автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование физико-химических свойств специальных видов кокса и его применение для выплавки высококремнистых сплавов

На правах рукописи

УЛЬЕВА Гульнара Анатольевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПЕЦИАЛЬНЫХ ВИДОВ КОКСА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ ВЫСОКОКРЕМНИСТЫХ СПЛАВОВ

Специальность

05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 В СЕН 2013

Екатеринбург - 2013

005533597

Работа выполнена в Карагандинском государственном индустриальном университете (г. Темиртау, Республика Казахстан) и в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук (г. Екатеринбург, Россия)

Научный руководитель: Ким Василий Анатольевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Дмитриев Андрей Николаевич,

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук (г. Екатеринбург),

главный научный сотрудник лаборатории «Пирометаллургия черных металлов»

Гилева Лариса Юрьевна, кандидат технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» (г. Екатеринбург), доцент кафедры «Металлургия железа и сплавов»

Ведущая организация: ОАО «Уральский институт металлов»,

(г. Екатеринбург)

Защита состоится «25» октября 2013 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.285.05 на базе ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, зал Ученого Совета института материаловедения и металлургии, аудитория Мт-329.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Автореферат разослан «12» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Карелов С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 Шубарколь-ского 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. Та-

ким 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 (рексила).

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: микроструктура восстановителей изучена с применением электронной микроскопии на сканирующем электронном микроскопе 18М-5910; фазовый состав - рентге-нофазовым анализом на дифрактометре рентгеновском ДРОН-3; термогравиметрия - дифференциально-термическим анализом на дериватографе ОЕЫУА-ТСЮЯАРН (3-1500Б; пористость - ртутной порометрией на ртутном порози-метре АиЮРоге IV 9500; удельная поверхность - методом низкотемпературной адсорбции на газоанализаторе Тг^аг II; реакционная способность - по ГОСТ 10089-89; удельное электросопротивление - по методике УрО Институт металлургии РАН, разработанной д.т.н., проф. В.И. Жучковым.

Достоверность полученных результатов базируется на использовании сертифицированных физико-химических методик анализа технологических иссле-

дований 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 спецкокса 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-ь550°С).

3. Экспериментально установлена критическая скорость нагрева (1(М5°С/мин), выше которой происходит преимущественное формирование высокопористой структуры спецкокса.

Практическая значимость работы:

1. Предложены рациональные методы определения пористости спецкокса.

2. Установлены оптимальные технологические параметры процесса получения спецкокса с развитой пористой структурой.

3. 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.

4. Показана эффективность применения нового вида спецкокса - рексила 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 A.M. 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 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении освящена сущность изучаемой проблемы по диссертационной работе, обоснована актуальность темы, сформулирована цель, показаны новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ данных о видах твердых углеродистых восстановителей, полученных различными способами и применяемых в электротермических процессах (нефтекокс, спецкокс «Сары-Арка» (назван по месторождению), спецкокс «ХМИ» (технология получения этого вида кокса была разработана в Химико-металлургическом институте), карбонизат, древесный уголь) в сравнении с доменным коксом и физико-химических свойств указанных восстановителей. В таблице 1 приводятся технические показатели неспе-кающегося шубаркольского длинно.пламенного угля, в таблице 2 - физико-химические свойства восстановителей, в той числе полученных из неспекаю-щегося угля.

Таблица 1 - Технические показатели неспекающегося шубаркольского длиннопламенного угля__

№ Показатели Значение

1. Влага общая, % 14,5

2. Зольность, % 5,0+13,0

3. Выход летучих веществ, % 43,5

4. Высшая теплота сгорания, МДж/кг 30,14

5. Низшая теплота сгорания, МДж/кг 22,4

6. Общая сера, % 0,5

7. Фосфор, % 0,015

Особое внимание уделено сравнению данных по наиболее важному свойству углеродистых восстановителей - реакционной способности коксов. Показано, что применяемые методы ее оценки, в том числе и стандартизованные, не решают в полной мере проблему достоверной оценки восстановителей с широким диапазоном размеров пор. В этой связи правомерен и актуален поиск рациональных методов определения реакционной способности восстановителей, используемых в электротермии.

Таблица 2 - Физико-химические свойства углеродсодержащих восстановителей

Физико-химические свойства Вид кокса

Доменный кокс Нефтекокс Древесный уголь Спецкокс Сары-Арка Спецкокс (технологии ХМИ) Карбонизат

Крупность, мм 20,0+60,0 8,0+30,0 Менее 100,00 5,0+40,0 5,0+25,0 5,0+40,0

Серни-стость, % До 1,5 1,0+1,5 <1,00 <1,0 <1,0 0,4

Зольность, % 12,8-15,5 0,11 1,96 6,0+10,0 6,0+10,0 2,0+5,0

Выход летучих веществ, % 0,8+1,2 7,9 17,49 4,0+7,0 4,0+10,0 1,0+3,5

Структурная прочность, % 83,4+87,6 71,0 40,00 67,4 65,0 68,0+72,0

Влажность, % До 4,0 4,20 12,20 15,0+20,0 <4,0 <4,0

Ств, % 83,0 88,0 73,00 88,0 81,0 92,0

Удельная поверхность, м2/г <0,1 2,0 16,70 3,0 6,8 12,4

Пористость, % 35,0 16,0+25,0 79,00+83,00 22,0+25,0 30,0+40,0 45,0+50,0

Во второй главе изложены результаты экспериментальных исследований закономерностей формирования структуры спецкокса во взаимосвязи со скоростью нагрева неспекающегося угля.

