Анотація до роботи:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2. Комплексними дослідженнями металофізичної структури дисиліцидної фази (лебоїта) в системі Fe-Si, яка в різних джерелах, маючи формульний склад FeSi₂, FeSi_2,3, FeSi_2,4, фактично представляє нестехіометричне сполучення з дефіцитом атомів заліза Fe_xSi₂ (х = від 0,77...…0,87); при 937⁰С. Встановлено, що вона евтектоїдно перетворюється за реакцією Fe_xSi₂ (FeSi₂) + Si і впливає на структуру та механічні властивості злитків феросиліцію.

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

4. Виконано термодинамічний аналіз процесів взаємодії компонентів в системі Si-O, проаналізовані дані про термічну дисоціацію оксидів SiО₂ і SiO_газ. Проаналізовано дані про поліморфні перетворення кварцу, тридиміту і кристобаліту, а також про температурно-концентраційну область існування двох рідин, які не змішуються, Ж₁ (SіО_1,9-1,83) і Ж₂ (SiО_2-x-y), що підтверджують літературні дані про участь цих „рідин” в реакціях відновлення кремнію з кремнезему вуглецем.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Публікації автора:

1. Зубов В.Л., Гасик М.И. Электрометаллургия ферросилиция. – Днепропетровск. – ГНПП «Системные технологии». – 2002. – 704с.

2. Зубов В.Л., Гасик М.И. Физико-химические, реологические свойства и дифракционные характеристики сплавов системы железо-кремний. – Днепропетровск. – ГНПП «Системные технологии». – 2001. – 132с.

3. Гасик М.И., Зубов В.Л. Прогрессивные технологии, оборудование механизированной разливки и фракционирования электротермического ферросилиция. – Днепропетровск. – ГНПП «Системные технологии». 2001. – 132с.

4. Зубов В.Л., Овчарук А.Н., Гасик М.И. Физико-химические свойства, структурные характеристики углеродистых восстановителей и их применение при выплавке ферросилиция. Днепропетровск. – ГНПП «Системные технологии». – 2001. – 144с.

5. Гасик М.И., Зубов В.Л., Овчарук А.Н. Физико-химия и технология получения ферросилиция со щелочноземельными металлами. – Днепропетровск. – ГНПП «Системные технологии». – 2001. – 60с.

6. Гасик М.И., Зубов В.Л. Определение структурных составляющих и избыточных фаз выделения в системах 75%-ного ферросилиция //Сталь. – 2000. № 9. – С.26-30.

7. Зубов В.Л., Гасик М.И. Физико-химия водородной пористости слитков высокопроцентного ферросилиция машинной разливки //Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2000. - № 5. – С.24-29.

8. Зубов В.Л., Овчарук А.Н., Гасик М.И. Ренгеноспектральное исследование микроструктуры 45%-ного ферросилиция машинной разливки //Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2000. № 4. – С.33-34.

9. Гасик М.И., Зубов В.Л. Энергодисперсионное рентгеноспектральное исследование фосфор- и мышьяксодержащих избыточных фаз выделения в микроструктуре слитков высокопроцентного ферросилиция //Проблемы специальной электрометаллургии. – 2000. - № 4. – С.51-63.

10. Поляков О.И., Зубов В.Л., Гасик М.И. Рациональные геометрические параметры ванн ферросилициевых печей //Сталь. – 2000. - № 4. – 37-42.

11. Зубов В.Л., Поляков О.И. Геометрические параметры ванн ферросплавных электропечей, выплавляющих кремнистые сплавы //Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2000. - № 3. – С.25-27.

12. Михалев А.И., Зубов В.Л., Лысый Д.А. Идентификаторы состояния в АСУ ТП выплавки FeSi // «Системні технології». Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. Випуск 3(11). – Дніпропетровськ. – 2000. – С.80-94.

13. Исследование микроструктуры слитков 70%-ного ферросилиция и влияния параметров механизированной разливки на повышение выхода конкурентоспособных фракций сплава / В.Д. Белан, В.Л. Зубов, Ю.А. Голов, Г.И. Быков, А.Л. Фишман //Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2001. - № 4. – С.30-33.

14. Технология выплавки высокоуглеродистого ферромарганца бесфлюсовым способом с использованием антрацита /В.Д. Белан, В.Л. Зубов, Ю.А. Голов, А.Л. Фишман, С.П. Шуваев, А.Н. Овчарук, М.И. Гасик //Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2001. - № 5. – С.25-28.

