Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації здобувача вченого ступеня

доктора технічних наук

Теорія і технологія виробництва феросиліцію в потужних рудовідновних електропечах

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

феросиліцій шлак пічний

Актуальність теми. В структурі гірничо-металургійного комплексу України важливе науково-технічне і соціально-економічне значення має промисловий електрометалургійний потенціал з виробництва феросплавів, який представлений Запорізьким (ЗФЗ), Стаханівським (СФЗ) і Нікопольським (НЗФ) феросплавними заводами. Електропічні потужності на цих заводах складають 1500 МВА, тобто 45-48% від потужності всіх десяти феросплавних заводів колишнього СРСР. Основними видами феросплавів, які виробляються на вітчизняних заводах України, є феросиліцій з вмістом кремнію від 20% до 90% (ДСТУ 1415-78), феросилікомарганець від 15 до 20% Si (ДСТУ 3548-97) феромарганець (ДСТУ 3547-97).

Феросплавне виробництво України має експортно-орієнтований характер. З всього широкого марочного складу феросиліцію, переважно виплавляється конкурентоздатний феросиліцій марок ФС65, ФС70 і ФС75, який містить відповідно 65; 70 та 75% Si.

Світове виробництво феросиліцію, а отже його ринок, значною мірою визначаються об'ємом виплавки сталі. В перерахунку на вміст чистого кремнію в 2000 р. в світі виплавили 2 млн. 471 тис. т Si, в тому числі 770 тис. т в КНР, 360 тис. т в Норвегії, 243 тис. т в США. В Україні в 2002 р. на ВАТ „ЗФЗ” і ВАТ „СФЗ” вироблено ~370 тис. т феросиліцію або ~166 тис. т кремнію. За середніми питомими витратами електроенергії 12500 кВтгод/т Si для виплавки феросиліцію в 2002р. в Україні спожито близько 2 млрд. кВтгод електроенергії.

Зміцнення позицій вітчизняного феросиліцію в умовах жорстокої конкуренції на європейському, американському та азіатському ринках феросплавів, може бути досягнуто подальшим ростом його конкурентоздатності шляхом підвищення якості сплаву за вмістом домішкових елементів, регламентованим фракційним складом та зниження собівартості за рахунок зменшення питомої витрати шихтових матеріалів, залученням в виробництво більш дешевих кварцитів і вуглецевих відновників та зменшення питомої витрати електроенергії.

Значним внеском у розвиток теорії і технології виробництва феросиліцію є наукові праці П.В. Гельда, С.Т. Ростовцева, С.Й. Хитрика, Я.С. Щедровицького, М.В. Толстогузова, В.А. Кравченко, а також тих, хто продовжує успішно вести дослідження в цій галузі академіка РАН М.А. Ватоліна, академіка РАН М.П. Лякішева, докторів технічних наук І.В. Рябчикова, В.І. Жучкова, М.Ф. Якушевича, В.Г. Мізина, В.І. Бердникова, Ю.Г. Пономаренко, В.П. Воробйова та ін.

Проблемні питання теорії і технології одержання феросиліцію, вдосконалення конструкцій рудовідновних електропечей, оптимізація електричних режимів плавки, стан ринку феросплавів, постійно є предметами доповідей та обговорення на Міжнародних конгресах по феросплавам (INFACON-97, Норвегія; INFACON-99, КНР; INFACON-2001, Канада; INFACON-2003, ПАР).

