися трьох марок (табл. 3).

Таблиця 3

Норми гранулометричного складу Васильківського кварциту за технічними умовами

Марка | Розмір грудки, мм | Вміст грудок, % за масою, з розміром не більше

максимальний | мінімальний | вище максимального | нижче мінімального

КВФ-100 | 100 | 45 | 10 | 10

КФВ-80 | 80 | 25 | 15 | 7

КВФ-30 | 30 | 20 | 10 | 5

Сумарна питома активність природних радіонуклідів в кварцитах для виробництва феросплавів не перевищує норми (ДБН В.1.4-1.01 для І класу – не

більш 370 Бк/кг.

Виконано порівняльний аналіз фізико-хімічних і технологічних властивостей вуглецевих відновників для виплавки феросиліцію та інших феросплавів. Кокс-горішок, який традиційно застосовується, характеризується високою пористістю, яка забезпечує термокінетичні параметри реакції взаємодії коксу з монооксидом кремнію (SiOгаз), а також зниженим графітуванням при температурах відновних процесів. Однак висока вартість і дефіцитність його обумовлюють необхідність науково-обґрунтованого використання інших вуглецевих відновників. Проведена оцінка фізико-хімічних і технологічних властивостей антрациту марки АМ і виявлена його перевага як компонента шихти для виплавки феросиліцію та інших феросплавів, а саме: високий питомий електроопір при температурах, властивих для верхніх горизонтів ванни феросплавних печей, що дозволяє більш раціонально розподілити активну потужність, яка підводиться до ванни, між зовнішньою і внутрішньою зонами ванни печі, підвищити долю її в піделектродних реакційних зонах. Результати досліджень фізико-хімічних і технологічних властивостей коксу-горішка і донецького антрациту використані для розробки технології виплавки феросиліцію із заміною в шихті частини коксу-горішка донецьким антрацитом.

ПРОМИСЛОВЕ ОСВОЄННЯ І ВПРОВАДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОТЕРМІЧНОЇ

ТЕХНОЛОГІЇ ВИПЛАВКИ ФЕРОСИЛІЦІЮ З ВИКОРИСТАННЯМ В

ШИХТОВІЙ СУМІШІ ДОНЕЦЬКОГО АНТРАЦИТУ ЗАМІСТЬ ЧАСТИНИ

КОКСУ-ГОРІШКА

Освоєння технології виплавки феросиліцію з використанням в шихті антрациту передував термодинамічний аналіз відбудовних процесів в системі Si-Al-Ca-Mg-Fe-O-C при одержанні сплаву з шихти промислового складу. Рівновагу в цій складній системі розраховували методом мінімізації енергії Гіббса. Оцінка проведена в наближенні до ідеальних розчинів для закритої і відкритої систем в інтервалі 1650-1900оС. Задачею дослідження було визначення складів шлаку і феросиліцію та встановлення впливу зміни кількості СаО і Al2O3 при постійній температурі на склад шлаку, феросиліцію і газової фази.

Середній склад колоші для виплавки феросиліцію ФС75, прийнятий за даними промислової практики: кварцит 300 кг, кокс-горішок 145 кг і сталева (залізна) стружка 35 кг. Кількість компонентів, внесених кварцитом, коксом-горішком (14,5% золи, 2,0% летучих) і сталевою стружкою, приведено нижче, кг:

Вихідні матеріали | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | FeO | C | Fe | S

Кварцит | 292,0 | 4,0 | 1,5 | 1,0 | 1,5 | - | - | -

Кокс-горішок | 5,0 | 3,4 | 0,3 | 0,2 | 4,4 | 127,0 | - | 1,3

Стружка сталева | - | - | - | - | - | - | 34,7 | -

Всього: | 297,0 | 7,4 | 1,8 | 1,2 | 5,9 | 127,28 | 34,7 | 1,3

Стосовно до умов закритої системи вміст кремнію в металевій фазі не досягає розрахункових значень для відкритої системи, що обумовлено створенням великої кількості SiС (рис. 12а).

