автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Комплексное изучение металлургических характеристик и повышение эффективности использования кварцитов сунгайского рудопроявления

На правах рукописи

Лазаревский Павел Павлович

КОМПЛЕКСНОЕ ИЗУЧЕНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КВАРЦИТОВ СУНГАЙСКОГО РУДОПРОЯВЛЕНИЯ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 НО Я 2013

Новокузнецк - 2013

005539061

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» на кафедре металлургии черных металлов, стандартизации и сертификации

Научный доктор технических наук, доцент,

руководитель Рожихина Ирина Дмитриевна,

ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», кафедра металлургии черных металлов, стандартизации и сертификации, профессор

Официальные Якушевич Николай Филиппович, оппоненты: доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», кафедра металлургии цветных металлов и химической технологии, профессор

Кашлев Иван Миронович,

кандидат технических наук,

ООО «СГМК-Ферросплавы», главный инженер

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», Юргинский технологический институт филиал Томского политехнического университета

Защита состоится «17»декабря 2013 г. в 10°° часов в аудитории ЗД на заседании диссертационного совета Д 212.252.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровской области, ул. Кирова, 42. Факс: (3843) 46-57-92. e-mail: ds21225201@sibsiu.ru

Ведущая организация

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»

Автореферат разослан «15»ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

О.И. Нохрина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

При современных темпах развития производства стали устанавливаются все более жесткие требования к качеству используемых ферросплавов и, превде всего, к самому массовому ферросплаву - ферросилицию. Ферросилиций используют при производстве стали для её раскисления и легирования. Содержание кремния в сталях составляет 0,17 - 0,37 %, в высоколегированных кремнистых сталях его содержание достигает 2 - 3 % и более. Введение в конструкционную сталь до 2 % кремния повышает ее твердость, прочность, пределы упругости и текучести. Ферросилиций также используется в качестве восстановителя в металлотермических процессах, в горнорудной промышленности при обогащении руд, в химических технологиях для получения кремнийорганических соединений, взрывчатых веществ и в других отраслях промышленности. Кремний высокой чистоты используют в полупроводниковой технике, а технической чистоты (96 — 98 % 81) - в черной и цветной металлургии для получения сплавов на нежелезной основе.

Технико-экономические показатели плавки кремния и его сплавов существенно зависят от качества применяемых шихтовых материалов. К сожалению, до настоящего времени к кремнеземсодержащим рудным материалам нет единых требований по металлургическим показателям. Это вызвано тем, что различные типы кремнеземсодержащих материалов, даже при близком химическом составе, отличаются друг от друга поведением в процессе восстановительной плавки. В результате высокого потребления кремнеземсодержащих материалов необходимо выявлять и разрабатывать новые месторождения, что позволит удерживать на достойном уровне производство сплавов кремния в России.

В связи с этим актуальной задачей является оценка технологической пригодности и эффективности использования кварцитов новых месторождений и рудопроявлений. Одним из перспективных рудопроявлений кварцитов на территории Западной Сибири является Сунгайское.

Данная диссертационная работа направлена на комплексное исследование свойств и металлургических характеристик кварцитов Сунгайского рудо-проявления с дальнейшим их использованием при выплавке сплавов кремния.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с заданием Министерства образования и науки РФ по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009 -2013 гг.» и планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Цель работы

Комплексное изучение металлургических характеристик кварцитов Сунгайского рудопроявления и повышение эффективности их использования при производстве сплавов кремния.

Задачи работы

1. Исследование минералогического состава и металлургических характеристик кварцитов Сунгайского рудо проявления:

- вещественного, структурного и фазового состава;

- физических свойств кварцитов (термостойкости, электросопротивления, сопротивления разрушению, плотности, влагопоглощения, насыпной массы);

- химических свойств кварцитов (температуры начала процесса углеро-дотермического восстановления, степени восстановления в зависимости от температуры процесса и фракционного состава кварцитов).

2. Увеличение степени восстановления элементов из оксидов Сунгай-ских кварцитов путем подбора химически активных и экономически эффективных углеродистых восстановителей.

3. Экспериментальные исследования и определение технологических режимов выплавки сплавов кремния с использованием кварцитов Сунгайского рудопроявления.

Научная новизна

1. Впервые комплексно изучены металлургические характеристики кварцитов Сунгайского рудопроявления: определен химический состав, термостойкость, удельное электросопротивление, установлена температура начала процесса восстановления кремния.

2. Изучены и определены основные факторы, влияющие на степень восстановления компонентов из оксидов Сунгайских кварцитов.

3. Теоретически и экспериментально обосновано, что увеличение степени восстановления элементов из оксидов кварцита достигается при частичной замене кокса длиннопламенными и бурыми углями.

4. На основе высокотемпературных экспериментов получена новая информация о влиянии структуры пиролизного остатка длиннопламенных и бурых углей на увеличение степени восстановления кремния из Сунгайских кварцитов.

5. Научно обоснованы и экспериментально подтверждены условия, обеспечивающие максимальное извлечение кремния из кварцитов Сунгайского рудопроявления при выплавке ферросилиция с использованием углей в составе шихтовой смеси.

Практическая значимость и реализация работы

- на основании результатов исследований металлургических характеристик кварцитов Сунгайского рудопроявления установлено, что анализируемые кварциты технологически пригодны для производства сплавов кремния;

- на основании результатов диссертационной работы разработаны технологические рекомендации по увеличению извлечения кремния из кварцитов при производстве кремнистых сплавов за счет частичной замены кокса длиннопламенными и бурыми углями;

- результаты исследований использованы при геолого-экономической оценке ресурсов Алтай-Саянской складчатой области, что подтверждено актом об использовании научно-исследовательских работ ФГУГП «Запсиб-геолсъемка»;

- кварциты Сунгайского рудопроявления опробованы на ООО «СГМК-Ферросплавы» при производстве ферросиликомарганца (полученный сплав марки МнС17 соответствует ГОСТ 4756-91, что подтверждено актом о внедрении в производство результатов научно-исследовательской работы);

- научные результаты работы внедрены в практику подготовки студентов по направлению «Металлургия» ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», что подтверждено актом о внедрении результатов научно-исследовательских работ в учебный процесс.

Методы исследований

Минерало-геохимический анализ проведен на ОАО «ЗападноСибирский испытательный центр» ФГУГП «Запсибгеолсъемка» что подтверждено протоколами № 249,250 от 13.02.2012 г.

Фазовый и химический состав кварцитов, продуктов термической обработки углей, а также сплавов и шлаков изучался с применением химического и рентгенофазового методов анализа. Дифференциально-термический анализ проводили на приборе Setaram LabSys Evo.

Физические свойства кварцитов (сопротивление сжатию, плотность, влагопоглощение, насыпную массу) определяли по методикам, соответствующим ГОСТ 4071.20-94 и ГОСТ 2211-65.

Исследования по определению электросопротивления проводили по методике Института металлургии УрО РАН. Изучение кинетики восстановления компонентов из оксидов кварцитов проводили термогравиметрическим методом, фиксирование температур осуществлялось вольфрамрениевой термопарой ВР5/20.