Високо оцінюючи багатоплановість та глибину теоретичних розробок, опублікованих в журнальних статтях, збірниках наукових праць вітчизняних і закордонних авторів, все-таки слід зазначити, що ряд принципово важливих для теорії і технології задач залишився не тільки невирішеним, але і не позначеним в достатній мірі. Це відноситься, насамперед, до розробки термодинамічної моделі розрахунку рівноваги фаз в системах Si-O-C і Fe-Si-O-C з урахуванням наявності водню в реакційному просторі ванни печі, ідентифікації складу надлишкових фаз виділення в структурах злитків феросиліцію, які призводить до їхнього розсипання з виділенням отруйних газів PH₃(AsН₃) та крихкості сплавів; вивчення пічних гетерогенних шлаків; визначення природної радіоактивності вихідних матеріалів, продуктів плавки та використання цих даних для контролю за процесами; узагальнення геометричних параметрів ванн та електричних режимів роботи феросплавних печей; обґрунтування нових видів вуглецевих відновників для виплавки феросплавів замість частини дорогого та дефіцитного коксу-горішка.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Рішення сукупності актуальних задач теорії та технології електрометалургійного виробництва феросиліцію повною мірою відповідає цілям та задачам Національної програми розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р., проект якої розроблений відповідно до Постанови Верховної Ради України від 6 жовтня 1998 р. № 166-ХІV, одному з пріоритетів „Концепції розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2005-2010 р.”, затвердженої Урядом України „…здійснення технологічних, економічних та організаційних заходів щодо мінімізації витрат на виробництво”.

Дисертаційна робота пов'язана також з виконанням рішення спільного засідання науково-технічної ради Мінпромполітики та Президії Національної академії наук (лютий 2003р.) про впровадження сучасних екологічно чистих, безпечних, енерго- та ресурсозберігаючих технологій, а також НДР: „Ситуаційне фізико-хімічне моделювання протікання металургійних процесів для розробки системи підтримки прийняття рішень в багатостадійній технологічній схемі отримання феросплавів” (т.Г521F25212 № д/р 0102U006361); “Порівняльна оцінка можливості використання кварцитів Васильківського та Банічського родовищ для виплавки феросиліцію” (т.Х5211030013, № д/р. 0103U006361).

Мета та задачі роботи: Теоретичне і методологічне обґрунтування наукових, технологічних і екологічних основ прогресивних процесів виробництва феросиліцію на основі сучасних принципів ресурсо- та електрозбереження, підвищення якості феросплавів. Для реалізації мети роботи визначені наступні задачі теоретичних, експериментальних і дослідно-промислових досліджень:

Узагальнити та проаналізувати наукову інформацію про фізико-хімічні, технологічні особливості і проблемні задачі процесів виплавки феросиліцію висококремністих марок ФС65, ФС70 та ФС75;

Розвити термодинаміку високотемпературних процесів відновлення кремнію з кремнезему вуглецем стосовно до умов одержання феросиліцію в потужних рудовідновних електропечах з урахуванням наявності в газовій фазі печі водневовмісних компонентів і на основі цих даних уточнити положення точок нонваріантних рівноваг компонентів в системі Si-O-C в координатах lg(P_SiО/P_CO) - 1/T;

Вивчити металофізичну природу базових структурних складових, термодинаміку їх фазових переходів при нагріванні (охолодженні), а також хімічні склади надлишкових фаз виділення в структурі злитків промислового феросиліцію машинного розливання з використанням апаратури і методик прецизійних фізико-хімічних досліджень;

Дослідити анортитові і геленітові складові пічних шлаків феросиліцію комплексом методик, визначити активності ведучих компонентів (СаО, Al₂O₃ і SiО₂) шлаків та виділити домінуючі фактори, які впливають на розподіл регламентованої стандартом домішки - алюмінію - між металевою та шлаковою фазами в ванні феросплавної печі;

Експериментально дослідити питому активність радіонуклідів , і ізотопу з використанням сертифікованих приладів та методик, оцінити термодинамічну можливість відновлення оксидів вуглецем, визначити розподіл елементів між феросиліцієм і шлаком, а також встановити ступінь концентрування зазначених радіонуклідів в шлаковій фазі;

З використанням даних з радіоактивності , і розробити методику визначення хімічного складу і кількості силікатної основи гетерогенних пічних шлаків виплавки феросиліцію;

Провести статистичну обробку та аналіз літературних даних про геометричні параметри ванн рудовідновних електропечей і електричних режимів виплавки феросплавів, обґрунтувати вибір печі на ВАТ „ЗФЗ” для дослідних плавок;

Виконати аналітичне дослідження та аналіз даних з використання нетрадиційних видів вуглецевих відновників при виплавці феросплавів, науково обґрунтувати і провести дослідно-промислове освоєння технології виплавки феросиліцію з заміною частини коксу-горішка антрацитом та сумішшю антрациту з довгополуменевим вугіллям;

Узагальнити технологічні методи утилізації шлаку феросиліцію та обґрунтувати доцільність його використання в складі шихти для виплавки феросилікомарганцю з урахуванням диверсифікації феросплавного виробництва в цеху № 4 ВАТ „ЗФЗ”.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є висококремністий феросиліцій і електрометалургійний процес його виробництва в потужних рудовідновних печах з використанням різних видів шихтових матеріалів та отримані при цьому продукти плавки.