Для обеспечения лучших металлургических свойств восстановителей, используемых в электротермии, необходимо сформировать структуру с развитой, сообщающейся системой пор, что создает комплекс транспортных артерий, обеспечивающих доступ окислительного реагента вглубь куска углеродистого восстановителя, так как пористость определяет такие важные металлургические характеристики, как удельное электросопротивление и реакционная способность. В этой связи экспериментально изучено влияние скорости нагрева на формирование пористой структуры путем проведения серии лабораторных испытаний по получению спецкокса при различных скоростях нагрева угля (от 2 до 360°С/мин).

Показано, что при получении специального вида кокса из слабоспекающих-ся и неспекающихся углей необходимо учитывать возможность заметного влияния скорости нагрева угля на структуру и свойства спецкокса. При этом важной задачей является определение граничных значений скоростей нагрева, при которых происходит преимущественное развитие того или иного механизма формирования структуры спецкокса.

Структура спецкокса, полученного при медленных скоростях нагрева (менее 10°С/мин), характеризуется высокой плотностью, наблюдаются неспекшиеся части угля, разделенные трещинами. При этом в теле кокса образуются отдельные несплошности (пустоты), располагаемые, как правило, на границе зерен и слоев исходного угля (рисунок 1). Структура спецкокса в целом неоднородна.

При более высоких скоростях коксования, более 10°С/мин, начинают исчезать границы между частицами угля, сохраняющиеся вплоть до скорости нагрева 22-К25°С/мин (рисунок 2). Процесс порообразования наиболее заметно проявляется при скорости нагрева 15^20°С/мин, при этом сам образец не меняет своих размеров, появляются незаполненные промежутки между зернами и поры характеризуются сложной формой и имеют оплавленные края. Также в структуре кокса в отдельных местах сохраняются межкусковые трещины, но уже в целом в структуре начинается проявление однородности.

Рисунок 1. Фрактографическая микроструктура спецкокса, скорость коксования до 10°С/мин, 400х

Рисунок 2. Фрактографическая микроструктура спецкокса, скорость коксования 14,2+22,6°С/мин, 400х

Отмеченная закономерность хорошо прослеживается при скорости нагрева 30°С/мин и более (рисунок 3), где заметным образом развивается процесс внут-ризернового порообразования с формированием пор округлой формы с сужающимися каналами. Можно видеть, что при рассмотренных скоростях нагрева структура кокса характеризуется высокоразвитой системой пор. Форма пор становится округлой, стенки пор тонкие, ровные. В данном случае структура подобна гомогенной вспененной массе.

Рисунок 3. Фрактографическая микроструктура спецкокса, скорость коксования более 50°С/мин, 400х

На основе фрактографических данных были рассчитаны средний размер пор 1 и толщина межпоровых стен (таблица 3).

Как следует из таблицы 3, с повышением скорости нагрева уменьшается средний размер пор, стенки пор утончаются. Причем, средний размер пор -уменьшается, а их количество увеличивается. Спецкокс получается мелкопо-' ристым, тонкостенным и характеризуется системой сложных сообщающихся! ориентированных пор. |

Таблица 3 - Параметры микроструктуры спецкокса в зависимости от скоро-1 сти нагрева ____ I

Интервал скорости нагрева, °С/мин Средний размер пор, цк Толщина межпоровых стен, цк

до 10 24,93 10,87

15-30 17,29 6,45

30-50 14.73 5,00

более 50 12,58 3,96

Таким образом, из рассмотренных данных следует, что критической скоростью нагрева можно считать скорость нагрева в 10°С/мин. При этой скорости начинает формироваться пористая структура спецкокса. При этом развитие пористости связано с газопроницаемостью и зависит от вспучиваемости пластической массы угля. Спецкокс представляет собой хорошо сплавленный материал с порами правильной формы и гладкими межпоровыми стенками; в целом структура его однородна.

Помимо того, что скорость нагрева влияет на формирование конечной структуры твердого восстановителя, она также оказывает заметное влияние на его физико-химические свойства. В таблице 4 приведены данные о свойствах одной из разновидности спецкокса - рексила (название состоит из двух слов «réduction» - восстановление, «silicium» - кремний).