Экспериментальные испытания кварцитов при выплавке кремнистых сплавов проводили на рудо восстановительной печи мощностью 100 кВА.

Полученные результаты обрабатывались с использованием стандартного пакета прикладных программ Microsoft Office.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов подтверждается большим объемом экспериментальных данных, полученных с применением современных методов статистической обработки результатов, сходимостью результатов прикладных и теоретических исследований с ранее опубликованными материалами, высокой воспроизводимостью полученных результатов.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований металлургических характеристик кварцитов Сунгайского рудопроявления;

- результаты экспериментальных исследований кинетики углеродотер-

мического восстановления элементов из оксидов кварцитов Сунгайского ру-допроявления при частичной замене кокса длиннопламенными и бурыми углями;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния структуры пиролизного остатка длиннопламенных и бурых углей на увеличение степени восстановления кремния из Сунгайских кварцитов;

- результаты экспериментальных испытаний Сунгайских кварцитов при выплавке ферросилиция марки ФС75 и силикомарганца марки МнС17.

Автору принадлежит:

- постановка задач теоретических и экспериментальных исследований;

- проведение экспериментальных исследований металлургических характеристик кварцитов Сунгайского рудопроявления;

- оценка целесообразности частичной замены кокса природными угле-родсодержащими материалами при восстановлении элементов из кварцитов Сунгайского рудопроявления;

- проведение испытаний Сунгайских кварцитов при выплавке сплавов кремния;

- обработка полученных результатов, анализ, обобщение, научное обоснование, формулировка выводов.

Апробация работы

Основные положения диссертации были доложены на следующих конференциях:

- 16-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири», г. Томск, 2010 г.;

- XIV Международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали», г.Челябинск, 2010 г.;

- Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения», г. Новокузнецк, 2010 г.;

- Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», г. Новокузнецк, 2011 г.;

- III Конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», г. Москва, 2011 г.

- Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», г. Новокузнецк, 2012 г.

- IV Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», г. Юрга, 2013 г.;

- XV Международной научной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали», г. Челябинск, 2013 г.;

- Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», г. Новокузнецк, 2013 г.

Соответствие паспорту специальности

Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов п. 1 «Рудное, нерудное и энергетическое сырье», п. 9 «Подготовка сырьевых материалов к металлургическим процессам и металлургические свойства сырья», п. 10 «Твердофазные процессы в получении черных, цветных и редких металлов», п. 17 «Материало- и энергосбережение при получении металлов и сплавов».

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе одна статья в журнале, рекомендованном ВАК для опубликования результатов кандидатских диссертаций.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 7 приложений. Работа изложена на 120 страницах печатного текста, содержит 22 таблицы, 27 рисунков, список использованных литературных источников из 136 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ состояния минерально-сырьевой базы для производства кремнистых сплавов. Представлен аналитический обзор методов оценки металлургической пригодности кремнеземсодержащего сырья.

Для получения кремнийсодержащих сплавов, которые полностью отвечали бы требованиям рынка, необходимо высококачественное кремнеземсо-держащее сырье. В настоящее время в России основные месторождения кремнеземсодержащих материалов, представляющих собой кварцевые пески, кварц, кварциты, сосредоточены на территории Сибири и Дальнего Востока. Из множества месторождений широко используются в производстве ферросплавов: Уватское (кварциты), -Ягатское (кварцевые песчаники), Черемшан-ское (кварциты), Новопавловское (кварциты), Мамско-Чуйское и Бодайбин-ское (жильный кварц), Антоновское (кварциты). Интенсивное потребление привело к истощению запасов этих месторождений, что привело к необходимости выявления новых источников кремнеземсодержащего сырья.

Аналитический обзор научной литературы показал, что единых требований для оценки металлургической пригодности кремнеземсодержащего рудного сырья нет. Большинство исследователей при оценке качества кремнеземсодержащих материалов ограничиваются определением содержания кремнезема, примесей, влиянием гранулометрического состава на восстановительный процесс.

На основании проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследований, позволяющие в совокупности оценить технологическую пригодность и эффективность использования кремнеземсодержащего сырья.

Во второй главе представлены результаты исследований минералогического состава и металлургических характеристик кварцитов Сунгайского рудопроявления, расположенного в Заринском районе Алтайского края.

Прогнозные ресурсы кварцитов с содержанием диоксида кремния более 98 % оценены в 300 млн. т. Результаты исследований минерало-геохимических характеристик показали, что кварцит состоит из мономинерального кварца неравномернозернистой структуры с размером зерен 0,06 -0,1 мм, полигональной конфигурации с четкими границами. Результаты рентгенофазового анализа подтвердили данные петрографических исследований - кварциты Сунгайского рудопроявления состоят из а-кварца и не содержат других модификаций.

При исследовании металлургической пригодности Сунгайских кварцитов изучены их физические и химические свойства. Для сравнения использовали кварциты Черемшанского месторождения (Прибайкальский р-н, Бурятия), кварциты Антоновского месторождения (Анжеро-Судженск, Кемеровская обл.) и кварциты Уватского месторождения (Нижнеудинский р-н. Иркутская обл.), широко используемые для производства кремнистых сплавов. Результаты химического анализа исследуемых кварцитов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав кварцитов различных месторождений

Наименование кварцитов Компонентный состав, масс. %

О ¿л О < О ¿У ь О ей о О 00 О н О сЗ* 2 О ЬЙ О с о сС Ьн И + сз т *

Сунгайский 98,299,95 следы-0,21 следы-1,59 следы следы <0,01 <0,20 <0,02 <0,01 <0,01 <0,02 <0,003

Антоновский 97,598,54 0,300,63 0,200,40 0,510,70 <0,05 <0,02 <0,20 <0,07 <0,01 <0,01 <0,02 <0,003

Черемшанский 98,9199,5 0,120,31 0,170,29 0,120,4 <0,05 <0,01 <0,20 <0,04 <0,01 <0,01 <0,02 <0,003

Уватский 97,7396,8 3,240,49 0,770,08 0,010,03 <0,05 0,0590,21 <0,20 0,490,19 <0,01 <0,01 <0,02 <0,003

Важным технологическим параметром при выплавке кремнистых сплавов, влияющим на работу рудовосстановительных печей, является термостойкость кварцитов. Образование мелкой фракции кварцитов в результате растрескивания при нагреве приводит к ухудшению газопроницаемости шихты.

Исследование термостойкости кварцитов проводили в печи сопротивления при температурах от 973 до 1973 К. Кварциты крупностью 20 мм помещали в предварительно нагретую печь и выдерживали в течение 30 мин., после чего кварциты остывали в печи до температуры 373 К. Охлажденные об-

разцы кварцитов вынимали из печи и с помощью стандартного набора сит определяли гранулометрический состав (таблица 2).