Предмет дослідження. Сутністю предмета досліджень в дисертації є: термодинамічна модель процесів відновлення кремнію з кремнезему вуглецем в присутності заліза, яка враховує вперше сформульоване в роботі наукове положення про вплив водню і водневовмісних компонентів в газовій фазі реакційного об'єму ванни феросиліцієвої печі; фазові перетворення структурних складових феросиліцію різних марок при плавленні, кристалізації та охолодженні; фізико-хімічні властивості гетерогенних шлаків і шляхи їх ефективної утилізації; геометричні параметри ванн і електричні режими роботи феросиліцієвих печей; оцінка можливості і промислове випробування та впровадження технології виплавки феросплавів із заміною частини коксу-горішка донецьким антрацитом.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених в дисертації багатопланових органічно взаємозалежних задач виконано комплексний аналіз і обґрунтовано вибір відповідних теоретичних методів, апаратури і методик експериментальних досліджень. Найбільш повно в дисертації застосовані наступні методи та апаратура:

- Комплексний термічний аналіз (диференціальна скануюча калориметрія і термогравіметрія) фазових перетворень в феросиліції різних марок ФС45, ФС65, і ФС75 з використанням приладу STA 449 “Jupiter” (Netzsch Geratebau GmвН);

- Термодинамічний аналіз реакцій в системах Si-O-C-H;

- Термодинамічна оцінка активностей компонентів СаО, Al₂O₃ і SiО₂ в мінерально-силікатній основі пічних шлаків з застосуванням розробленої прецизійної методики з використанням відповідної апаратури;

- Кількісний енергодисперсійний мікроаналіз елементів в базових структурних складових і надлишкових фазах виділення в феросиліції та пічних шлаках з використанням мікроаналізатора РЕММА-101 і електронного растрового мікроскопа JST-Т1300 (JEOL, Японія) з енергодисперсійною приставкою, рентгеноспектрального мікроаналізатора Phoenix Pro (EDAX, США);

- Рентгеноструктурний аналіз силікатної основи пічних шлаків феросиліцію і вкраплень карбіду кремнію, які містяться в них, феросиліцію і фази „чистого” кремнію з використанням рентгенівського апарата ДРОН;

- Метод виміру природної радіоактивності вихідних шихтових матеріалів і продуктів плавки з використанням приладу 92Х Spectrum Master з посудиною Маринеллі в якості вимірювальної кювети та обробки даних на детекторі GEM 3085 з програмним забезпеченням ЕОМ (А34-У1 ver. MINIGAM);

- Апробовані методи металографічних і петрографічних досліджень сплавів і шлаків;

- Методи статистичної обробки з використанням пакетів програмного забезпечення ЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів. В ході рішення задач, поставлених в дисертації, отримані наступні результати, які володіють науковою новизною:

- Вперше розроблена термодинамічна модель і проведені відповідні розра-хунки рівноваги в системах Si-O-C-(H), Fe-Si-O-C-(H) з урахуванням наявності в газовій фазі реакційного об'єму ванни печі водню при виплавці феросиліцію;

- Досліджена термодинаміка фазових перетворень в феросиліції з вмістом кремнію 45; 65 і 75%; визначені ліквідус і солідус представницьких зразків феросиліцію, а також температура і ентальпія евтектоїдного перетворення Fe_хSi₂ FeSi₂ + Si;

- Вперше кількісно визначено вміст Ca, Al і P(As) в надлишкових фазах виділення в феросиліції марок ФС45, ФС65 і ФС75, при взаємодії яких з вологою утворюється фосфін РН₃ і арсин AsН₃; встановлено аналітичний взаємозв'язок між вмістом Са і Р в цих надлишкових фазах;