Таблица 4 - Данные о технических показателях рексила в зависимости от скорости нагрева____ __

Интервал скорости нагрева, °С/мин Реакционная способность, см3/(г-с) (по со2, ГОСТ 10089-89) Реакционная способность по составу золы, % Скорость газификации, г/мин Йодовое число, % Удельная поверхность по йодовому числу, м2/г

до 10 1,22 18,47 0,005 2,20 14,07

15-30 4,25 18,99 0,017 5,75 36,80

30-50 4,32 18,73 0,020 5,10 32,63

более 50 4,77' 19,66 0,024 5,04 32,25

Из таблицы 4 следует, что с повышением скорости нагрева возрастет скорость газификации, следовательно, и реакционная способность рексила, а удельная поверхность и йодовое число (сорбционная способность по йоду) увеличиваются до некоторого значения, а затем уменьшаются. Можно видеть, что методы определения реакционной способности по ГОСТ 10089-89 и методу газификации в зависимости от скорости нагрева коррелируют. Но они не коррелируют с методом определения реакционной способности по химическому составу золы кокса.

В третьей главе приведены результаты исследований поровой структуры различных видов восстановителей.

Показано, что наиболее приемлемым методом определения поровой структуры специальных видов кокса, получаемых из неспекающихся углей, является метод электронной микроскопии (растровой). Данный метод не требует специальных установок и методик по предварительной пробоподготовке образцов и характеризуется полной передачей общего вида реальной поровой структуры образца и морфологии его поверхности. Этот метод можно считать наиболее информативным методом на современном этапе.

Выполнена сопоставительная оценка различных методов определения пористости восстановителей (таблица 5). В частности показано, что пористость, определенная косвенными методами по ртутной порометрии и ГОСТ 10220-82, совпадает со значениями пористости, определенной ускоренным методом (образцы кокса измельчаются до крупности <13 мм, нагреваются и погружаются в воду, охлаждение 10 мин, сушатся до постоянной массы).

Таблица 5 - Характеристики пористой структуры рексила, определенные различными методами_

Метод Порис-рис- тость, % Удельная поверхность, м2/г Плотность, г/мл Средний диаметр пор Объем пор, см /г

Ртутная порометрия 36,14 15,2950 1,367 117,28 цк -

Низкотемпературная адсорбция - 12,6738 - 9,75 А 0,0028

Электронная микроскопия - - - 14,96 цк -

ГОСТ 10220-82 36,74 1,0344 1,034 - -

Ускоренный метод 36,33 - - - -

Примечание: «-» - невозможно определить данный параметр.

Определена удельная внутренняя поверхность пор спецкокса (рексила), которая была рассчитана также несколькими методами (таблица 6).

Таблица 6 - Зависимость удельной поверхности рексила от скорости нагрева

Метод определения Удельная поверхность

медленный нагрев (до 10°С/мин) быстрый нагрев (более 10°С/мин

Низкотемпературная адсорбция, м^/г 0,14 12,67

Ртутная порометрия, м2/г 6,55 15,30

Сорбционная способность по йоду, м2/г 33,27 36,80

Согласно данным таблицы 6, с ростом скорости нагрева угля удельная внутренняя поверхность пор спецкокса увеличивается. Как видно, при использовании метода ртутной порометрии получены невысокие значения удельной поверхности, так как данный метод пригоден для определения этой характеристики у крупнопористых материалов. Можно видеть, что метод низкотемпературной адсорбции способен дать адекватное качественное отображение реальной внутренней поверхности спецкокса. В тоже время по абсолютному уровню определяемой величины наиболее достоверным методом оценки удельной поверхности является метод по йоду, который может применяться с целью определения этой характеристики для тонкопористых материалов, так как учитывает поры малых размеров.

В четвертой главе были исследованы восстановительная способность и удельное электросопротивление рексила, полученного в промышленных условиях по скорректированной технологии (термоокислительная карбонизация угля протекает со скоростью его нагрева 30+50°С/мин), в сравнении с другими твердыми восстановителями.

Выполнен термогравиметрический анализ системы оксид железа-рексил при помощи дериватографа марки «ВЕШУАТСЮЫАРН С>-150(Ш» с линейным подъемом температуры от 20 до 1000°С со скоростью 10°С/мин в инертной атмосфере (аргон). Для получения сопоставительной оценки восстановительной способности были также рассмотрены системы с образцами доменного кокса и графита в смеси с гематитом.

По полученным дериватограммам установлено, что в рассмотренном температурном интервале доменный кокс не проявляет себя как восстановитель, не наблюдаются проявления эндо- или экзопиков. Небольшая убыль по массе происходит в образце с графитом. В тоже время при нагреве в инертной среде шихты с участием рексила происходит интенсивное восстановление железа, сопровождаемое образованием новых устойчивых фаз.

Таким образом можно сделать вывод, что графит является восстановителем, проявляющим активность при достижении температуры 1000°С, в то время как

рексил начинает реагировать в смеси с гематитом уже при температурах около 600°С. То есть при использовании рексила в качестве восстановителя эффективное взаимодействие наступает при более низких температурах, что будет способствовать экономии электро- и энергозатрат.

В соответствии с данными рентгенофазового анализа, выполненного на рентгеновском приборе ДРОН-3, выявлено, что заметного восстановления в шихте с доменным коксом не произошло, в шихте с графитом обнаружены проявления вюстита, а в шихте с рексилом восстановление произошло до металлического железа.