Виключення з розрахунку SiС приводить до одержання феросиліцію приблизно з заданим вмістом кремнію. Підвищення температури відбудовного процесу суттєво впливає на хімічний склад шлаку; при температурах понад 1700оС значно знижується в шлаку вміст SiО2, зростають концентрації Al2O3 до 68% і СаО до 25%; при цьому одержує розвиток відновлення алюмінію з шлакової фази (рис. 12а).

Рис.12. Рівноважні склади металевої фази, кількості SiС з шихти сплаву ФС75 (а) і шлаку (б) в залежності від температури (закрита система)

Зростання температури супровод-жується також зміною складу газової фази (рис.13): збільшується кількість SiOгаз при зниженні СОгаз, що узгоджується з розрахунками для чистої системи Si-O-C, які приведені в другому розділі дисертації. В газовій фазі виявлені нижчі оксиди Al2Oгаз; і AlOгаз; пара Mg і Si.

Рис.13. Склад газової фази при виплавці сплаву ФС75

(закрита система)

У випадку виключення з продуктів відновного процесу SiС, рівноважний склад шлакового розплаву характеризується витратою SiО2 при відносно низьких температурах. Вміст Al2O3 досягає максимуму (60%) при 18500С та с підвищенням температури до 19000С знижується до 40% в результаті відновлення алюмінію (рис.14).

Збільшення кількості СаО в колоші впливає на рівноважний склад шлаку, підвищує вміст геленіту, знижує кількість силіманіту (рис.15), що супроводжується зменшенням концентрації алюмінію в феросиліцієвій фазі. Зі збільшенням Al2O3 в колоші, вміст геленіту знижується і підвищується концентрація алюмінію в сплаві (рис.16).

Рис.14. Зміна рівноважного складу шлаку виплавки сплаву ФС75

без урахування створення SiС (відкрита система)

Рис.15. Рівноважний склад шлаку ФС75 при збільшенні долі CaО в

шихті при 1850оС

Узагальнені і критично проаналізовані методи розрахунку та обґрунтування геометричних параметрів печей типу РКЗ для виплавки феросиліцію, феросилікомарганцю та інших кремністих феросплавів. Всі відомі методи розрахунку печей РКЗ засновані на емпіричних підходах і, природно, не можуть розглядатися як повною мірою відповідні цілям і задачам вибору надійних геометричних параметрів ванн феросплавних печей. Статистичне дослідження та обґрунтування геометричних параметрів печей РКЗ на основі вибірки даних, які включають 118 печей РКЗ, дозволило встановити аналітичні взаємозв'язки відповідного геометричного параметра ванни печі (діаметра електрода, діаметра розпаду електрода, діаметра ванни і глибини ванни) від номінальної потужності пічного трансформатора S (рис.17а) і активної потужності Р (рис.17б). В загальному вигляді ці взаємозв'язки для Dе, Dр і Dв як функції від S і Р мають відпо-

відний вид: і

Рис.16. Рівноважний склад шлаку ФС75 при збільшенні долі Al2O3 в шихті (відкрита система) при 1850оС

а)

б)

Рис.17. Залежність геометричних параметрів печей РКЗ від встановленої потужності пічних трансформаторів (а) (суцільні лінії – феросиліцієві печі; пунктирні лінії – кремністі печі) та активної потужності печей (б)

Чисельні значення коефіцієнтів показників ступеня приведені в табл. 4.

Таблиця 4

Чисельні значення коефіцієнтів k і показників ступеня n в

рівняннях залежності параметрів ванн від номінальної потужності

трансформаторів та активної потужності печей

Потужність | Dе | Dp | Dв | hв

kэ | nэ | kр | np | nв | nв | kв | nd

номінальна | 423,4 | 0,3482 | 1027,6 | 0,4104 | 1371,8 | 0,5149 | 741,5 | 0,4104

активна | 483,4 | 0,3257 | 1184,8 | 0,337 | 1725 | 0,4782 | 761,9 | 0,4305

Отримані кореляційно-регресивні залежності дозволяють надійно обґрунтувати вибір основних геометричних параметрів ванни печей РКЗ, в тому числі і для дослідно-промислового освоєння виплавки феросиліцію з використанням у складі шихти антрациту замість частини коксу-горішка.