Таблица 2 — Результаты определения гранулометрического состава кварцитов после термической обработки

Наименование Температура, К Гранулометрический состав, масс %

кварцитов -1 мм 1-2,5 мм 2,5-5 мм 5-20 мм

1173 - - - 100

1373 0,1 0,6 - 99,3

Сунгайский 1573 0,4 0,9 - 98,7

1773 0,4 2,5 2,0 95,1

1973 1,5 3,8 4,1 90,6

1173 - - - 100

1373 - - - 100

Черемшанский 1573 1,1 1,8 1,6 95,5

1773 1,3 0,7 2,7 95,3

1973 1,0 1,6 3,8 93,6

1173 - - - 100

1373 1,8 2,2 1,0 95,0

Антоновский 1573 2,0 3,3 1,7 93,0

1773 2,3 3,6 3,9 91,0

1973 3,1 5,0 4,3 87,6

1173 1,2 0,4 - 98,4

1373 2,0 1,3 1,6 95,1

Уватский 1573 2,7 2,9 0,9 93,5

1773 3,6 5,5 2,4 88,5

1973 4,3 6,2 3,8 85,7

Из анализа результатов, представленных в таблице 2, следует, что у кварцитов Сунгайского рудопроявления мелкая фракция образуется уже при температуре 1373 К, однако ее количество в несколько раз меньше, чем у кварцитов Антоновского и Уватского месторождений. Количество мелкой фракции (менее 5 мм) у Сунгайских кварцитов при температуре 1973 К составляет 9,4 %, что свидетельствует об их высокой термостойкости.

Большое влияние на технико-экономические показатели плавки кремнистых сплавов оказывает удельное электросопротивление (УЭС) кварцитов, которое связано с общим электросопротивлением ванны печи, а также распределением в ней выделяемой мощности. Исследования проводили в печи сопротивления с трубчатым угольным нагревателем при постоянном нагреве по методике, разработанной Институтом металлургии УрО РАН. Анализ результатов исследований, приведенных на рисунке 1, показал, что в интервале температур от 297 до 1050 К изменений значений УЭС во всех образцах не происходит. Дальнейшее увеличение температуры приводит к существенным изменениям в характере кривых: наблюдается резкое уменьшение УЭС кварцитов. Полученные результаты показали, что по значениям удельного электросопротивления исследуемые кварциты не имеют существенных отличий друг от друга.

кварциты месторождения: 1 - Антоновского; 2 - Сунгайского рудопроявления; 3 - Черемшанского; 4 - Уватского Рисунок 1 - Зависимость изменения удельного электросопротивления кварцитов от температуры

Результаты исследований физических свойств кварцитов приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Результаты исследования физических свойств кварцитов

Свойства Наименование кварцитов

Сунгайские Черемшанские Антоновские Уватские

Сопротивление разрушению, кгс/см2 243 - 260 263-281 190-210 190-200

Плотность, г/см"' 2,6 2,6 2,6 2,6

Влагопоглощение, % 0,26 0,26 0,27 0,27

Температура оплавления, К 1853- 1883 1883 - 1893 1793- 1813 1706- 1746

Важной характеристикой кремнеземсодержащего рудного сырья является температура начала процесса восстановления кремния. Исследования проводили на приборе для синхронного термического анализа Setaram LabSys Evo. Кварциты и восстановитель фракции не более 50 мкм смешивали и нагревали до температуры 1873 К в атмосфере аргона. В качестве восстановителя использовали графит марки ГМЗ (графит малозольный), количество которого рассчитывали на полное восстановление элементов из оксидов кварцитов. За температуру начала восстановления кремния принимали температуру, при которой наблюдался резкий скачок убыли массы на кинетической кривой. По результатам исследований установлено, что для кварцитов Сунгайского рудопроявления значение температуры начала восстановления кремния составило 1763 К, Черемшанского месторождения -1785 К, Антоновского - 1732 К и Уватского - 1720 К.

Для исследования степени восстановления элементов из оксидов Сун-

гайских кварцитов использовали термогравиметрический метод. Навеску кварцита и графита брикетировали, в качестве связующего вещества использовали жидкое стекло в количестве 3 - 5 % от массы навески. Количество графита рассчитывали из условия полного восстановления элементов из оксидов кварцитов. Исследования проводили при температурах 1773, 1873, 1973 и 2073 К. В ходе эксперимента фиксировали изменение массы брикета. На рисунке 2 представлены зависимости убыли массы от продолжительности изотермической выдержки и температуры.

80

20 40 60

Время, мин

■ -Черсмшанский а-Сунгайский в-Антоновский И-Уватский У(177зю= 3,90181п(х) - 5,674, К = 0,961 ;у(1873 К) = 7,41611п(х) - 12,668, К = 0,911; У(197зк) = 15,2371п(х) - 25,297, К = 0,910; у(207зк)= 26,5351п(х) - 46,717, К = 0,883 Рисунок 2 - Зависимость убыли массы брикетов от температуры и продолжительности изотермической выдержки

При температурах 1773 и 1873 К убыль массы брикета сопоставима с расчетными значениями степени восстановления элементов из оксидов кварцитов, а в интервале температур от 1973 до 2073 К учитывается образование монооксида кремния (БЮ), и значения степени восстановления отличаются от значений убыли массы образца на 8 - 10 %.

Исследование влияния фракционного состава Сунгайских кварцитов на степень восстановления проводили в печи сопротивления при температуре 2073 К, продолжительность изотермической выдержки составляла 60 мин.

Фракция кварцитов изменялась от 20 до 30 мм, от 30 до 40 мм, от 40 до 50 мм. Выбор фракции обусловлен минимальным размером кварцита при производстве кремнистых сплавов. Навеску кварцита и восстановителя помещали в предварительно нагретую печь, в качестве восстановителя использовали графит фракцией от 2,5 до 5 мм. После изотермической выдержки содержимое тигля взвешивали и рассчитывали степень восстановления. Результаты экспериментов приведены на рисунке 3.

£

со о

о и л я

о

с

н О

от 20 до 30 мм от 30 до 40 мм от 40 до 50 мм Гранулометрический состав кварцитов □ Черемшанский □ Сунгайский □ Антоновский □ Уватский

Рисунок 3 - Влияние гранулометрического состава на степень восстановления элементов из оксидов кварцитов

Из приведенных на рисунке 3 данных следует, что с увеличением крупности кварцитов значения степени восстановления снижаются. Это объясняется тем, что, при использовании кварцитов мелкой фракции, площадь поверхности взаимодействия с восстановителем больше, чем при применении крупной фракции.

Результаты исследования металлургических свойств кварцитов Сунгай-ского рудопроявления позволили провести геолого-экономическую оценку и обосновать рекомендации по дальнейшему их использованию, что подтверждено актом об использовании результатов научно-исследовательских работ ФГУГП «Запсибгеолсъемка».

В третьей главе изложены результаты исследований и определения оптимальных условий и факторов, обеспечивающих наиболее полное восстановление элементов из оксидов кварцитов Сунгайского рудопроявления при использовании бурых и каменных углей.

Одним из вариантов замены традиционных восстановителей более дешевыми углеродсодержащими материалами является использование ископаемых углей: угля каменного марки Д - длиннопламенного (шахта Инская, г. Белово) и угля бурого марки 2Б (разрез Итатский, Тяжинский р-н.), запасы

которых сосредоточены в Кемеровской области. Выбор углей обусловлен их свойствами - пониженной зольностью, высокой реакционной способностью и высоким удельным электросопротивлением. Для сравнения использовали кокс производства ОАО «Алтай-кокс» (г. Заринск, Алтайский край). Физико-химические свойства и состав золы углеродистых восстановителей приведены в таблицах 4 и 5.