На основе полученных дериватограмм были рассчитаны кинетические характеристики окислительно-восстановительных процессов (скорость реакции, энергия активации, порядок реакции, доля прореагировавшего вещества). Так, из расчетных данных энергии активации реакций восстановления следует, что процессы восстановления протекают в кинетическом режиме реагирования и приемлемы для реакций ферросплавного производства.

Важной характеристикой шихтовых материалов для карботермических процессов получения кремнистых сплавов является удельное электросопротивление (УЭС). УЭС твердых восстановителей измеряли в диапазоне 25+1600°С по методике, разработанной в ИМЕТ УрО РАН (рисунок 4).

Значения УЭС представленных материалов существенно различаются при низких температурах. Электросопротивление древесного угля в начальный момент опыта заметно выше, чем у рексила, а также спецкокса «ХМИ». УЭС нефтяного кокса также выше, чем у рексила и спецкокса «ХМИ». Однако с ростом температуры значение УЭС всех материалов снижается, причем наиболее сильно это проявляется у древесного угля. Так, в интервале температур от комнатной до 700°С электросопротивление древесного угля снижается на 3 порядка, а нефтекокса и рексила уменьшается в 30 и в 4 раза соответственно.

При 650+700°С удельное электросопротивление всех исследованных восстановителей выравнивается. С дальнейшим ростом температуры наблюдается монотонное уменьшение электросопротивления всех восстановителей. Причем

при температурах развития кремневосстановйтельных реакций (1600°С) наблюдается неоспоримое преимущество рексила перед другими восстановителями, например, УЭС древесного угля составляет 1,32, а рексила 3,67 Ом-см. Удельное электросопротивление доменного кокса приводится для сравнения; видно, что значение его УЭС самое низкое и при 1300°С и выше уровни по-

1 - древесный уголь; 2 - нефтяной кокс; 3 - рексил; 4 - спецкокс «ХМИ»; 5 - доменный кокс

Рисунок 4. Зависимость электросопротивления восстановителей | от температуры

Удельное электросопротивление восстановителя определяет электропроводность шихтовой композиции, от которой зависят глубина посадки электродов в печи, расход электроэнергии и другие показатели технологического процесса. Поэтому важным представляется рассмотрение УЭС шихты, содержащей различные виды восстановителей. На рисунке 5 представлен график температурной зависимости удельного электросопротивления шихты с рексилом (80%) и шихты с древесным углем и щепой. Можно видеть, что шихта с древесным углем характеризуется меньшим значением УЭС во всем исследованном диапазоне температур. При комнатной температуре рексил отличается пониженным

удельным электросопротивлением по сравнению с древесным углем, однако шихта с рексилом при температуре выше 300°С превосходит шихту с древесным углем по значениям УЭС. Смешение восстановителя рексила с кварцитом сопровождается повышением электросопротивления данной шихтовой композиции. Можно полагать, что в данном случае возрастает контактное электросопротивление между углеродистым материалом и кварцитом из-за наличия в шихте рексила, имеющего высокую пористость, р, Ом-см'

300 400 500

1000 Т, °С

1 - шихта (кварц + рексил 80% + уголь 20%);

2 - шихта (кварц + древесный уголь 50% + щепа 15+30%)

Рисунок 5. Изменение удельного электросопротивления шихт с рексилом (1) и древесным углем (2) в зависимости от температуры

На рисунке 6 приведена микроструктура промышленного образца рексила, полученного из длиннопламенного шубаркольского угля по скорректированной технологии, с помощью электронного сканирующего микроскопа 18М-5910, в таблице 7 приводятся параметры его поровой структуры, а в таблице 8 - технический анализ.

Как видно, наблюдаемая структура промышленного образца рексила включает поры разных размеров и сложных форм, разделенных разнообразными по геометрии межпоровыми стенками (рисунок 6). Поры переходят одна в другую, сливаются в общее пространство и образуют систему непрерывных коридоров в

основном веществе. По своей форме они приближаются к сферическим образованиям, соединяемых более узкими, чем их диаметры, переходами в сложные, глубоко разветвленные системы. Структура рексила в целом изотропна, однородна, тонкопористая. То есть высокоскоростной термоокислительный пиролиз неспекающегося угля при скоростях нагрева 30+50°С/мин способствует формированию развитой тонкопористой структуры с преимущественным образованием переходных сообщающихся пор, что приводит к повышению реакционной способности и электросопротивления рексила, являющихся одними из важных свойств восстановителей, применяемых в электротермических процессах.