Досліджено вплив поєднання електричних характеристик на електроопір ванни печей. З урахуванням питомого електроопору коксу-горішка і донецького антрациту зроблено висновок про раціональність використання в складі шихти антрациту, що повинно підвищити електроопір шихти верхніх горизонтів ванни і, таким чином, більш раціонально розподілити потужність, яка підводиться, зосереджуючи її в більшій мірі в реакційній високотемпературній зоні.

Результати та аналіз дослідно-промислового освоєння і впровадження електротермічної технології виплавки феросиліцію з заміною в шихті частини коксу-горішка донецьким антрацитом. Обґрунтуванням заміни частини коксу-горішка антрацитом послужили розглянуті електричні характеристики ванни електропечі при регулюванні зміною опору шихти (рис. 18). Введення в шихту антрациту підвищує опір шихти rш і приводить до росту потужності дугового розряду і відповідному зниженню потужності, яка виділяється в шихті. Раціональне співвідношення антрацит: кокс-горішок підтверджується електротехнологічними характеристиками ванни електропечі.

Дослідно-промислове освоєння технології виплавки феросиліцію проведено в цеху № 4 ВАТ „ЗФЗ” в електропечі РКЗ-27 № 34, наступних геометричних параметрів: Dе = 1200 мм; Dp = 3000 мм; Dв = 6690 мм; Dк = 8300 мм і висоті кожуха ванни печі Нк = 5120 мм. Паспортні характеристики пічного трансформатора на високій стороні напруги наступні: напруга на всіх 17 ступінях 10 кВ і струм в залежності від ступіня напруги від 1262 А (для першого ступеня) до 995 А (для 17-го ступеня). Результати дослідно-промислової кампанії (табл.5) підтвердили принципову можливість заміни 20% коксу-горішка антрацитом. Для подальшого поліпшення технологічного процесу проведені досліди на печі 34 з використанням суміші коксу-горішка, антрациту з довгополуменевим вугіллям, склади яких приведені нижче.

Відновник | Ств | Летючі | Сірка | Зола | Волога | Використання відновника за твердим вуглецем

Кокс | 83,4 | 2,5 | 1,6 | 12,5 | 17,9 | 72,3

Антрацит | 86,3 | 4,3 | 1,8 | 7,2 | 4,6 | 14,9

Довгополуме-неве вугілля | 52,7 | 42,0 | 1,0 | 4,3 | 14,7 | 12,8

Таблиця 5

Техніко-економічні показники виплавки феросиліцію марки ФС65

в дослідний (ДП) і базовий (БП) періоди

Найменування показників | Одиниця виміру | Значення показників

БП | ДП

Тривалість періоду | доба | 20,9 | 19,76

Фактична потужність печі | кВт | 17645,1 | 17201,42

Фактична продуктивність | т/добу | 55 | 51,2

Фактична продуктивність | т/1000 кВт | 3,12 | 3,14

Питомі витрати матеріалів:

кварцит

кокс

антрацит

довгополуменеве вугілля | кг/баз.т

1655,2 | 1653,3

822,7 | 559

- | 111,1

156,2

Всього відновника | 822,7 | 826,3

Всього відновника за Ств

сталева стружка

окалина

відходи

електродна маса | 653,0 | 644,8

369,8 | 352,0

11,6 | 49,8

35,2 | 35,2

30,9 | 32,3

Питомі витрати електроенергії | кВтч/баз.т | 7685,1 | 7644,6

Вилучення кремнію | % | 86,8 | 86,8

Всього шихти за фактичну добу | т | 169,73 | 160,75

Питомі витрати шихти | т/1000 кВт | 9,62 | 9,34

За період дослідно-промислового освоєння і впровадження технології виробництва феросиліцію виплавлено 31434 т сплаву марки ФС65, який за всіма показниками задовольняє нормам стандарту ДСТ 1415-78.