- Вперше за розробленою прецизійною методикою визначено хімічний склад базової силікатної частини шлаків і вплив його на вміст регламентованої стандартом домішки - алюмінію в феросиліції;

- Науково обґрунтовано метод визначення кратності шлаку за результатами досліджень природної радіоактивності шихтових компонентів і продуктів плавки висококремністого феросиліцію;

- Вперше встановлено, що радіонукліди Ra, Th та ізотоп К при виплавці феросиліцію концентруються в силікатній базовій частині пічного шлаку;

- Узагальнені, статистично оброблені та отримані аналітичні взаємозв'язки між потужністю пічного трансформатора, геометричними параметрами ванни печі та електричними режимами роботи феросиліцієвих і феросилікомарганцевих печей різної потужності.

Практичне значення отриманих результатів. В дисертації, вирішені наступні практичні задачі:

- Узагальнено і проаналізовано сучасний стан теорії і технології виплавки феросиліцію та визначені основні шляхи підвищення конкурентоздатності виробленого на українських феросплавних заводах феросиліцію в аспекті ціни та якості;

- Проведено термодинамічний аналіз фазових перетворень при кристалізації (плавленні) пічного феросиліцію з різним вмістом кремнію, що має важливе практичне значення для створення технологічних схем розливання феросиліцію різних марок, а також для теплотехнічних розрахунків тепломасообмінних процесів при використанні феросиліцію для розкислення та легування сталі, особливо при позапічних засобах рафінування і легування рідкої сталі на установках електропіч-ківш;

- Розроблена термодинамічна модель високотемпературного процесу відновлення кремнію з кремнезему вуглецем в присутності в газовій фазі водню, яка використана для коректування положення полів, ліній та координат нонваріантних складів конденсованих фаз при різних відносинах парціальних тисків Р_SiO/P_CO і температурі;

- Обґрунтовано термодинамічними розрахунками механізм нераціонального використання вуглецевих відновників на колошнику ванни печі і враховано для вдосконалення пристрою ванни печі;

- Визначені фізико-хімічні і реологічні властивості пічних шлаків феросиліцію;

- Досліджена природна радіоактивність вихідних шихтових матеріалів і продуктів плавки, яка дозволила створити методику визначення кратності шлаку та встановити, що силікатна основа шлаків має в 2-2,5 рази більш високу питому активність, яка повинна враховуватися при переплавних та інших процесах утилізації шлаків феросиліцію для радіологічно безпечної роботи обслуговуючого персоналу;

- Обґрунтовано доцільність утилізації ківшових шлаків феросиліцію у складі шихти для виплавки феросилікомарганцю, яка підвищує корисне використання вкраплень феросиліцію, карбіду кремнію в ньому, коксу та силікатної основи шлаку;

- На дослідно-промислових плавках феросиліцію в закритій печі потужністю 27 МВА ВАТ „ЗФЗ” підтверджена ефективність часткової заміни коксу-горішка донецьким антрацитом і довгополуменевим вугіллям;

- Матеріали дисертації використовуються в навчальному процесі НМетАУ при викладанні студентам спеціальності 7.090 401, 7.090 405 дисциплін „Теорія і технологія одержання феросплавів”; „Проектування електрометалургійних цехів”, а також при виконанні студентами цих спеціальностей курсових, дипломних проектів і магістерських робіт.

Особистий внесок здобувача.

- Розроблена термодинамічна модель розрахунку рівноваги реакцій в системах Si-O-C-Н і Fe-Si-O-C-Н; особистий внесок здобувача полягає в розрахунках і аналізі даних температурної залежності зміни енергії Гіббса реакцій в системах Si-O-C і Fe-Si-O-C [1, 5, 26, 28];

- Проведені термодинамічні розрахунки реакцій взаємодії SiO_газ з водяною парою і Н₂; результати розрахунків зіставлені з даними реакції диспропорціювання 2SiO_газ = SiО₂ + Si; особистий вклад здобувача полягає в розробці методології пошуку наукового обґрунтування причини підвищеної витрати вуглецевого відновника понад стехіометрично необхідного та виконання відповідних розрахунків [1, 4, 7, 12, 28];