Таблица 4 - Физико-химические свойства углеродистых восстановителей до и после термической обработки

Показатели Уголь каменный ш. Инская Уголь бурый р. Итатский Коксовый орешек ОАО «Алтай-кокс»

до после до после

Технический анализ, %

д(3 (зола) у(к1 (летучие) (влага) 5,64 43,53 15,4 7,75 2,57 7,83 46,76 35,3 10,0 5,87 11,92 1,83 5.0

(сера) 0,26 0,13 0,68 0.88 0,89

Содержание углерода в рабочей массе, % 55,6 89,9 49,1 84,7 84,6

Реакционная способность, см3/г-с 4,47 3,9 5,47 4,21 0,72

Удельное электросопротивление, Ом-см >1,9 ■ 106 10,2 >1,9 ■ 106 9,7 3,59

Пористость, % 15,4 57,8 33,1 39,4 48,9

Таблица 5 - Химический состав золы углеродистых восстановителей

Содержание

Состав золы Уголь каменный Уголь бурый Коксовый орешек

ш. Инская р. Итатский ОАО «Алтай-кокс»

БЮг 55,3/4,62* 11,4/1,818 47,98/7.72

А1203 20,1/1,68 5,2/0,829 23,72/3.82

Ре203 8,5/0,711 29,95/1,643 13,12/2.11

СаО 9,7/0,811 42,7/6,811 5,15/0,829

1У^О 3,7/0,309 4,8/0,766 1,76/0,283

р2о5 1,8/0,15 0,02/0,003 0,69/0,11

тю2 0,5/0,042 0,2/0,032 1,01/0,163

к2о 1,26/0,105 0,2/0,032 1,887/0,303

Ыа20 0,57/0,047 0,15/0,024 1,37/0,221

* в числителе - содержание, %, в знаменателе - кг/100 кг углерода

Для изучения условий, обеспечивающих высокую степень восстановления элементов из оксидов Сунгайских кварцитов, термогравиметрическим методом проведены исследования по определению оптимальных соотношений компонентов в восстановительных смесях при частичной замене кокса длиннопламенными и бурыми углями. Исходные материалы (кварцит и восстановитель), фракцией не более 50 мкм, брикетировали и выдерживали в печи сопротивления в течение 60 мин. при температуре 2073 К. В качестве восстановителя использовали смеси кокса, каменного и бурого углей в различных соотношениях (таблица 6).

Таблица б - Составы восстановительных смесей

Углеродсодержащие материалы Номер восстановительной смеси

1|2|3|4|5|6|7|8|9|Ю|И

Соотношение кокса и угля марки 2Б, %

Кокс 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 -

Уголь бурый - 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Соотношение кокса и угля марки Д, %

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Кокс - 90 80 70 60 50 40 30 20 10 -

Уголь каменный - 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Соотношение кокса и угля марки Д и 2Б, %

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Кокс - 90 80 70 60 50 40 30 20 10 -

Уголь бурый - 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Уголь каменный - 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

По полученным результатам убыли массы брикетов рассчитывали степень восстановления. Анализ экспериментальных данных позволил определить составы восстановительных смесей, при которых достигаются наиболее высокие значения степени восстановления элементов из оксидов кварцита (рисунок 4, а). По окончании эксперимента определялся химический состав продуктов восстановления (рисунок 4, б).

Восстановительная смесь Восстановительная смесь

(а) (б)

Рисунок 4 - Степень восстановления элементов из оксидов Сунгайских кварцитов (а) и содержание карбида кремния в продуктах восстановления (б) в зависимости от восстановительной смеси

По результатам исследований установлено, что при замене 50 % кокса на угли (смеси 6 и 16) получены более высокие значения степени восстанов-

ления, это также подтверждается результатами химического анализа (рисунок 5, б). При замене кокса одновременно углями марки Д и 2Б наиболее высокие значения степени восстановления элементов из оксидов Сунгайских кварцитов получены при соотношении компонентов восстановительной смеси: 40 % кокса, 30 % угля марки Д и 30 % угля марки 2Б (смесь 27).

Повышение доли содержания углей более чем на 50 % или полная замена ими кокса (смеси 11 и 21) приводят к значительному снижению степени восстановления. Это объясняется тем, что после удаления влаги и летучих компонентов углей количество золы в них увеличивается. Повышение содержания оксида алюминия в золе каменных углей приводит к образованию сложных силикатных расплавов за счет недовосстановленного оксида алюминия, что существенно затрудняет восстановительные процессы. Использование бурых углей также следует ограничивать из-за повышенного содержания в золе оксидов кальция.

Таким образом, установлено, что использование ископаемых углей в восстановительных смесях позволяет увеличить степень восстановления элементов из оксидов кварцитов Сунгайского рудопроявления, и тем самым, повысить эффективность их использования при производстве сплавов кремния.

Исследования поведения углей при нагреве проводили методом непрерывного взвешивания в интервале температур от 297 до 1273 К. В указанном интервале температур наблюдается термическое разложение углей - пиролиз. Результаты экспериментов показали, что разложение каменных углей начинается при температуре на 150 - 170 градусов ниже, чем разложение бурых углей, и протекает интенсивнее. Однако количество летучих, выделяющихся при пиролизе бурых углей, существенно больше, чем при пиролизе длиннопламенных углей.

При визуальном анализе образцов углей установлено, что в процессе их термического разложения формируется коксовый остаток, имеющий пористую структуру, с многочисленными раковинами и трещинами.

Для определения влияния структуры пиролизного остатка углей на процесс восстановления кремния из диоксида кремния Сунгайских кварцитов проведены эксперименты по неконтактному взаимодействию восстановителя с кварцитом. В тигель помещали навеску, состоящую из кварцита и восстановителя (графит), затем сверху, на расстоянии 10 мм от навески, с помощью молибденовой решетки укладывали кокс и угли фракцией 20 мм. Тигель устанавливали в предварительно нагретую печь сопротивления. После изотермической выдержки (1973 К), родолжительностью 60 мин. образцы кокса и углей оценивали визуально, а также исследовали рентгенофазовым и химическим методами анализа. Визуальный осмотр показал, что поверхность пиролизных остатков углей покрыта конденсированным продуктом зеленого цвета. По результатам рентгенофазового и химического анализов установлено, что конденсированный продукт представляет собой карбид кремния (рисунок 5).

Содержание карбида кремния в образцах углей после термической обработки выше, чем в образцах кокса, это объясняется тем, что пористая структура пиролизного остатка углей по сравнению с поверхностью кокса способствует более полному улавливанию монооксида кремния, образующегося по реакции:

СОм. (1)

8Ю2(т, ж) + С(Т) - 8Ю(Г) -

и сл

С2.

Ц.