Використання донецького антрациту при виплавці феромарганцю ФМн78Б. За діючою на ВАТ „ЗФЗ” технологією феромарганець ФМн78Б (75-82% Mn; 7% З; 0,7% Р и 0,02%S) (ДСТУ 3547-97) виплавляють безфлюсовим методом в дугових трьохфазних електропечах одиничної потужності 5 і 7 МВА. Дослідно-промислові кампанії виплавки феромарганцю ФМн78Б з заміною в шихті частини коксу-горішка донецьким антрацитом марки АМ проводили в 2001р.

З п'яти варіантів дослідних шихтовок варіант 1 з заміною 40% коксу-горішка донецьким антрацитом, використанням 1600 кг нікопольських марганцевих концентратів, 400 кг імпортної руди і 300 кг зворотніх відходів забезпечило поліпшення техніко-економічних показників:

Найменування показників | Дослідна технологія (варіант 1) | Базова технологія (середні значення)

Використана потужність, кВт | 3630 | 3642

Продуктивність печі, т/добу | 22,35 | 21,78

Питомі витрати матеріалів, кг/т феромарганцю:

- концентрату 1 сорт Б (48%) | 2362 | 2774

- концентрату 1 сорту (48%) | 702 | 537

- коксу | 32,0 | 527

- антрациту | 196 | -

- відходів | 539 | 543

- сталевої стружки | - | 29

Витрати електроенергії, кВтг/баз.т | 3787 | 3871

За період з 2001 по 1.07.2003р. дослідно-промислового освоєння технології і впровадження у виробництво донецького антрациту самостійно або в суміші відновників на ВАТ „ЗФЗ” було витрачено 19184 т антрациту марки АМ ГХК “Ровенькиантрацит” і виплавлені 210 тис. т феросплавів з економічним ефектом 2 млн.318 тис. грн.

В И С Н О В К И

Головний підсумок дійсної дисертаційної роботи в області теорії і технології електрометалургії феросплавів полягає в тому, що в рамках пріоритетних проблемних наукових і науково-технологічних задач ресурсозбереження і підвищення конкурентоздатності металопродукції, поставлених в Національній програмі розвитку і реформування гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р. (затверджені Верховною Радою України від 06.10.1998 р., № 166-IV), а також відповідної постанови Кабінету Міністрів України, на основі результатів теоретичних і прикладних досліджень розроблена і впроваджена електрометалургійна технологія великотонажного виробництва феросиліцію з використанням нетрадиційного вуглецевого відновника – донецького антрациту замість частини дорогого і дефіцитного коксу-горішка при поліпшених вартісних і якісних показниках конкурентоздатності феросиліцію на ринках феросплавів.

Наукова значимість дисертації полягає в узагальненні комплексних досліджень сучасного електрометалургійного процесу виплавки висококремністого феросиліцію, вибору електрометалургійного устаткування та в створенні концепції використання нетрадиційних для електротермії феросплавів вуглецевих відновників, виявлені більш широкі можливості застосування антрациту, довгополуменевого вугілля у виробництві феросплавів.

1. Проведено аналітичне дослідження даних щодо фізико-хімічних властивостей твердих і рідких кремнію, розчинів кремнію в залізі і силіцидних фаз в системі Fe-Si; що дозволило виявити і виділити найбільш значимі результати, положення і висновки, які можуть розглядатися як передумови для виконання наступних розділів дійсної дисертаційної роботи.

2. Комплексними дослідженнями металофізичної структури дисиліцидної фази (лебоїта) в системі Fe-Si, яка в різних джерелах, маючи формульний склад FeSi2, FeSi2,3, FeSi2,4, фактично представляє нестехіометричне сполучення з дефіцитом атомів заліза FexSi2 (х = від 0,77...…0,87); при 9370С. Встановлено, що вона евтектоїдно перетворюється за реакцією FexSi2 (FeSi2) + Si і впливає на структуру та механічні властивості злитків феросиліцію.