- Експериментально досліджена термодинаміка фазових перетворень в зразках феросиліцію промислової виплавки, визначено чисельне значення ентальпії евтектоїдної реакції Fe_xSi₂ FeSi₂ + Si [1, 2, 17, 19];

- Проведено експериментальне вивчення мікроструктури зразків злитків феросиліцію різних марок машинного розливання [1, 3, 6, 8, 9, 13, 18, 23];

- Досліджено фізико-хімічну природу пічних і ківшевих шлаків виплавки феросиліцію різних марок; оброблені і проаналізовані результати досліджень, сформульовані наукові положення і рекомендації з вибору хімічного складу пічних шлаків для одержання феросиліцію із стабільним помірно низьким вмістом алюмінію [1, 16, 20, 22, 27];

- Експериментально досліджена природна питома радіоактивність вихідних шихтових компонентів феросиліцію; оцінені умови безпечної роботи з утилізації ківшевих шлаків виробництва феросиліцію при виплавці феросилікомарганцю, виходячи з вимог норм радіаційної безпеки України (НРБУ-97) [1, 16, 22];

- Розроблено основні положення методики оцінки термодинамічних властивостей компонентів (СаО, Al₂O₃ і SiО₂) силікатної основи пічних шлаків з використанням даних про питому природну радіоактивність шляхом нанесення складів на лінії ізоактивностей цих оксидів в модельних розплавах системи СаО-Al₂O₃-SiО₂ [1, 20, 25];

- Виконано аналіз ефективності застосування різних видів викопного вугілля (антрациту, кам'яного вугілля, довгополуменевого вугілля та ін.) Донецького басейну в якості відновників замість частини коксу-горішка [1, 4, 14, 21, 24, 29, 30];

- Проведене статистичне дослідження, розроблені та обґрунтовані методи вибору геометричних параметрів печей РКЗ і електричних режимів їхньої роботи при виплавці феросиліцію [1, 10, 11, 15].

Реалізація основних висновків і наукових положень, які випливають з результатів багатопланових розробок, виконаних здобувачем особисто та в співавторстві, дозволила впровадити в промислове виробництво технології виплавки феросплавів в умовах ВАТ „ЗФЗ” з реальним економічним ефектом.

Апробація результатів дисертації. Результати теоретичних, експериментальних досліджень, дослідно-промислового освоєння і впровадження розробленої технології виплавки феросиліцію і феромарганцю, виконаних в рамках мети і задач дисертаційної роботи доповідалися на 7 міжнародних науково-технічних конференціях: „Актуальні проблеми і перспективи електрометалургійного виробництва: Теорія і технологія, ефективність використання мінерально-сировинних ресурсів, екологія, економічні аспекти розвитку внутрішнього і зовнішнього ринків”. Дніпропетровськ-Нікополь, червень 1999р.; Міжнародний конгрес “Машинобудівні технології 01”. Болгарія: Софія, 24-26 червня 2001р.; Міжнародна конференція з управління “Автоматика-2001”. Одеса, 10-14 вересня 2001р; „Фізико-хімічні основи металургійних процесів”. Москва, 19-20 листопада 2002р.; „Актуальні питання теорії і технології виробництва феросплавів”, Дніпропетровськ. НМетАУ, лютий 2002р.; „Україна наукова - 2003”. Дніпропетровськ, 16-20 червня 2003р.; „Прогресивні енерго- та ресурсозберігаючі технології і обладнання в електротермії феросплавів”. Запоріжжя, 8-9 жовтня 2003р.;

Матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на науково-технічних семінарах кафедри електрометалургії НМетАУ, а також на технічних радах ВАТ „ЗФЗ”.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 30 наукових праць, в тому числі монографія: “Електрометалургія феросиліцію”. Дніпропетровськ. ГНПП „Системні технології”. 2002. - 704с. Отримано патент України № 49727 і опубліковано 16 тез доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів з висновками до кожного розділу і загальних висновків. Вона представлена на 316 сторінках комп'ютерного тексту, в тому числі містить 56 таблиць, 107 рисунків і 229 літературних джерел, включаючи наукові публікації здобувача по темі дисертації. Дисертація оформлена відповідно до вимог ДСТУ 3008-95. “Документація. Звіт в сфері науки і техніки. Структура оформлення.”

