ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПЕЦИАЛЬНЫХ ВИДОВ КОКСА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ ВЫСОКОКРЕМНИСТЫХ СПЛАВОВ
|
Актуальность работы.
Ускорение научно-технического прогресса и подъем на качественно новый технический уровень электротермического производства высококремнистых сплавов неразрывно связаны с подбором недефицитных углеродистых восстановителей, обеспечивающих эффективность технологического процесса и требуемое качество металла. В настоящее время Казахстан имеет все предпосылки для создания на своей территории производства технического кремния с организацией полного технологического цикла. Однако, крайняя ограниченность лесных массивов, не позволяющая создать в стране собственное производство древесного угля, являющегося базовым углеродистым восстановителем при выплавке высокомарочных сортов кремния, требует поиска новых технических решений.
Известно, что к рудной части и восстановителям при выплавке кремния предъявляют высокие требования, особенно по чистоте примесей. Традиционно используемые в качестве восстановителей углеродистые материалы: древесные и каменные угли, кокс, нефтяной кокс, а также торфяные брикеты и торфяной кокс, антрацит, полукокс различны по свойствам, особенно по структуре и по ряду причин не всегда могут применяться для производства кремния.
Особое место в Казахстане занимают длиннопламенные угли Шубаркольского месторождения. Их малая зольность, возможность добычи открытым способом, мощность пластов, чистота по сере и фосфору, близость бассейна к промышленным предприятиям послужили причиной изыскания экономически выгодных способов превращения их в сырье с получением специальных видов кокса. При этом существующие спецкоксы по структуре и свойствам, методам управления технологическим процессом во взаимосвязи с химическим составом и техническими характеристиками указанных восстановителей недостаточно систематизированы. Последние необходимо рассматривать с особенностями пористой структуры, так как ее развитость обусловливает, в конечном итоге, химическую активность восстановителя и удельное электросопротивление. Таким образом, создание альтернативных видов восстановителей и их использование для технологии выплавки кремния с целью сокращения расхода древесного угля или полного его исключения из технологического процесса производства кремния является актуальной проблемой.
Цель работы: Исследование физико-химических характеристик, совершенствование технологии получения специального вида кокса и его использование для выплавки технического кремния.
Задачи исследований:
1. Выявить особенности микроструктуры спецкокса.
2. Выполнить сравнительный анализ различных методов определения пористости спецкокса.
3. Определить оптимальные технологические параметры процесса получения спецкокса с развитой пористой структурой.
4. Провести опытные испытания технологии выплавки кремния с использованием нового вида спецкокса - рексила.
Методика исследований.
Работа выполнена с использованием современных методов исследования физико-химических свойств материалов и металлургических процессов: микро-структура восстановителей изучена с применением электронной микроскопии на сканирующем электронном микроскопе 18М-5910; фазовый состав - рентгенофазовым анализом на дифрактометре рентгеновском ДРОН-3; термогравиметрия - дифференциально-термическим анализом на дериватографе ВЕКХУАТООКАРН Р-1500В; пористость - ртутной порометрией на ртутном порозиметре АнХоРоге IV 9500; удельная поверхность - методом низкотемпературной адсорбции на газоанализаторе ТпЗХаг II; реакционная способность - по ГОСТ 10089-89.
Достоверность полученных результатов базируется на использовании сертифицированных физико-химических методик анализа технологических исследований и обеспечивается воспроизводимостью данных на этапах лабораторных, укрупненно-лабораторных и опытно-промышленных исследований.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- результаты исследования структуры различных видов восстановителей;
- новые представления о закономерностях формирования поровой структуры спецкоксов во взаимосвязи их со скоростью нагрева угля в области температур его деструкции;
- результаты испытаний по определению критической скорости нагрева угля, выше которой начинается процесс интенсивного порообразования;
- результаты опытных испытаний технологии выплавки кремния с использованием нового вида спецкокса (рексила).
Научная новизна:
1. Рассмотрена поровая структура коксов и спецкоксов, полученных соответственно из спекающихся и неспекающихся углей. Показано, что для спец- кокса развитость поровой структуры в основном определяется скоростью нагрева угля в области температур его деструкции.
2. Установлена динамика изменения структуры спецкокса в зависимости от скорости нагрева угля в диапазоне температур его деструкции (350-550 °С).
3. Экспериментально установлена критическая скорость нагрева (10-15°С/мин), выше которой происходит преимущественное формирование высокопористой структуры спецкокса.
Практическая значимость работы:
1. Предложены рациональные методы определения пористости спецкокса.
2. Выявлены закономерности формирования пористой структуры восстановителей, получаемых из неспекающихся углей.
3. Установлены оптимальные технологические параметры процесса получения спецкокса с развитой пористой структурой.
4. Установлены оптимальные соотношения восстановителей в составе шихты при выплавке кремния. Показано, что при 80% рексила (по Ств) достигаются наибольшие значения по производительности, степени извлечения и содержанию кремния в металле.