3. Експериментально досліджені фазові перетворення в феросиліції марок ФС45, ФС65 і ФС70 методом синхронного термічного аналізу – диференціальної скануючої калометрії (ДСК) і термогравіметрії; кількісно оцінені термічні ефекти при нагріванні та охолодженні зразків сплаву, а також визначена теплоємкість феросиліцію в температурному інтервалі 20-13500С; вперше проведений термокінетичний аналіз плавлення (затвердіння) феросиліцію різних марок.

4. Виконано термодинамічний аналіз процесів взаємодії компонентів в системі Si-O, проаналізовані дані про термічну дисоціацію оксидів SiО2 і SiOгаз. Проаналізовано дані про поліморфні перетворення кварцу, тридиміту і кристобаліту, а також про температурно-концентраційну область існування двох рідин, які не змішуються, Ж1 (SіО1,9-1,83) і Ж2 (SiО2-x-y), що підтверджують літературні дані про участь цих „рідин” в реакціях відновлення кремнію з кремнезему вуглецем.

5. Виконані аналітичні дослідження термодинамічних властивостей Si-O, SiС, а також взаємодій компонентів в системах Si-C, Fe-Si-C, Si-O-C з урахуванням водню і водяної пари в газовій фазі; за допомогою моделювання рівноваг в системі Si-O-C (Н2, Н2О) розроблена термодинамічна модель процесу одержання кремністих сплавів, показано, що наявність водню в газовій фазі приводить до зсуву областей стабільності продуктів відновлення (Si, SiС) в зони з більш низькою температурою, в присутності вологи газова фаза SiOгаз – СО в реакційній зоні стає нестабільною, а утворений при окисленні SiOгаз кремнезем вимагає додаткової („непродуктивної”) витрати вуглецю.

6. З використанням сучасних методик і апаратури для прецизійних фізико-хімічних експериментів досліджена мікроструктура злитків феросиліцію марок ФС75, ФС65 і ФС45. Узагальнені і проаналізовані результати ретроспективних досліджень структури злитків промислового феросиліцію і виявлені основні фактори, які підсилюють схильність до розвитку явища розсипання їх з виділенням отруйних газів РН3 і AsН3. Вперше встановлено і обґрунтовано важливий факт, що при мікрозондуванні в полі електронного мікроскопа надлишкових фаз виділення на поверхні аншліфа фосфор- (миш'як)-вмісних фаз не вдається знайти, внаслідок взаємодії їх з вологою в процесі виготовлення аншліфів. Досліджено мікроструктуру злитків феросиліцію мікрозондуванням основних і надлишкових фаз на аншліфах і на поверхні свіжих зламів зразків феросиліцію; показано, що основні фази представлені силіцидами, фосфор і миш'як концентруються в надлишкових фазах, збагачених кальцієм і алюмінієм. Встановлено, що в структурі є виділення, які містять регламентовані стандартом ДСТ1415-78 домішкові елементи (Cr, Mn, Ti), а також обговорені документами елементи (Cu, Ni, Zr, W, Mo, Pb, Zn, As), які вносяться в ванну печі в основному сталевою стружкою.

7. З огляду на вплив температурно-тимчасових і теплофізичних параметрів розливання феросиліцію на схильність злитків до розсипання та створення некондиційного дріб'язку при фракціюванні злитків, проведені дослідно-промислові експерименти по визначенню раціональних режимів розливання феросиліцію на конвеєрних машинах.

8. Розроблена і реалізована принципово нова методика визначення кількості (кратності) мінеральної (силікатної) частини пічних гетерогенних шлаків з використанням експериментально отриманих даних про природну питому радіоактивність вихідних компонентів і продуктів плавки – феросиліцію і шлаку. Вперше досліджена природна радіоактивність пічних шлаків феросиліцію; встановлено, що природні радіонукліди Ra і Th, а також радіоактивний ізотоп калію К, які надходять з вихідними шихтовими компонентами концентруються в пічному шлаку, внаслідок чого, ефективна активність шлаку, яка розрахована за формулою Аэф = АRa +1,3АTh + 0,086АK, досягає 700-1000 Бк/кг; питома радіоактивність феросиліцію і карбіду кремнію незначна і тому вкраплення їх в шлаку знижують ефективну активність останнього.