Вважаю своїм обов'язком висловити подяку науковому консультанту академіку НАН України, професору Гасику М.І. за надану допомогу при виборі і обґрунтуванні теми дисертації, цінні поради і рекомендації, висловлені їм при виконанні автором досліджень та інтерпретації їх результатів. Автор вдячний також колективу кафедри електрометалургії, яка представляє наукову школу електроферосплавщиків України.

Успішному проведенню дослідно-промислових експериментів і впровадженню у виробництво технології виплавки феросиліцію і феромарганцю з заміною частини коксу-горішка антрацитом сприяла науково-організаційна допомога керівників ВАТ „ЗФЗ”, інженерно-технічних служб і працівників плавильних цехів заводу. З вдячністю відзначаю великий внесок авторів, авторських колективів ряду монографій, численних наукових, науково-виробничих статей, критично проаналізованих і узагальнених в бібліографічному списку дисертації, які протягом багатьох десятиліть брали участь в наукових пошуках вирішення проблемних задач підвищення якості феросиліцію та ефективності його виробництва, вирішували чи в різному ступені наближалися до їх вирішення.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми і відповідність роботи основним цілям і задачам Національної Програми розвитку гірничо-металургійного комплексу України 2005-2010 р., рішенням спільного засідання Науково-технічної ради Мінпромполітики та Президії НАН України (лютий 2003р.), а також визначені цілі, задачі, об'єкт, предмет і методи дослідження, практичне значення отриманих в роботі результатів, особистий внесок здобувача, апробація і публікації результатів роботи.

ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕРМОДИНАМІКИ ФАЗОВИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ В ФЕРОСИЛІЦІЇ

Високотемпературний процес отримання феросиліцію засновано на відновній плавці шихти, яка складається з кварциту, коксу і залізної стружки. Формування металевої фази проходить шляхом послідовного насичення сталевої стружки, яка обплавлюється, кремнієм по висоті ванни печі з остаточним доведенням розплаву до заданої марки феросиліцію на подині печі. Вміст кремнію в феросиліції марочного сортаменту вар'їрують в межах від 19 до 92%. Це обумовило необхідність розгляду в роботі фазових рівноваг в системі Fe-Si в концентраційній області від 0 до 100% Si. У зв'язку з цим проаналізована діаграма фазових рівноваг в системі Fe-Si в найбільш повному варіанті, яка представлена в довідковому виданні „Діаграми стану подвійних металевих систем” в чотирьох томах під загальною редакцією академіка РАН М.П. Лякішева, також в довіднику T.B. Massalski “Binary Alloy Phases Diagrams”.

Промисловий феросиліцій містить домішкові елементи Al, Ca, Mn, Cr, Ti, P, S, As та ін., які впливають на процеси формування мікро- і макроструктури злитків, термодинамічні характеристики сплавів різних марок, механічну міцність і, за певних умов, екологію - через виділення отруйних газів РН₃ і AsН₃.

Фазові перетворення при нагріванні (охолодженні) зразків феросиліцію (табл.1) досліджували методом синхронного термічного аналізу, який представляє собою сполучення методів диференціальйної скануючої калориметрії (ДСК) і гравіметрії.

де dН - змінення ентальпії; Т - температура; m - маса зразка, яка може залежати від часу і температури.

Тому відповідно до методу ДСК питому теплоємкість розраховували за формулою:

де індекси “s”, “std”, “base” - відповідно зразок, стандарт і базова лінія; ДСК - сигнал.

Порівняльні криві ДСК термічного аналізу феросиліцію ФС45, ФС65, ФС70 показані на рис.3, а температури фазових перетворень в табл. 2. На кривих ДСК є неідентифіковані піки, які приблизно обумовлені домішковими фазами.

Таблиця 2. Порівняння температур піків ДСК феросиліцію при нагріванні (над рисою) і охолодженні (під рисою)