15. Характеристики электрической цепи ванны рудовосстановительных печей для выплавки кремнистых ферросплавов /О.И. Поляков, В.Л. Зубов, В.И. Гриненко, М.И. Гасик //Электрометаллургия. – 2001. - № 8. – С.15-21.

16. Исследование концентрирования естественных радионуклидов шихтовых материалов в шлаках выплавки ферросилиция /М.И. Гасик, В.Л. Зубов, А.Н. Овчарук, В.В. Билаш //Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2001. - № 4. – С.26-29.

17. Лякишев Н.П., Гасик М.М., Зубов В.Л. Термодинамика фазовых превращений ввысококремнистом промышленном ферросилиции //В кн. «Сучасні проблеми металургії» Том 2. Електротермічне виробництво феросплавів і кольорових металів на стику ХХ і ХХІ століть: підсумки, проблеми, перспективи розвитку. Дніпропетровськ, “Системні технології”. 2001. – С.162-166.

18. Оптимизация разливки ферросилиция марки ФС70 на разливочных машинах цеха № 4 ОАО «ЗФЗ» /Г.И. Быков, Ю.А. Голов, О.И. Казачков, В.Л. Зубов, А.Л. Фишман, С.Н. Сизоненко //«Сучасні проблеми металургії» Том 2. Електротермічне виробництво феросплавів і кольорових металів на стику ХХ і ХХІ століть: підсумки, проблеми, перспективи розвитку. Дніпропетровськ, “Системні технології”. 2001. – С.206-208.

19. Гасик М.М., Зубов В.Л., Гасик М.И. Исследование фазовых превращений в промышленном ферросилиции методом синхронного термического анализа //Проблемы специальной электрометаллургии. 2002. - № 4. – С.41-45.

20. Зубов В.Л., Гасик М.И. Прецизионные исследования структуры и минералогического состава гетерогенных шлаков ферросилиция с различным содержанием алюминия //Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2002. - № 5. – С.24-29.

21. Промышленное освоение технологии выплавки ферросилиция с заменой в шихте части коксика антрацитом и длиннопламенным углем /В.Л. Зубов, В.Д. Белан, Ю.А. Голов, А.Л. Фишман, Г.И. Быков, М.И. Гасик, А.Н. Овчарук //Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2002. - № 1. – С.21-25.

22. Радионуклидный метод определения кратности шлака при выплавке ферросилиция /М.И. Гасик, А.Н. Овчарук, В.Л. Зубов, В.В. Билаш //Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2002. - № 2. – С.24-27.

23. Зубов В.Л., Гасик М.И. Исследование химического состава интерметаллидных фаз в микроструктуре слитка 65%-ного ферросилиция //Электрометаллургия. – 2002. - № 2. – С.28-32.

24. Гасик М.И., Зубов В.Л., Поляков О.И. Проблема непроизводительного использования восстановителей при выплавке ферросплавов //Сталь. – 2002. - № 3. – С.81-84.

25. Гасик М.И., Зубов В.Л. Физико-химия и технология рафинирования жидкого ферросилиция от примесных металлов. – Днепропетровск. – ГНПП «Системные технологии». – 2002. – 75с.

26. Влияние водорода на термодинамическую стабильность компонентов конденсированной фазы в системе Si-O-C-H. /М.И. Гасик, М.М. Гасик, В.Л. Зубов, О.И. Поляков //Сталь. 2002. - № 12. С.30-35.

27. Зубов В.Л. Петрографические исследования шлаков ферросилиция и их утилизация при выплавке силикомарганца //Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2003. - № 1. – С.34-36.

28. Термодинамическая модель процесса выплавки ферросилиция в высокомощных руднотермических электропечах /М.И. Гасик, М.М. Гасик, О.И. Поляков, В.Л. Зубов //Современная электрометаллургия. – 2003. - № 2. – С.37-47.

29. Расширение базы углеродистых восстановителей, применяемых при производстве высокоуглеродистого ферромарганца /В.Д. Белан, О.Н. Сизоненко, А.Л. Фишман, В.Л. Зубов, О.Л. Беспалов, С.Н. Корниенко, И.П. Кураева //Металлургическая и горнорудная промышленность. 2003. № 4. С.36-39.

30. Патент України № 49727А МПК-7 С22В 4/06.Відновна суміш для виплавки феросплавів /М.І. Гасик, І.П. Деченко, В.Л. Зубов, В.В. Кашкуль, В.С. Семенович, І.Г. Кучер, А.М. Овчарук, В.І. Ольшанський.