9. Петрографічними дослідженнями зразків пічних шлаків феросиліцію комерційних марок ФС45, ФС65 і ФС75 встановлено, що шлаки гетерогенні за своєю природою, мають в мінеральній частині значну кількість вкраплень карбіду кремнію і феросиліцію. Виконано рентгеноструктурний аналіз цих шлаків і показано, що за своїми складами вони відповідають анортито-геленітовим полям системи CaO-Al2O3-SiО2. З використанням апаратури і методик для прецизійних досліджень – електронно-растрового мікроскопа JSM-Т300 з енергодисперсійною приставкою для рентгеноспектрального мікроаналізатора Phoenix Pro – вивчені мікроструктури пічних шлаків, а також отримані дані про структуру шлаку у вторинних електронах і розподіл елементів O, C, Al, Si, Ca, Fe між мінеральними складовими. З використанням рентгенівського мікроаналізатора РЭММА-101 з енергодисперсійною приставкою проведене мікрозондування окремих ділянок в площині аншліфів, яке дозволило визначити хімічні склади мінеральних (силікатних) частин шлаків феросиліцію.

10. Оцінено термодинамічні активності компонентів шлаку в анортитовій і геленітовій концентраційних областях при температурах 1823 К і 1873 К; результати досліджень використані при розробці технології виплавки феросиліцію ФС65 і ФС70 з регламентованим вмістом алюмінію і підтверджують, що плавка феросиліцію уявляє різноманітний процес, а сталість масових співвідношень компонентів в наважках шихти не повною мірою забезпечує заданий склад оксидів в пічному шлаку і хімічний склад феросиліцію.

11. Проаналізовано мінералогічні характеристики банічського, овручського і васильківського кварцитів – сировинної бази для виплавки феросиліцію і феросилікомарганцю; показано, що мінералогічна структура, пористість, вміст домішкових оксидів, водопоглинання, термічна стійкість багато в чому визначають можливість і доцільність використання васильківського кварциту для виплавки феросиліцію. Обґрунтовано необхідність обліку при термодинамічному аналізі процесів відновлення кремнію в ваннах феросиліцієвих печей газорідинних вкраплень в кварцитах, як одного з джерел надходження водню в газову фазу піделектродної порожнини ванни печі.

12. Досліджено рівноваги фаз в багатоелементній системі Si-Al-Ca-Mg-Fe-O-C в інтервалі температур 1650-19000С для випадку „закритої” системи і визначені рівноважні склади металевої (феросиліцій), шлакової і газової фаз для термодинамічно закритої і відкритої систем. Показано, що вміст кремнію в металевій фазі не досягає розрахункових значень через створення великої кількості SiС, виключення з розрахунку SiС („відкрита” система) дозволяє одержувати з промислової шихти феросиліцій приблизно заданого складу за вмістом кремнію.

13. Виконані статистичні дослідження та обґрунтування енерготехнологічних параметрів руднотермічних круглих закритих печей (РКЗ) на основі вибірки даних, які включають 118 печей, що виплавляють феросиліцій та інші кремністі феросплави. Отримані аналітичні взаємозв'язки відповідних геометричних параметрів ванни печі (діаметра електрода Dе, діаметра розпаду електрода Dp, діаметра ванни Dв і глибини ванни h) від встановленої номінальної потужності пічного трансформатора S і активної потужності Р. Проаналізовані дані про взаємовплив електричних характеристик на електроопір ванни печі з обліком питомого електроопору коксу-горішка і донецького антрациту, зроблено висновок про раціональність використання в складі шихти антрациту, який повинен підвищити електроопір шихти верхніх горизонтів ванни і, таким чином, більш раціонально розподілити потужність, яка підводиться, зосереджуючи її в більшій мірі в реакційному піделектродному просторі (порожнині).