Рисунок 6. Микроструктура рексила, 200х

Таблица 7 - Характеристика микроструктуры промышленного образца рек-сила, цм___

Размер пор Средний размер пор Средняя толщина меж-поровых стенок

вдоль поперек

18,12 11,01 14,57 4,22

Таблица 8 - Характеристика состава рексила

Химический состав золы, % Технический анализ, %

БЮз Ре203 А1203 СаО МяО р2о5 г ^тв А \УР V11

48,06 7,32 18,62 2,00 2,78 0,460 94,34 4,03 1,64 1,63

По уровню содержания вредных примесных элементов (Б, Р) рексил сопоставим с древесным углем (количество примесей, вносимых на 100 кг углерода, у рексила составляет 2,8%, что сопоставимо с 1,8+5,0% у древесного угля). В то же время по содержанию твердого углерода рексил существенно превосходит древесный уголь (92%). Структурная прочность у рексила выше (72+75%), чем

у древесного угля, но ниже чем у нефтяного кокса. Реакционная способность,

см3

определенная по ГОСТ 10089-89, составляет 4+8 —.

Таким образом, в результате проведенных комплексных исследований установлено, что полученный по скорректированной технологии рексил из неспе-кающегося угля обладает улучшенными металлургическими свойствами (таблица 9).

Таблица 9 - Сравнительные металлургические характеристики углеродсо-держащих восстановителей___

В осстановитель Средний размер ПОр, ЦК Реакционная спо- _ см3 собность,- г-с Удельное электросопротивление, р, Ом'См (при 1600°С)

Доменный кокс 170,73 0,27 0,32

Нефтяной кокс 313,51 0,31 0,45

Древесный уголь 15,10 8,00+12,00 1,32

Спецкокс «Са-ры-Арка» 9,90 (средний поперечный размер трещин) 1,00+1,50 1,83

Спецкокс (технология ХМИ) 21,30 1,50+4,00 2,70

Карбонизат 18,88 1,50+4,00 3,32

Рексил | 14,57 4+8 3,67

В соответствии с выданными рекомендациями опытно-промышленным путем была получена партия рексила (~500 кг) для плавки кремния.

В пятой главе приведены результаты укрупненно-лабораторных испытаний по выплавке технического кремния с использованием опытной партии нового вида восстановителя (рексила).

При подборе шихтовых материалов были рассмотрены свойства рудного сырья для выплавки технического кремния (жильные кварцы, кварцевые пески, кварциты и кварцитовидные песчаники), проведено сравнение восстановителей, требований к ним и их физико-технологические свойства с целью обоснованного выбора для проведения опытных испытаний.

Выплавка технического кремния в укрупнено-лабораторных условиях проведена в открытой рудотермической печи мощностью 200 кВ-А непрерывным

методом с периодическим выпуском расплава. В качестве рудного материала использовался кварц месторождения «Актас» (Казахстан) фракции 10^25 мм. Разогрев электропечи производили в течение 12 часов. Плавка в печи проводилась непрерывно с периодической загрузкой шихтовых материалов по мере их проплавления. Выпуск продуктов плавки — периодический, через каждые 2 ч. Опытная кампания состояла из следующих этапов (таблица 10): 1. Базовый период: выплавка технического кремния стандартных марок с использованием шихтовой навески (древесный уголь+каменный уголь+щепа+кварц), применяемой на ТОО «Силициум Казахстан».

Таблица 10 - Технико-экономические показатели опытной кампании

Показатели Период испытаний

1 (базовый) 2 3 4

Шихта, кг: Кварц 10,0 10,0 10,0 10,0

Древесный уголь 3,8 - - -

Рексил - 3,0 4,1 5,1

Уголь шуб. 3,3 4,0 1,6 -

Щепа 3,3 - - -

Степень извлечения кремния, % 77,0 81,0 91,0 76,0

Производительность, кг/час 2,7 2,9 3,3 2,5

Содержание кремния среднее, % 96,5 97,2 97,8 96,4

Удельный расход электроэнергии, МВт-ч/т 15,53 16,34 14,95 16,84

2. Отработка состава шихты без древесного угля и щепы путем их замены на рексил и каменный уголь (доля рексила 60% по Ств).

3. Отработка состава шихты с увеличенной долей рексила (до 80% по Ств).

4. Выведение из состава шихты каменного угля и отработка 2-х компонентной шихты (кварц и 100% рексила).

В течение базового периода было переработано около 300 кг кварца, получено 116,0 кг кремния следующего усредненного состава, %: - 96,5; А1 -1,20; Ре - 1,65; Са - 0,14. Согласно ГОСТ 2169-69 полученный металл соответствует марке технического кремния КрЗ. Извлечение в среднем за кампанию составило 77%. По окончании базового периода печь перевели на новую шихту.

Отработка состава шихты без древесного угля и щепы путем замены их на рексил и шубаркольский уголь в соотношении по Ств 60 и 40% соответственно

(вариант 2) сопровождалась ростом удельной производительности печи с 2,7 до 2,9 кг/ч и степени извлечения кремния до 81%.

Более высокие показатели процесса достигнуты в третьем периоде испытаний при отработке состава шихты с увеличенной долей рексила до 80% по Ств (вариант 3). В целом процесс выплавки кремния при замене древесного угля рексилом и выводом из шихты щепы и части шубаркольского угля характеризовался глубокой посадкой электродов и устойчивой токовой нагрузкой. Шихта равномерно прогревалась, создавая благоприятные условия для интенсивного развития процесса восстановления. Увеличились производительность печи до 3,3 к/ч, степень извлечения кремния до 91%. Реакционная зона характеризовалась высокой температурой, металл выходил активно.