5. Показана эффективность применения нового вида спецкоксарексила для выплавки кремния, исключающая использование в составе шихты дефицитного древесного угля.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы инновационных технологий в образовании и науке» (Казахстан, г. Чимкент, 2009 г.); 7-ой Юбилейной международной научно-технической конференции «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях» (Казахстан, г. Алматы, 2010 г.); IV Международной конференции «Инновационные идеи и технологии - 2011» (Казахстан, г. Алматы, 2011 г.); Международной научной конференции «Физико-химические основы металлургических процессов», посвященная 110-летию со дня рождения академика А.М. Самарина (Россия, г. Москва, 2012 г.); XIII Всемирном конгрессе ферросплавщиков (Казахстан, г. Алматы, 2013 г.); Международная конференция «Modern Science: Problems and Perspectives» (США, г. Лас-Вегас, 2013 г.).
Личный вклад автора.
Научно-теоретическое обоснование, подготовка и непосредственное участие в проведении исследований, анализе, обобщении и обработке полученных результатов, в подготовке научных публикаций.
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, из них: 2 статьи в рецензируемых журналах по перечню ВАК РФ, 9 статей в других журналах и сборниках научных трудов.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Материал изложен на 123 страницах машинописного текста, содержит 26 рисунков, 24 таблицы, 15 приложений. Библиографический список включает 94 наименований.
Ускорение научно-технического прогресса и подъем на качественно новый технический уровень электротермического производства высококремнистых сплавов неразрывно связаны с подбором недефицитных углеродистых восстановителей, обеспечивающих эффективность технологического процесса и требуемое качество металла. В настоящее время Казахстан имеет все предпосылки для создания на своей территории производства технического кремния с организацией полного технологического цикла. Однако, крайняя ограниченность лесных массивов, не позволяющая создать в стране собственное производство древесного угля, являющегося базовым углеродистым восстановителем при выплавке высокомарочных сортов кремния, требует поиска новых технических решений.
Известно, что к рудной части и восстановителям при выплавке кремния предъявляют высокие требования, особенно по чистоте примесей. Традиционно используемые в качестве восстановителей углеродистые материалы: древесные и каменные угли, кокс, нефтяной кокс, а также торфяные брикеты и торфяной кокс, антрацит, полукокс различны по свойствам, особенно по структуре и по ряду причин не всегда могут применяться для производства кремния.
Особое место в Казахстане занимают длиннопламенные угли Шубаркольского месторождения. Их малая зольность, возможность добычи открытым способом, мощность пластов, чистота по сере и фосфору, близость бассейна к промышленным предприятиям послужили причиной изыскания экономически выгодных способов превращения их в сырье с получением специальных видов кокса. При этом существующие спецкоксы по структуре и свойствам, методам управления технологическим процессом во взаимосвязи с химическим составом и техническими характеристиками указанных восстановителей недостаточно систематизированы. Последние необходимо рассматривать с особенностями пористой структуры, так как ее развитость обусловливает, в конечном итоге, химическую активность восстановителя и удельное электросопротивление. Таким образом, создание альтернативных видов восстановителей и их использование для технологии выплавки кремния с целью сокращения расхода древесного угля или полного его исключения из технологического процесса производства кремния является актуальной проблемой.
Цель работы: Исследование физико-химических характеристик, совершенствование технологии получения специального вида кокса и его использование для выплавки технического кремния.
Задачи исследований:
1. Выявить особенности микроструктуры спецкокса.
2. Выполнить сравнительный анализ различных методов определения пористости спецкокса.
3. Определить оптимальные технологические параметры процесса получения спецкокса с развитой пористой структурой.
4. Провести опытные испытания технологии выплавки кремния с использованием нового вида спецкокса - рексила.
Методика исследований.
Работа выполнена с использованием современных методов исследования физико-химических свойств материалов и металлургических процессов: микро-структура восстановителей изучена с применением электронной микроскопии на сканирующем электронном микроскопе 18М-5910; фазовый состав - рентгенофазовым анализом на дифрактометре рентгеновском ДРОН-3; термогравиметрия - дифференциально-термическим анализом на дериватографе ВЕКХУАТООКАРН Р-1500В; пористость - ртутной порометрией на ртутном порозиметре АнХоРоге IV 9500; удельная поверхность - методом низкотемпературной адсорбции на газоанализаторе ТпЗХаг II; реакционная способность - по ГОСТ 10089-89.
Достоверность полученных результатов базируется на использовании сертифицированных физико-химических методик анализа технологических исследований и обеспечивается воспроизводимостью данных на этапах лабораторных, укрупненно-лабораторных и опытно-промышленных исследований.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- результаты исследования структуры различных видов восстановителей;
- новые представления о закономерностях формирования поровой структуры спецкоксов во взаимосвязи их со скоростью нагрева угля в области температур его деструкции;
- результаты испытаний по определению критической скорости нагрева угля, выше которой начинается процесс интенсивного порообразования;
- результаты опытных испытаний технологии выплавки кремния с использованием нового вида спецкокса (рексила).