ЧО

55 ' 48 ^44 ' 40

55 48 ' 44 160 56 52' 48 ' 44 ""60 "56 '52 '48 44

1 2 3 о

Угол отражения, 20

1 - кокс фС - 35,4 %, С(осТ) - 54,02 %); 2 - каменный уголь фС - 36,7 %, С(ост) - 58,68 %); 3 - бурый уголь фС - 43,8 %, С(ост) - 50,22 %) Рисунок 5 - Результаты рентгенофазового анализа

Монооксид кремния, проникая в поры и трещины пиролизного остатка, взаимодействует с углеродом и образует карбид кремния:

8Ю(г)+2С(т)=81С(т)+СО(г). (2)

Следует отметить, что на дифрактограмме в образцах бурого угля обнаружены силициды железа (Ре5513). Это обусловлено повышенным содержанием железа в золе угля (таблица 5). Рентгенофазовый анализ исходных уг-леродсодержащих материалов позволил определить, что железо в образцах бурого угля находится в виде карбоната (РеС03). В результате термического воздействия при температуре 673 - 773 К происходит разложение карбоната железа с образованием оксида железа, который восстанавливается до железа:

(3)

(4)

Восстановленное железо взаимодействует с карбидом кремния, разрушает его с образованием силицида железа:

(5)

РеС03(та) = РеО(тв) + С02(г), РеО(та)+С(га)=Ре(Ж)+СО(г).

ЗЙС(„)+5Ре(ж)

Таким образом, установлено, что структура пиролизного остатка углей способствует более полному улавливанию монооксида кремния, что приводит к увеличению степени восстановления кремния из кварцитов.

Технико-экономические показатели работы рудовосстановительной печи во многом зависят от глубины погружения электродов в шихту, которая непосредственно связана с общим сопротивлением ванны печи. Из всех возможных способов изменения электросопротивления шихты при выплавке сплавов кремния наиболее простым является выбор восстановителей с более высоким УЭС.

Удельное электросопротивление шихты с использованием восстановительных смесей определяли по методике, указанной во второй главе. Анализ результатов исследований (рисунок 6) показал, что электросопротивление шихтовых смесей зависит от температуры. При низких температурах шихты с восстановительными смесями, в которых на 50 % и более кокс заменяли углями (смеси 11, 21, и 27), обладают существенно высокими значениями УЭС. С повышением температуры, несмотря на снижение удельных электросопротивлений и сближение их абсолютных значений, электропроводимости шихт отличается друг от друга. Это связано с суммарным содержанием золы и летучих компонентов в восстановительной смеси: чем выше их

от температуры и вида восстановителя (см. таблицу 5)

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований и определения технологических параметров использования кварцитов Сунгайского рудопроявления для выплавки кремнийсодержащих сплавов.

В открытой рудовосстановительной печи мощностью 100 кВА непрерывным процессом с периодическим выпуском сплава и шлака проведены опытные плавки ферросилиция и силикомарганца.

Опытные плавки ферросилиция проводили в два этапа. Первый этап исследования включал в себя серию плавок, в которых в качестве восстановителя использовали кокс. Химический состав исходных материалов приведен в таблицах 1 и 5. В процессе плавки электрический режим и технологический ход печи был затруднен и характеризовался высокой посадкой электрода в шихте. Токовая нагрузка на электроде периодически была нестабильной. На колошнике наблюдалось спекание шихты и образование «свищей».

Химический состав сплава: %, 72,48 - 73,07 81, 0,42 - 0,59 А1, <0,102 Са, 0,24 - 0,38 Мп, <0,004 Т1, <0,038 Р. Усредненный состав шлака, %: 65,68 БЮг, 4,08 БЮ, 23,95 А1203, 3,39 СаО, 0,21 МпО, 0,10 РеО. Полученный сплав соответствует ГОСТ 1415-93.

Второй этап состоял из серии плавок с применением в качестве восстановителя смеси углеродсодержащих материалов: 40 % кокса, 30 % угля каменного, 30 % угля бурого. В процессе плавки установлено, что применение каменных и бурых углей оказывает благоприятное влияние на ход процесса: посадка электрода была более глубокой и устойчивой, токовая нагрузка стабильная, колошник имел рыхлую поверхность. Плавка проходила более «горячо», чем плавка на одном коксе. После загрузки очередной навески шихты 5-7 мин. наблюдалось обильное выделение пламени на колошнике. Выпуск сплава проводили без затруднений.

Химический состав сплава: %, 75,48 - 76,83 81, 0,58 - 0,60 А1, 0,13 -0,15 Са, 0,23 - 0,36 Мп, <0,008 Т1, 0,04 - 0,05 Р. Усредненный состав шлака, %: 49,73 8Ю2, 4,1 81С, 14,45 А1203, 28,37 СаО, 0,102 МпО, 0,43 РеО. Полученный сплав соответствует ГОСТ 1415-93. Технико-экономические показатели опытных плавок ферросилиция приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Технико-экономические показатели опытных лабораторных плавок ферросилиция ФС75

Наименование параметра Состав восстановителя

кокс смесь

Расход шихты, кг/т: — кварцит 1743 1751

— кокс 833 335

— уголь каменный марки Д - 578

— уголь бурый марки 2Б - 579

— железная стружка 224 213

Степень извлечения кремния, % 80 82

Кратность шлака 0,1 0,1

Среднее содержание кремния, % 72,5 76,2

Удельный расход электроэнергии, кВт-ч/т 9081 8388

Анализ результатов опытных плавок показал, что использование в качестве восстановителя природных ископаемых углей позволяет увеличить степень извлечения кремния, а также снизить расход электроэнергии. При расчете экономической эффективности установлено, что при использовании восстановительных смесей, себестоимость сплава в среднем снижается на 10 %.

На основании полученных экспериментальных данных установлена возможность использования кварцитов Сунгайского рудопроявления для производства кремнистых сплавов. Вовлечение в производство Сунгайских кварцитов позволит расширить минерально-сырьевую базу и обеспечить ферросплавную промышленность высококачественным кремнеземсодержа-щим сырьем.

При производстве силикомарганца для получения необходимого содержания в нем кремния в составе шихтовых материалов применяют кварциты. В лабораторных условиях проведена серия опытных плавок силикомарганца марки МнС17 с использованием Сунгайских кварцитов. В качестве рудной составляющей шихты использовали марганцевую руду Сунгайского рудопроявления. Химический состав руды: % 33,54 - 38, 63 Мпо6щ,4,1 - 5,6 Реобщ, 31,5 - 36,4 8Ю2, 1,0-1,2 СаО, 5,68 - 6,34 А12Оэ, 0,48 - 0,63 МёО, <0,06 Р, (Р) (Ие)

(Мп) ~°'002, (мп) ~ ' ® качестве восстановителя применяли кокс. Плавку

проводили в непрерывном режиме с периодическим выпуском металла и шлака. В результате получен сплав: %, 68,79 Мп, 19,07 81, 10,81 Ре, 0,27 Р, 1,06 С), соответствующий химическому составу силикомарганца марки МнС17 ГОСТ 4756-91. Извлечение марганца из руды и кремния из кварцитов составило 75 % и 40 % соответственно. Кратность шлака - 0,75 - 0,8. Усредненный состав шлака, %: 20,62 МпО, 43,68 8Ю2, 15,7 СаО, 8,73 М§0, 8,29 А1203,1,98 РеО.