Перевод печи на режим работы с полным выводом из состава шихты шубаркольского угля и отработкой двухкомпонентной шихты (кварц+рексил) (вариант 4) сопровождался нарушением стабильности плавки, снижением производительности, извлечения кремния. Это привело к снижению качества выплавляемого металла.

Шубаркольский уголь является не только поставщиком углерода (Ств), но также и разрыхлителем шихты на колошнике, создающим условия для равномерного выхода реакционных газов, образующихся в горне печи. Поэтому очевидно, что благоприятные условия для протекания восстановительных реакций могут быть достигнуты при определенной доле разрыхляющего материала в составе шихты.

Таким образом, результаты опытных испытаний, проведенных на экспериментальной руднотермической печи мощностью 200 кВА, показывают, что рексил является достойным заменителем древесного угля, обеспечивающим не только достижение высоких технологических показателей по отдельным параметрам электротермии кремния, но также и возможность заметного снижения себестоимости конечной продукции, так как стоимость рексила по фактическим расходам будет ниже стоимости древесного угля.

Излом кристаллического кремния имел серо-стальной цвет с выраженными пластинами кристаллов. Структура сплава плотная, без раковин и инородных включений. Химический состав полученного металла соответствует требованиям ГОСТ 2169-69. Металл отдельных выпусков характеризовался высокой концентрацией кремния (Б1 - 98,82%, А1 - 0,38% , Бе - 0,40%). Качество кремния удовлетворяет требованиям стандарта.

В настоящее время усовершенствованная технология получения рексила в целях получения высококремнистых сплавов принята к внедрению на ТОО «Армак 1» (Казахстан).

Заключение

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 спецкокса - рексил обладает лучшими металлургическими свойствами (пористость, удельное электросопротивление, реакционная способность, восстановительная способность) в сравнении с другими углсродсодержащими восстановителями, используемыми 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 КрОО (99%Si) и Kp01(98%Si) с объемом производства 25000 т/г.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК:

1. Ульева Г.А., Ким В.А. Анализ и обоснование выбора существующих методов определения пористости спецкокса// Кокс и химия. 2012. №5. С.12-17.

2. Ким В.А., Ульева Г.А. О микроструктуре спецкоксов, используемых в электротермии // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова. №2. 2012. С.20-23.

Другие публикации:

1. Ульева Г.А., Ким В.А. / Исследование микроструктуры различных видов кокса // Республиканский научный журнал «Технология производства металлов и вторичных материалов» Карагандинского государственного индустриального университета. 2007. №2(12), С. 29-36.

2. Ульева Г.А., Мирзаев A.A., Бекжигитова К.А., Назарбекова С.П. / Использование современных электронных микроскопов фирмы «JEOL» для изучения микроструктуры углеродсодержащих материалов // Труды Международной научно-практической конференции «Современные проблемы инновационных технологий в образовании и науке». Том 1. 2009. С. 371-378.

3. Ким В.А., Ульева Г.А. Влияние температуры на объемное упорядочение структуры спецкокса / Промышленность Казахстана. - 2010. №2(59). С. 44-45.

4. Ким В.А., Щебентовский В.В., Ульева Г.А., Ким С.В. Промышленные испытания нового вида твердого восстановителя - карбонизата для выплавки кремния / Промышленность Казахстана. - 2010. №3(60). С. 20-23.

5. Ким В.А., Ульева Г.А., Стенюшкии А.В. / Исследование изменения пористости и структуры тела спецкокса от скорости нагрева // Вестник Алматинского университета энергетики и связи. Материалы 7-ой Юбилейной международной научно-технической конференции «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях». 2010. №3/1(10). С. 12-18.

6. Ким В.А., Ульева Г.А., Кударинов С.Х. / Влияние скорости нагрева (коксования) на структуру спецкокса // Материалы IV Международной конференции «Инновационные идеи и технологии - 2011». 2011. С. 33-35.

7. Ким В.А., Ульева Г.А., Жучков В.И. / Применение нового вида восстановителя (рексила) при выплавке кристаллического кремния // Тезисы Международной научной конференции «Физико-химические основы металлургических процессов», посвященная 110-летию со дня рождения академика A.M. Самарина, 2012. С. 102.

8. Kim V., Ulyeva G. / Effect of heating rate (coking) on special coke structure // International Conference «Modern Science: Problems and Perspectives». Las Vegas, NV, USA. April 15,2013. Volume 4. P. 455-457.

9. Kim V., Tolymbekov M., Kim S., Ulyeva G., Kudainov S. / Carbon reductant for silicon metal production // Proceedings of INFACON XIII The Thirteenth International Ferroalloys Congress Efficient Technologies in Ferroalloy Industry. Almaty, Kazakhstan, June 9-12, 2013. Volume 1. P. 519-526.