Научная новизна:
1. Рассмотрена поровая структура коксов и спецкоксов, полученных соответственно из спекающихся и неспекающихся углей. Показано, что для спец- кокса развитость поровой структуры в основном определяется скоростью нагрева угля в области температур его деструкции.
2. Установлена динамика изменения структуры спецкокса в зависимости от скорости нагрева угля в диапазоне температур его деструкции (350-550 °С).
3. Экспериментально установлена критическая скорость нагрева (10-15°С/мин), выше которой происходит преимущественное формирование высокопористой структуры спецкокса.
Практическая значимость работы:
1. Предложены рациональные методы определения пористости спецкокса.
2. Выявлены закономерности формирования пористой структуры восстановителей, получаемых из неспекающихся углей.
3. Установлены оптимальные технологические параметры процесса получения спецкокса с развитой пористой структурой.
4. Установлены оптимальные соотношения восстановителей в составе шихты при выплавке кремния. Показано, что при 80% рексила (по Ств) достигаются наибольшие значения по производительности, степени извлечения и содержанию кремния в металле.
5. Показана эффективность применения нового вида спецкоксарексила для выплавки кремния, исключающая использование в составе шихты дефицитного древесного угля.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы инновационных технологий в образовании и науке» (Казахстан, г. Чимкент, 2009 г.); 7-ой Юбилейной международной научно-технической конференции «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях» (Казахстан, г. Алматы, 2010 г.); IV Международной конференции «Инновационные идеи и технологии - 2011» (Казахстан, г. Алматы, 2011 г.); Международной научной конференции «Физико-химические основы металлургических процессов», посвященная 110-летию со дня рождения академика А.М. Самарина (Россия, г. Москва, 2012 г.); XIII Всемирном конгрессе ферросплавщиков (Казахстан, г. Алматы, 2013 г.); Международная конференция «Modern Science: Problems and Perspectives» (США, г. Лас-Вегас, 2013 г.).
Личный вклад автора.
Научно-теоретическое обоснование, подготовка и непосредственное участие в проведении исследований, анализе, обобщении и обработке полученных результатов, в подготовке научных публикаций.
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, из них: 2 статьи в рецензируемых журналах по перечню ВАК РФ, 9 статей в других журналах и сборниках научных трудов.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Материал изложен на 123 страницах машинописного текста, содержит 26 рисунков, 24 таблицы, 15 приложений. Библиографический список включает 94 наименований.
1. На основании выполненных исследований показано, что для обеспечения оптимальных металлургических свойств восстановителей, используемых в электротермии, важно иметь сообщающуюся систему пор, что создает комплекс транспортных артерий, обеспечивающих доступ газа-реагента вглубь куска углеродистого восстановителя.
2. Установлено, что наиболее простым и эффективным методом оценки структуры спецкокса является метод электронной микроскопии, который позволяет определять размеры пор и толщину межпоровых стенок.
3. В результате комплексных исследований выявлено, что полученный по скорректированной технологии (увеличение скорости нагрева неспекающегося угля до 30^50°С/мин) новый вид спецкоксарексил обладает лучшими металлургическими свойствами (пористость, удельное электросопротивление, реакционная способность, восстановительная способность) в сравнении с другими углеродсодержащими восстановителями, используемых при электротермии кремния.
4. Установлена принципиальная возможность использования рексила (до 80% по Ств) в составе углеродной части шихты в качестве базового восстановителя, способного заменить древесный уголь в шихтовых композициях для выплавки высококремнистых сплавов.
5. В настоящее время усовершенствованная технология получения рексила принята к внедрению на ТОО «Армак 1». Данный восстановитель применяется на постоянной основе на ТОО «Силициум Казахстан» при производстве технического кремния (г. Караганда, Казахстан). Электроплавка ведется на шихте, состоящей из кварца, рексила, шубаркольского угля и щепы. Получают кремний марок Кр00 (99%81) и Кр01(98%81) с объемом производства 25000 т/г.
2. Установлено, что наиболее простым и эффективным методом оценки структуры спецкокса является метод электронной микроскопии, который позволяет определять размеры пор и толщину межпоровых стенок.
3. В результате комплексных исследований выявлено, что полученный по скорректированной технологии (увеличение скорости нагрева неспекающегося угля до 30^50°С/мин) новый вид спецкоксарексил обладает лучшими металлургическими свойствами (пористость, удельное электросопротивление, реакционная способность, восстановительная способность) в сравнении с другими углеродсодержащими восстановителями, используемых при электротермии кремния.
4. Установлена принципиальная возможность использования рексила (до 80% по Ств) в составе углеродной части шихты в качестве базового восстановителя, способного заменить древесный уголь в шихтовых композициях для выплавки высококремнистых сплавов.
5. В настоящее время усовершенствованная технология получения рексила принята к внедрению на ТОО «Армак 1». Данный восстановитель применяется на постоянной основе на ТОО «Силициум Казахстан» при производстве технического кремния (г. Караганда, Казахстан). Электроплавка ведется на шихте, состоящей из кварца, рексила, шубаркольского угля и щепы. Получают кремний марок Кр00 (99%81) и Кр01(98%81) с объемом производства 25000 т/г.