14. На основі узагальнення наукових положень дисертації і виконаних комплексних досліджень в контексті матеріало- і енергозбереження в практиці одержання кремністих феросплавів в потужних рудовідновних печах розроблені і впроваджені на ВАТ „ЗФЗ” в промисловість технології виплавки феросиліцію і феромарганцю з частковою заміною коксу антрацитом у відновній частині шихти. За період з 2001 по 1.07.2003р. дослідно-промислового освоєння технології і впровадження в виробництво донецького антрациту самостійно чи в суміші відновників на ВАТ „ЗФЗ” було витрачено 19184 т антрациту марки АМ ГХК шахти „Ровенькиантрацит” і виплавлені 210 тис. т феросплавів з економічним ефектом з пайовою участю автора 2 млн. 318 тыс. грн.

Список опублікованих здобувачем робіт за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

25.

26.

27.

28.

29.

30.

Анотація

Зубов В.Л. Теорія і технологія виробництва феросиліцію у потужних рудовних електропечах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук зі спеціальності 05.16.02 – Металургія чорних металів. Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ – 2004.

Дисертація присвячена теоретичним і експериментальним дослідженням з метою вирішення актуальної науково-технологічної проблеми ресурсозбереження, підвищення якості та зменшення витрат при виробництві феросиліцію безперервним електротермічним способом в потужних печах (23-27 МВА) з використанням нетрадиційних вуглецевих відновників.

В роботі узагальнені результати досліджень, щодо вивчення фізико-хімічних властивостей сплавів системи залізо-кремній, термодинаміки фазових перетворень в феросиліції промислової виплавки, а також процесів відновлення кремнію з кремнезему вуглецем в системі Si-O-C-H по розробленій термодинамічній моделі з урахуванням наявності водню в пічній газовій атмосфері.

Подані результати металографічних досліджень мікроструктури феросиліцію та комплексного вивчення структури і властивостей пічних шлаків системи СаО-Al2O3-SiO2, які кристалізуються в анортитовому і геленітовому концентраційних полях, та їх впливу на вміст алюмінію в феросиліції, а також концентрування в них радіонуклідів , и .

Наведені дані досліджень технологічних властивостей кварцитів і антрацитів різних родовищ, а також узагальнені результати впровадження розробленої технології виплавки феросиліцію з використанням у складі шихти донецького антрациту замість частин коксу-орішку та техніко-економічні показники, які підтверджують ефективність розробленої ресурсозберігаючої технології.

Ключові слова: феросиліцій, структура, моделювання, шлак, активність, кварцит, кокс, антрацит, ресурсозбереження, ефективність.

Аннотация

Зубов В.Л. Теория и технология производства ферросилиция в мощных рудовосстановительных электропечах. – Рукопись. Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.16.02 – Металлургия черных металлов, Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск – 2004.

Диссертация посвящена теоретическому обоснованию решения актуальной проблемы ресурсосбережения и повышения конкурентоспособности высококремнистого ферросилиция производимого в закрытых ферросплавных печах большой единичной мощности 23-27 МВА. Теоретические, прикладные исследования и опытно-промышленные эксперименты по отработке технологии выплавки ферросилиция выполнены в рамках приоритетных направлений научных разработок по развитию горно-металлургического комплекса Украины.

В работе обобщены и проанализированы литературные данные и результаты исследований соискателя в области физико-химии процессов и технологии производства одного из наиболее энерго- и материалоемких многотоннажных ферросплавов – ферросилиция марок ФС75, ФС65 и ФС45.

Рассмотрен комплекс физико-химических свойств сплавов, диаграмма фазовых равновесий в системе железо-кремний; приведены результаты экспериментального исследования термодинамики фазовых превращений при плавлении (кристаллизации) и охлаждении (нагреве) ферросилиция промышленной выплавки; зависимости изменения теплоемкости и энтальпии ферросилиция различных марок, а также параметры машинной разливки ферросилиция.