Плоская печать

Формат 60 x 84 1 / 16 Тираж 100

Ризография НИЧ УрФУ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Бумага писчая Заказ № 315

РГП "Карагандинский государственный индустриальный университет» ФГБУН Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук

На правах рукописи — г

Ульева Гульнара Анатольевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПЕЦИАЛЬНЫХ ВИДОВ КОКСА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ ВЫСОКОКРЕМНИСТЫХ СПЛАВОВ

05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Ким Василий Анатольевич

Екатеринбург -2013

-2-

Оглавление

Определения, обозначения и сокращения.............................................5

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................6

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАБОТ ПО СВОЙСТВАМ

И ПРИМЕНЕНИЮ УГЛЕРОДИСТЫХ ВОССТАНОВИТЕЛЕЙ

ДЛЯ ВЫПЛАВКИ ВЫСОКОКРЕМНИСТЫХ СПЛАВОВ........................10

1.1 Постановка задач исследований и цели работы.................................10

1.2 Виды и свойства углеродистых материалов - коксов, спецкоксов, получаемых различными способами...................................................13

1.3 Требования к углеродистым восстановителям..................................19

1.4 Сравнение восстановителей и их обоснованный выбор

при производстве кремния...............................................................20

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ НАГРЕВА

НА СТРУКТУРУ СПЕЦКОКСА........................................................22

2.1 Экспериментальные исследования по получению спецкокса

при различных температурах и скоростях нагрева.................................22

2.2 Установление взаимосвязи между поровой структурой спецкокса и скоростью нагрева угля. Критические значения скоростей нагрева

в процессе деформирования различных типов спецкокса.........................26

2.2.1 Влияние повторного нагрева на структуру и свойства спецкокса.........31

2.3 Получение рексила....................................................................33

2.4 Разработка соответствующих корреляционных зависимостей...............35

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ ПОРОВОЙ СТРУКТУРОЙ СПЕЦКОКСА И ЕГО РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТЬЮ........................................................................38

3.1 Пористая структура твердого восстановителя...................................38

3.2 Трещины.................................................................................46

3.3 Показатели пористой структуры...................................................47

3.4 Классификация пористой структуры..............................................47

3.5 Методы исследования пористой структуры

углеродных материалов...................................................................49

3.6 Удельная поверхность................................................................54

3.7 Характер распределения пор........................................................58

3.8 Роль общей пористости, эффективного диаметра пор.........................59

3.9 Реакционная способность кокса и методы ее определения...................61

3.10 Экспериментальное определение реакционной способности спецкокса (рексила)........................................................................63

3.11 Взаимосвязь пористой структуры кокса и его реакционной

способности.................................................................................65

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РЕКСИЛА.........70

4.1 Оценка восстановительной способности рексила на примере

системы С-РегОз............................................................................70

4.2 Кинетические особенности восстановления железа

углеродом рексила.........................................................................72

4.3 Роль остаточных летучих веществ в окончательном формировании структуры спецкокса при повышенных температурах.............................74

4.4 Удельное электросопротивление...................................................75

4.4.1 Сравнительная характеристика удельного

электросопротивления твердых углеродистых восстановителей................75

4.4.2 Удельное электросопротивление рексила......................................77

4.5 Характеристика структуры рексила и другие свойства........................82

Глава 5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НОВОГО ВИДА

УГЛЕРОДИСТОГО ВОССТАНОВИТЕЛЯ

ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ТЕХНИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ................................88

5.1 Механизмы восстановления при получении

высококремнистых сплавов..............................................................88

5.2 Физико-химические условия процесса восстановления

кремния углеродом........................................................................91

5.3 Особенности технологического процесса получения кремния...............93

5.4 Рудное сырье для выплавки кремния..............................................95

-45.5 Технология выплавки кристаллического кремния..............................97

5.6 Методика проведения испытания (плавки кремния).........................100

5.6.1 Характеристика шихтовых материалов.......................................100

5.6.2 Крупнолабораторная рудотермическая печь 200 кВ-А.....................102

5.6.3 Проведение плавки получения кремния.......................................106

5.7 Результаты плавки кремния с применением

нового восстановителя..................................................................108

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................113

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................114

Приложение А.............................................................................123

Приложение Б.............................................................................124

Приложение В.............................................................................125

Приложение Г.............................................................................126

Приложение Д.............................................................................132

Приложение Е.............................................................................136

Приложение Ж............................................................................137

Приложение И.............................................................................138

Приложение К.............................................................................140

Приложение Л.............................................................................142

Приложение М............................................................................144

Приложение Н.............................................................................145

Приложение О.............................................................................147

Приложение П.............................................................................148

Приложение Р..............................................................................150

Определения, обозначения и сокращения

В настоящей диссертации применяют следующие термины, обозначения и сокращения:

Ств - содержание твердого углерода в восстановителе, %;

ХМИ - Химико-металлургический институт;

Д - уголь марки длиннопламенный;

КЖ - уголь марки коксующийся жирный;

К - уголь марки коксующийся;

Рг - суммарная пористость коксовых остатков;

ddr — действительной плотность;

d* — кажущаяся плотность;

CRI - показатель реакционной способности;

B^h - химический состав золы, %;

л

Кт - реакционная способность, см /(г- с); wx - показатель скорости газификации, г/мин; г - коэффициент корреляции; рн - насыпная плотность; рк - кажущаяся плотность;

ДТА — кривые хода процессов на дериватограммах;

Vcp - скорость реакции, мм /мин;

а - доля прореагировавшего вещества;

Еа - энергия активации, кДж/моль;

tg ф - тангенс угла наклона кривой;

Ив - индекс вспучивания, %;

Vd - выход летучих веществ, %;

рУд (УЭС) - удельное электрическое сопротивление;

Размерности физических величин, приведенных в этой работе, взяты в соответствии с ГОСТ 8.417-81 «Применение единиц в различных областях измерений».