На основании проведенных исследований разработаны технологические рекомендации по применению кварцитов Сунгайского рудопроявления для получения сплавов силикомарганца, что подтверждается актом о внедрении в производство результатов научно-исследовательской работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ состояния минерально-сырьевой базы кремнеземсодержащих материалов России показал необходимость выявления новых запасов сырья, удовлетворяющих требованиям по химическому составу, объему, доступности и относительной дешевизне. В частности, таким сырьем являются ру-довмещающие кварциты Сунгайского рудопроявления.

2. При экспериментальных исследованиях металлургических характеристик кварцитов Сунгайского рудопроявления установлено:

- кварциты состоят из мономинерального кварца неравномернозерни-стой структуры;

- термостойкость Сунгайских кварцитов более высокая по сравнению с

Уватскими и Антоновскими кварцитами, при температуре 1973 К количество мелкой фракции менее 5 мм составляет 9,4 %;

- значение удельного электросопротивления кварцитов не меняется в интервале температур от 298 К до 1050 К, дальнейшее повышение температуры приводит к снижению удельного электросопротивления;

- температура начала процесса восстановления кремния до карбида кремния из кварцитов равна 1763 К;

- степень восстановления элементов из оксидов кварцита зависит от температуры и гранулометрического состава, наиболее высокая степень восстановления 65 % достигается при температуре 2073 К и фракции кварцитов от 20 до 30 мм.

3. Установлено, что наиболее полное восстановление элементов из оксидов Сунгайского кварцита достигается при частичной замене кокса длин-нопламенными и бурыми углями в соотношениях: 40 % кокса, 30 % угля марки Д и 30 % угля марки 2Б; 50 % кокса, 50 % угля марки Д; 50 % кокса, 50 % угля марки 2Б. Степень восстановления элементов при этих соотношениях оставляет 88 — 92 %.

4. Изучено и научно подтверждено влияние структуры пиролизного остатка углей на процесс восстановления кремния. Выявлено, что структура пиролизного остатка способствует более полному улавливанию монооксида кремния, что приводит к увеличению степени восстановления кремния.

5. Определены технологические параметры выплавки ферросилиция марки ФС75 и силикомарганца марки МнС17, с использованием кварцитов Сунгайского рудопроявления, что подтверждает их технологическую пригодность. Кварциты Сунгайского рудопроявления опробованы на ООО «СГМК-Ферросплавы» при производстве ферросиликомарганца. Полученный сплав марки МнС17 соответствует ГОСТ 4756-91, что подтверждено актом о внедрении в производство результатов научно-исследовательской работы.

6. Расчет экономической эффективности показал, что при частичной замене кокса длиннопламенными и бурыми углями себестоимость сплавов ферросилиция в среднем снижается на 10 %.

7. Научные результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс, реализуемый кафедрой металлургии черных металлов, стандартизации и сертификации ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» при подготовке бакалавров и магистров по направлению 150140 «Металлургия» в рамках дисциплин «Металлургические технологии», «Теория и технология производства ферросплавов», что подтверждено актом о внедрении в учебный процесс.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В РАБОТАХ

Статьи в рецензируемых журналах и изданиях

1. Лазаревский, П. П. Исследование физико-химических свойств квар-

цитов Уватского месторождения/ П. П. Лазаревский, И. Д. Рожихина, О. И. Нохрина // Сталь. - 2012. № 7. - С. 27 - 31.

Труды периодических изданий и научно-практических конференций

2. Рожихина, И. Д. Изучение кинетики восстановления кварцитов различных месторождений / И. Д. Рожихина, О. И. Нохрина, К. С. Елкин, П. П. Лазаревский // Современные проблемы электрометаллургии стали: материалы XIV междунар. конф. / под ред. В.Е. Рощина. - Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2010.-Ч. 1.-С. 135- 139.

3. Лазаревский, П. П. Изучение влияния температуры и фракционного состава на восстановление кварцитов различных месторождений / П. П. Лазаревский, И. Д, Рожихина // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество».

- Новокузнецк, 2010. - С. 87 - 92.

4. Лазаревский, П. П. Изучение свойств кварцитов Сунгайского рудо-проявления / П. П. Лазаревский // «Перспективы развития металлургических технологий»: сборник тезисов докладов III Конференции молодых специалистов. -М.: ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», 2011. - С. 73 - 74.

5. Рожихина, И. Д. Исследование взаимодействия кремнезема кварцитов с углеродом / И. Д. Рожихина, О. И. Нохрина, К. С. Елкин, П. П. Лазаревский // «Перспективы развития производства кремния»: сборник науч. тр., посвященный 30-летию ЗАО «Кремний». - Шелихов, 2011. - С. 28 - 33.

6. Лазаревский, П. П. Влияние качественных характеристик кварцитов Уватского месторождения на кинетику восстановления кремния / П. П. Лазаревский, И. Д. Рожихина // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество».

- Новокузнецк, 2011. - С. 82 - 87.

7. Рожихина, И. Д. Кинетические особенности восстановления кремния из кварцитов / И. Д. Рожихина, О. И. Нохрина, К. С. Елкин, П. П. Лазаревский А.Е. Черевко// «Перспективы развития производства кремния»: сборник науч. тр., посвященный 30-летию ЗАО «Кремний». - Шелихов, 2011. -С. 52-56.

8. Лазаревский, П. П. Исследование металлургических свойств кварцитов Сунгайского рудопроявления / П. П. Лазаревский, И. Д. Рожихина // Инновационные технологии и экономика в машиностроение: тр. межд. науч.-практ. конф. - Томск: Изд. Томского политехнического университета, 2012. -Т.1-С. 192-197.

9. Лазаревский, П. П. Влияние природных углеродсодержащих материалов на углеродотермическое восстановление кремния / П. П. Лазаревский, И. Д. Рожихина, О. И. Нохрина // «Совершенствование технологии и оборудования в производстве кремния и кремнистых ферросплавов»: сборник науч. тр. - Красноярск, издательство ООО «РУСАЛ ИТЦ», 2012. - С. 24 - 26.

10.Рожихина, И. Д. Изучение технологических свойств кварцитов Сунгайского рудопроявления / И. Д. Рожихина, П. П. Лазаревский, Д. Д. Лубя-

ной // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество». - Новокузнецк, 2012. -С. 42 - 44.

11 .Лазаревский, П. П. Влияние температуры и крупности кварцитов Сунгайского рудопроявления на кинетику восстановления кремния / П. П. Лазаревский, И. Д. Рожихина, О. И. Нохрина // «Совершенствование технологии и оборудования в производстве кремния и кремнистых ферросплавов»: сборник науч. тр. - Красноярск, издательство ООО «РУСАЛ ИТЦ»,

2012.-С. 27-31.