Изложены результаты исследования физико-химии процессов восстановления кремния из кремнезема углеродом, разработана термодинамическая модель взаимодействия компонентов в системах Si-O-C-(H), Fe-Si-O-C-(H) применительно к температурным параметрам процессов выплавки кристаллического кремния и ферросилиция, с учетом наличия водорода во внутренней реакционной зоне ванны рудовосстановительной печи; рассчитаны координаты точек нонвариантных равновесий сосуществования компонентов в системе Si-O-C-(H).

Приведены результаты исследования металлофизической природы основных и избыточных фаз в структуре слитков промышленного ферросилиция; изложены методики прецизионных исследований химических составов фосфор – (мышьяк) – содержащих фаз; установлены количественные соотношения элементов Са, Al и Р (As), при определенных условиях приводящие к рассыпанию слитков ферросилиция во влажной атмосфере с выделением ядовитых газов – фосфина и арсина.

Обобщены материалы экспериментальных исследований структурных составляющих гетерогенных печных шлаков, представленных базовой структурой силикатной части системы CaO-Al2O3-SiO2, карбидом кремния и включениями ферросилиция; изложен разработанный радионуклидный метод определения кратности силикатной части гетерогенного шлака, результаты определения активности CаO, Al2O3 и SiO2 c использованием данных микрорентгеноспектрального анализа силикатной части печного шлака ферросилиция, что позволяет уточнить взаимосвязь содержания регламентированной стандартом примеси – алюминия и химического состава силикатной части шлака. Изложены результаты исследований естественной радиоактивности шихтовых материалов и продуктов плавки – ферросилиции и печного шлака. Впервые установлено, что радионуклиды , и изотоп концентрируются в силикатной части шлака.

Оценены технологические свойства кварцитов различных месторождения, проанализирована природа связанной воды в кварцитах, как одного из источников поступления влаги (водорода) во внутреннюю зону ванны ферросилициевой печи и, следовательно, водорода в газовую фазу и жидкий ферросилиций; разработаны Технические условия на кварцит Васильковского месторождения. Приведены результаты статистического исследования энерготехнологических параметров ферросилициевых печей, аналитические взаимосвязи геометрических параметров ванн печей от номинальной и активной мощности печных трансформаторов, а также результаты опытно-промышленного освоения и внедрения технологии выплавки ферросилиция с использованием антрацита и длиннопламенного угля взамен части дорогого и дефицитного кокса-орешка.

Ключевые слова: ферросилиций, структура, моделирование, шлак, активность, кварцит, кокс, антрацит, ресурсосбережение, эффективность.

Summary

Zubov V.L. Theory and Technology of Ferrosilicon production in High-power ore-reducing Furnaces – (Manuscript).

Dissertation (thesis) Submitted for acquisition of a Scientific degree of Doctor of Technical Sciences by Specialty 05.16.02 – Metallurgy of ferrous metals.

National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2004.

The thesis considers theoretical and experimental studies for solving of problems of resources saving, improvement of quality, and cost reduction in ferrosilicon manufacturing by a continuos electrothermal method in high-power (23-27 MVA) furnaces with non-traditional carbon reducing agents.

In the thesis the results of following studies are outlined: physical chemistry of iron-siliconalloys, phase transformation thermodynamics for commercial grace ferrosilicon, reduction of silicon for silica by carbon in the Si-O-C-H system with the developed thermodynamic model including account of hydrogen in the furnace environment.

The results of metallographic studies of microstruсture of ferrosilicon and furnace slаgs of the CaO-Al2O3-SiO2 System (of anortite and helenite Solidification felds) are presented. These data are correlated with aluminium concentration in ferrosilicon as well as redionuclides , and . Technological properties of guartzites and anthracites of different genesis and results of implementation of developed technology for ferrosilicon are shown. Substitution of Donetsk antracite insteadof core optimization of parameters demonstrate the efficiency of developed technology.

Keywords: ferrosilicon, structure, modelling, slag, activity, quartzite, coke, anthracite, resource, savings, efficiency.