-6-

Введение

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 (рексила).

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: микроструктура восстановителей изучена с применением электронной микроскопии на сканирующем электронном микроскопе 18М-5910; фазовый состав - рентгенофа-зовым анализом на дифрактометре рентгеновском ДРОН-3; термогравиметрия -дифференциально-термическим анализом на дериватографе ОЕШУАТСЮКАРН С)-150(Ю; пористость - ртутной порометрией на ртутном порозиметре АийоРоге IV 9500; удельная поверхность - методом низкотемпературной адсорбции на газоанализаторе Тг^аг II; реакционная способность - по ГОСТ 10089-89; удельное электросопротивление - по методике УрО Институт металлургии РАН, разработанной д.т.н., проф. В.И. Жучкова.

Достоверность полученных результатов базируется на использовании сертифицированных физико-химических методик анализа технологических исследований и обеспечивается воспроизводимостью данных на этапах лабораторных, ук-рупненно-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 спецкокса 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 (35(Н550°С).

3. Экспериментально установлена критическая скорость нагрева (10-И 5°С/мин), выше которой происходит преимущественное формирование высокопористой структуры спецкокса.

Практическая значимость работы:

1. Предложены рациональные методы определения пористости спецкокса.

2. Установлены оптимальные технологические параметры процесса получения спецкокса с развитой пористой структурой.

3. Установлены оптимальные соотношения восстановителей в составе шихты при выплавке кремния. Показано, что при 80% рексила (по Схв) достигаются наибольшие значения по производительности, степени извлечения и содержанию кремния в металле.

4. Показана эффективность применения нового вида спецкокса - рексила 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 A.M. 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 наименования.

-101 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАБОТ ПО СВОЙСТВАМ И ПРИМЕНЕНИЮ УГЛЕРОДИСТЫХ ВОССТАНОВИТЕЛЕЙ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ ВЫСОКОКРЕМНИСТЫХ СПЛАВОВ

1.1 Постановка задач исследований и цели работы

Для создания высокотехнологического производства как технического (металлургического), так и поликристаллического кремния, а в перспективе и монокристаллического кремния с организаций полного технологического цикла для выпуска солнечных энергоустановок, развития солнечной энергетики необходимо наличие качественного рудного сырья и восстановителей. Для выполнения этой задачи в Казахстане имеются:

- достаточная рудная база - 65 млн. тонн высококачественного кварца и порядка 270 млн. тонн кварцитов чистотой 99,99%, пригодных для производства высокомарочных сортов металлургического кремния;

- высокий потенциал собственного потребления металлургического кремния для производства различных сплавов на основе кремния и алюминия, кремния и меди, кремния с добавкой марганца;

- производство металлургического кремния на предприятиях ТОО «Silicium Kazakhstan» (г. Караганда, РК) и ТОО МК «Kazsilicon» (г. Уштобе, РК);

- количество солнечных дней в Казахстане составляет до 300 дней в году при интенсивности солнечного излучения 1300-И 800 кВт/м2 в год. По потенциалу солнечной энергии Казахстан занимает ведущее место в мире.

Таким образом, бурно развивающийся кремниевый рынок, высокий потенциал спроса технического кремния на внутреннем рынке, наличие значительного объема качественного рудного сырья, квалифицированных кадров подталкивают к созданию собственной кремниевой промышленности. Запасы высококачественных кварцитов в Казахстане, пригодных для производства высоких марок кремния, оцениваются в сотни миллионов тонн.

Как уже было отмечено выше, решающим аргументом выбора восстановителя или смеси восстановителей в каждом конкретном случае должны быть техническая возможность и экономическая целесообразность его использования. Становится ясным, что поиск альтернативных видов восстановителей и создание технологии выплавки кремния с целью сокращения расхода древесного угля или полного его исключения из технологического процесса производства кремния для ученых представляет исключительно важную задачу.

В настоящее время существует и сохранится на ближайшую перспективу дефицит коксующихся углей в результате сокращения их запасов. К тому же хорошо коксующиеся угли - дорогое сырье [1].

Высококачественный древесный уголь отсутствует на свободном рынке, что приводит к необходимости частичной и даже полной его замене на другие, лучшие по качеству восстановители. Дефицитность и непрерывный рост цены заставляют ограничивать количество древесного угля в шихте и искать пути его замены. Реализация этого направления неразрывно связана с выбором новых углеродистых