12.Лазаревский, П. П. Определение технологических параметров выплавки кремнистых сплавов с использованием кварцитов Сунгайского рудопроявления / П. П. Лазаревский, И. Д. Рожихина // Инновационные технологии и экономика в машиностроение: тр. межд. науч.-практ. конф. - Томск: Изд. Томского политехнического университета, 2013. - С. 256 - 257.

13.Лазаревский, П. П. Оценка качественных характеристик кварцитов Сунгайского рудопроявления / П. П. Лазаревский, И. Д. Рожихина, О. И. Нохрина // Современные проблемы электрометаллургии стали: материалы XV Междунар. конф. / под ред. В.Е. Рощина. - Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ,

2013.-Ч. 2.-С. 124-129.

14.Лазаревский, П. П. Исследование влияния альтернативных восстановителей на углеродотермическое восстановление марганца и кремния / П. П. Лазаревский, Ю. Е. Романенко, И. Д. Рожихина // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество». - Новокузнецк, 2013. - С. 64 — 71.

Подписано в печать 14.11.2013 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.28. Уч.-изд. л. 1.43. Тираж 100 экз. Заказ 513.

Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42. Издательский центр СибГИУ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

ЛАЗАРЕВСКИЙ ПАВЕЛ ПАВЛОВИЧ

КОМПЛЕКСНОЕ ИЗУЧЕНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КВАРЦИТОВ СУНГАЙСКОГО РУДОПРОЯВЛЕНИЯ

05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

/

руководитель д.т.н., доцент Рожихина И.Д.

Новокузнецк - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................................4

Глава 1 Анализ минерально-сырьевой базы и методы металлургической оценки кремнеземсодержащего сырья для производства кремния и его сплавов.............................................................................11

1.1 Современное состояние минерально-сырьевой базы для производства кремния и его сплавов....................................................................................11

1.2 Металлургические характеристики и требования

к кремнеземсодержащему сырью для производства кремния и его сплавов...................................................................................................15

1.2.1 Требования к кремнеземсодержащему сырью

по химическому составу......................................................................15

1.2.2 Изучение термостойкости кремнеземсодержащего рудного сырья 18

1.3 Исследование влияния физико-химических свойств кремнеземсодержащего рудного сырья на процесс восстановления кремния

из диоксида кремния......................................................................................20

1.3.1 Определение реакционной способности кремнеземсодержащего рудного сырья по отношению к углеродистому восстановителю кремния..................................................................................................20

1.3.2 Изучение влияния химической активности углеродистого

восстановителя на степень восстановления кремния.......................24

1.4 Постановка задач исследований....................................................................27

Глава 2 Исследование и оценка металлургических характеристик

кварцитов Сунгайского рудопроявления.............................................28

2.1 Оценка ресурсного потенциала кварцитов Сунгайского рудопроявления..............................................................................................28

2.2 Минерало-геохимическая характеристика кварцитов Сунгайского рудопроявления..............................................................................................32

2.3 Исследование физических свойств кварцитов Сунгайского рудопроявления..............................................................................................36

2.3.1 Определение термостойкости..............................................................37

2.3.2 Определение сопротивления разрушению кварцитов.......................39

2.3.3 Определение плотности и насыпной массы кварцитов.....................41

2.3.4 Определение температуры начала оплавления кварцитов................42

2.3.5 Определение изменения удельного электросопротивления

кварцитов при нагреве.........................................................................43

2.4 Исследование степени восстановления элементов из оксидов кварцитов Сунгайского рудопроявления.....................................................45

2.4.1 Определение температуры начала процесса восстановления

кремния из оксидов кварцитов Сунгайского рудопроявления........46

2.4.2 Определение степени восстановления элементов

из оксидов кварцитов Сунгайского рудопроявления.......................46

2.4.3 Исследование влияния гранулометрического состава

на степень восстановления элементов из оксидов кварцитов Сунгайского рудопроявления.............................................................51

2.5 Выводы по главе 2...........................................................................................52

Глава 3 Исследование повышения эффективности использования

кварцитов Сунгайского рудопроявления.............................................54

3.1 Анализ применения углеродистых восстановителей при производстве ферросплавов..................................................................................................54

3.2 Исследование повышения степени восстановления элементов из оксидов Сунгайских кварцитов при использовании

каменных и бурых углей................................................................................60

3.2.1 Общая характеристика каменных и бурых углей..............................60

3.2.2 Исследование физико-химических свойств каменных

и бурых углей при нагреве..................................................................62

3.2.3 Определение степени восстановления элементов из оксидов

Сунгайских кварцитов в зависимости от вида восстановителя......68

3.2.4 Исследование неконтактного взаимодействия диоксида

кремния с углеродсодержащими материалами.................................71

3.2.5 Изучение удельного электросопротивления шихты

в зависимости от вида восстановителя..............................................74

3.3 Выводы по главе 3...........................................................................................77

Глава 4 Экспериментальные исследования и определение технологических

режимов выплавки сплавов кремния с использованием кварцитов сунгайского рудопроявления..................................................................79

4.1 Выплавка ферросилиция марки ФС75 с использованием кварцитов Сунгайского рудопроявления........................................................................79

4.1.1 Выплавка ферросилиция марки ФС75 с использованием кокса......80

4.1.2 Выплавка ферросилиция марки ФС75 с использованием

каменных и бурых углей.....................................................................82

4.2 Выплавка силикомарганца МнС17 с использованием кварцитов Сунгайского рудопроявления........................................................................84

4.3 Экономическая оценка применения углей...................................................87

4.4 Вводы по главе 4..............................................................................................89

Заключение.............................................................................................................90

Библиографический список..................................................................................92

Приложение А......................................................................................................107

Приложение Б......................................................................................................108

Приложение В......................................................................................................112

Приложение Г......................................................................................................113

Приложение Д......................................................................................................115

Приложение Е......................................................................................................119

Приложение Ж.....................................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

При современных темпах развития производства стали устанавливаются все более жесткие требования к качеству используемых ферросплавов и, прежде всего, к самому массовому ферросплаву - ферросилицию. Ферросилиций используют при производстве стали для её раскисления и легирования. Содержание кремния в сталях составляет 0,17 - 0,37 %, в высоколегированных кремнистых сталях его содержание достигает 2 - 3 % и более. Введение в конструкционную сталь до 2 % кремния повышает ее твердость, прочность, пределы упругости и текучести. Ферросилиций также используется в качестве восстановителя в металлотермических процессах, в горнорудной промышленности при обогащении руд, в химических технологиях для получения кремнийорганических соединений, взрывчатых веществ и в других отраслях промышленности. Кремний высокой чистоты используют в полупроводниковой технике, а технической чистоты (96 - 98 % 81) - в черной и цветной металлургии для получения сплавов на нежелезной основе.

Технико-экономические показатели плавки кремния и его сплавов существенно зависят от качества применяемых шихтовых материалов. К сожалению, до настоящего времени к кремнеземсодержащим рудным материалам нет единых требований по металлургическим показателям. Это вызвано тем, что различные типы кремнеземсодержащих материалов, даже при близком химическом составе, отличаются друг от друга поведением в процессе восстановительной плавки. В результате высокого потребления кремнеземсодержащих материалов необходимо выявлять и разрабатывать новые месторождения, что позволит удерживать на достойном уровне производство сплавов кремния в России.

В связи с этим актуальной задачей является оценка технологической

пригодности и эффективности использования кварцитов новых месторождений и рудопроявлений. Одним из перспективных рудопроявлений кварцитов на территории Западной Сибири является Сунгайское.

Данная диссертационная работа направлена на комплексное исследование свойств и металлургических характеристик кварцитов Сунгайского ру-допроявления с дальнейшим их использованием при выплавке сплавов кремния.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с заданием Министерства образования и науки РФ по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009 -2013 гг.» и планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Цель работы

Комплексное изучение металлургических характеристик кварцитов Сунгайского рудопроявления и повышение эффективности их использования при производстве сплавов кремния.

Задачи работы

1. Исследование минералогического состава и металлургических характеристик кварцитов Сунгайского рудопроявления:

- вещественного, структурного и фазового состава;

- физических свойств кварцитов (термостойкости, электросопротивления, сопротивления разрушению, плотности, влагопоглощения, насыпной массы);

- химических свойств кварцитов (температуры начала процесса угле-родотермического восстановления, степени восстановления в зависимости от температуры процесса и фракционного состава кварцитов).

2. Увеличение степени восстановления элементов из оксидов Сунгай-ских кварцитов путем подбора химически активных и экономически эффективных углеродистых восстановителей.

3. Экспериментальные исследования и определение технологических

режимов выплавки сплавов кремния с использованием кварцитов Сунгайско-го рудопроявления.

Научная новизна

1. Впервые комплексно изучены металлургические характеристики кварцитов Сунгайского рудопроявления: определен химический состав, термостойкость, удельное электросопротивление, установлена температура начала процесса восстановления кремния.

2. Изучены и определены основные факторы, влияющие на степень восстановления компонентов из оксидов Сунгайских кварцитов.

3. Теоретически и экспериментально обосновано, что увеличение степени восстановления элементов из оксидов кварцита достигается при частичной замене кокса длиннопламенными и бурыми углями.

4. На основе высокотемпературных экспериментов получена новая информация о влиянии структуры пиролизного остатка длиннопламенных и бурых углей на увеличение степени восстановления кремния из Сунгайских кварцитов.

5. Научно обоснованы и экспериментально подтверждены условия, обеспечивающие максимальное извлечение кремния из кварцитов Сунгайского рудопроявления при выплавке ферросилиция с использованием углей в составе шихтовой смеси.

Практическая значимость и реализация работы

- на основании результатов исследований металлургических характеристик кварцитов Сунгайского рудопроявления установлено, что анализируемые кварциты технологически пригодны для производства сплавов кремния;

- на основании результатов диссертационной работы разработаны технологические рекомендации по увеличению извлечения кремния из кварцитов при производстве кремнистых сплавов за счет частичной замены кокса длиннопламенными и бурыми углями;

- результаты исследований использованы при геолого-экономической

оценке ресурсов Алтай-Саянской складчатой области, что подтверждено актом об использовании научно-исследовательских работ ФГУГП «Запсибге-ол съемка»;

- кварциты Сунгайского рудопроявления опробованы на ООО «СГМК-Ферросплавы» при производстве ферросиликомарганца (полученный сплав марки МнС17 соответствует ГОСТ 4756-91, что подтверждено актом о внедрении в производство результатов научно-исследовательской работы);

- научные результаты работы внедрены в практику подготовки студентов по направлению «Металлургия» ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», что подтверждено актом о внедрении результатов научно-исследовательских работ в учебный процесс.

Методы исследований

Минерало-геохимический анализ проведен на ОАО «ЗападноСибирский испытательный центр» ФГУГП «Запсибгеолсъемка» что подтверждено протоколами № 249, 250 от 13.02.2012 г.

Фазовый и химический состав кварцитов, продуктов термической обработки углей, а также сплавов и шлаков изучался с применением химического и рентгенофазового методов анализа. Дифференциально-термический анализ проводили на приборе Setaram LabSys Evo.

Физические свойства кварцитов (сопротивление сжатию, плотность, влагопоглощение, насыпную массу) определяли по методикам, соответствующим ГОСТ 4071.20-94 и ГОСТ 2211-65.

Исследования по определению электросопротивления проводили по методике Института металлургии УрО РАН. Изучение кинетики восстановления компонентов из оксидов кварцитов проводили термогравиметрическим методом, фиксирование температур осуществлялось вольфрамрениевой термопарой ВР5/20.

Экспериментальные испытания кварцитов при выплавке кремнистых сплавов проводили на рудовосстановительной печи мощностью 100 кВА.

Полученные результаты обрабатывались с использованием стандартно-

го пакета прикладных программ Microsoft Office.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов подтверждается большим объемом экспериментальных данных, полученных с применением современных методов статистической обработки результатов, сходимостью результатов прикладных и теоретических исследований с ранее опубликованными материалами, высокой воспроизводимостью полученных результатов.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований металлургических характеристик кварцитов Сунгайского рудопроявления;

- результаты экспериментальных исследований кинетики углеродотер-мического восстановления элементов из оксидов кварцитов Сунгайского рудопроявления при частичной замене кокса длиннопламенными и бурыми углями;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния структуры пиролизного остатка длиннопламенных и бурых углей на увеличение степени восстановления кремния из Сунгайских кварцитов;

- результаты экспериментальных испытаний Сунгайских кварцитов при выплавке ферросилиция марки ФС75 и силикомарганца марки МнС17.

Автору принадлежит:

- постановка задач теоретических и экспериментальных исследований;

- проведение экспериментальных исследований металлургических характеристик кварцитов Сунгайского рудопроявления;

- оценка целесообразности частичной замены кокса природными угле-родсодержащими материалами при восстановлении элементов из кварцитов Сунгайского рудопроявления;

- проведение испытаний Сунгайских кварцитов при выплавке сплавов кремния;

- обработка полученных результатов, анализ, обобщение, научное обоснование, формулировка выводов.

Апробация работы

Основные положения диссертации были доложены на следующих конференциях:

- 16-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири», г. Томск, 2010 г.;

- XIV Международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали», г.Челябинск, 2010 г.;

- Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения», г. Новокузнецк, 2010 г.;

- Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», г. Новокузнецк, 2011 г.;

- III Конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», г. Москва, 2011 г.

- Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», г. Новокузнецк, 2012 г.

- IV Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», г. Юрга, 2013 г.;

- XV Международной научной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали», г. Челябинск, 2013 г.;

- Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», г. Новокузнецк, 2013 г.

Соответствие паспорту специальности

Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов п. 1 «Рудное, нерудное и энергетическое сырье», п. 9 «Подготовка сырьевых материалов к металлургическим процессам и металлургические свойства сырья», п. 10 «Твердофазные процессы в получении черных, цветных и редких металлов», п. 17 «Материало- и энергосбережение при получении металлов и сплавов».

По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе одна статья в журнале, рекомендованном ВАК для опубликования результатов кандидатских диссертаций.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 7 приложений. Работа изложена на 120 страницах печатного текста, содержит 22 