ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА по использованию карбида кремния металлургического качества

В настоящее время нами предлагается две технологии по использованию карбида кремния в сталеплавильном производстве: технология раскисления и легирования стали и технология подогрева металла за счет сжигания SiС.

1. Технология раскисления и легирования стали.  

Используемая в настоящее время технология производства стали предусматривает при выпуске металла из сталеплавильного агрегата в ковш предварительное раскисление.

В качестве раскислителей используются чушковый алюминий (первичный, вторичный), ферросилиций, силикокальций.

Расход конкретного раскислителя регламентируется особенностями технологии сталеплавильного агрегата, наличием специального оборудования, окисленностью металла и соответственно наличием указанных материалов.

Наиболее распространенным, является способ предварительного раскисления стали чушковым алюминием. Однако при этом возникают определенные проблемы, связанные с образованием трудноудаляемых неметаллических включений типа Al 2О 3, а также трудности при разливке металла, в особенности на мелкосортовых МНЛЗ (затягивание стаканчика).

Предлагаемая технология раскисления основана на высоком сродстве к кислороду карбида кремния, при этом активность комплексного раскислителя ( SiC) близка к активности алюминия и на много выше, чем отдельно у кремния и углерода.

Наиболее целесообразно отдавать карбид кремния непосредственно на струю при выпуске металла из печи (это связано с невысокой плотностью SiC и возможностью хорошего перемешивания в данном периоде).

Усвоение SiC (угар) колеблется от 70 до 80 % в зависимости от окисленности металла и шлака в ковше, от 20 до 30 % кремния и углерода переходит в металл в качестве легирующих компонентов, отсюда возможность использования SiC ограничено по нижнему пределу марками стали с содержанием Si < 0.15 % и С < 0,12 %.

Практика использования SiC при раскислении стали на ОАО «Северсталь» показала возможность полного отказа от использования чушкового алюминия. При этом алюминий использовался только в виде катанки для обеспечения остаточного алюминия в стали в соответствии с требованиями ГОСТ или ТУ.

В настоящее время при наличии агрегатов печь-ковш, окончательное раскисление также может быть обеспечено SiC путем раскисления шлака в ковше, тем самым полностью отказаться от алюминия.

Эффективность данного мероприятия складывается из прямой замены карбидом кремния чушкового алюминия и снижения потребления ферросилиция, так как часть кремния из SiC идет на легирование.

Вторым положительным фактором, который пока не оценен в денежном эквиваленте, является факт, значительного улучшения качества стали по структуре неметаллических включений.

А при разливе металла на мелкосортовых МНЛЗ полностью исключается проблема затягивания стаканчика шлаком ( Al 2О 3)

2. Технология подогрева металла.  

Многие металлургические заводы, работающие по полному циклу, испытывают недостачу жидкого чугуна в общем балансе металла.

Для решения данной проблемы в целях увеличения доли твердой части шихты в завалке используется ферросилиций, который за счет экзотермической реакции сгорания кремния повышает общий тепловой баланс плавки, что позволяет сократить расход жидкого чугуна.

Нами предлагается использовать в этих же целях окатыши карбида кремния марок ОКК-70 ( SiC от 70 до 80 %) и ОКК-80 ( SiC от 80 до 88 %).

При этом учитывая, что количество тепла при сгорании SiC значительно больше, чем при использовании ферросилиция ФСи 65, а цена на окатыши SiC в 1,5 раза ниже, то данная технология имеет значительный экономический эффект.

Мировой рынок карбида кремния

Карбид кремния ( SiC) облада­ет исключительными физически­ми и химическими свойствами, к числу которых относятся экстра­ординарная термическая инерт­ность, очень высокая твердость, жаростойкость до 2500° С, а так­же устойчивость к кислотам и окислителям. Кроме того, он имеет варьируемую плотность в зависимости от сорта. Такие свойства карбида кремния опре­деляют круг сфер его использо­вания, основными из которых яв­ляются металлургия (ферро­сплавы, раскисляющие агенты), производство абразивов и огне­упоров.

Карбид кремния производится с использованием электропла­вильной технологии в электриче­ских печах с угольными электро­дами при температуре 1500 -2400° С в течение нескольких дней с использованием в качестве сырья кварцевого песка или раз­дробленного кварца (2,5 - 0,5 мм ) и нефтяного кокса. Большинство продуцентов для его получения используют различные варианты технологического метода " Ache- son". Карбид кремния является дорогостоящим материалом ввиду высоких издержек производства, обусловленных в первую очередь крупномасштабным потреблением электроэнергии.

В результате осуществления указанного технологического про­цесса получают слиток, со­держащий 50 - 100% SiC, в серд­цевине которого чистота наиболее высокая. В поперечном сечении слитка имеются участки с раз­личной чистотой, определяющей сорт карбида кремния, а следова­тельно, и сферу его использова­ния. Высокочистый SiC, распола­гающийся вблизи сердцевины, представляет собой зеленый кар­бид кремния чистотой 99 - 99,8%, в непосредственной близости к нему находится черный карбид кремния чистотой до 99,2%, остальная часть слитка имеет чистоту 50 - 95%. Зеленый SiC имеет более высокую твердость и меньшую плотность, чем черный материал. Оба эти сорта исполь­зуются в производстве абразивов. Компактный высококачественный SiC из сердцевины слитка часто характеризуется как кристалли­ческий (получается при темпера­туре около 2100° С), а SiC более низкого качества из периферий­ных участков слитка - как аморфный (температура получе­ния - 1500 - 1600° С). Обычно считается, что карбид кремния абразивного сорта имеет чистоту 96,5 - 100%, огнеупорного сорта - 90 - 98%, металлургического сор­та - 65 - 92%. Важно то, что про­дуценты могут модифицировать работу своих печей с тем, чтобы изменять количественное соотно­шение различных сортов карбида кремния в получаемых слитках. Важными характеристиками SiC являются процентное содержание и состав примесей, плотность ма­териала в целом и плотность и форма зерен, а также величина зерен.

Огнеупорные сорта в неко­торых случаях подразделяются на сорт 1 для производства огне­упоров с высокими характерис­тиками (например, тиглей) и сорт 2 для огнеупоров с менее высокими характеристиками (бетон и ступ­ки). Наиболее важной физической характеристикой материала абра­зивного и огнеупорного сортов является величина зерен. Их стандарты устанавливаются "Fe­deration Europeene des Fabricants de Produit Abrasifes" ("FEPA"). В соответствии с " FEPA", материалы могут подразделяться на макрозернистые и микрозернистые.

Мировые производственные мо­щности по выпуску карбида кремния всех типов оцениваются в 1,1 млн. т в год, 41% которых находится в Китае. Действитель­ное производство SiC составляет 750 - 850 тыс. т в год, из которых примерно 30% приходится на абразивный сорт. Значительный разброс в цифрах, характери­зующих мировое производство, связан с неопределенностью дан­ных по Китаю, СНГ и странам Восточной Европы.

Производство карбида кремния в Китае оценивается в 400 - 500 тыс. т в год, из которых значитель­ная часть экспортируется. В стране выпускается преимущественно ма­териал металлургического сорта. В Азии, помимо Китая, карбид крем­ния производится только в Индии и Японии. Производство SiC кера­мического сорта в Японии в 1999 г . оценивалось в 4,35 млрд. иен. В Индии ожидается расширение рынка SiC.

Западноевропейский рынок карбида кремния оценивается в 200 тыс. т в год. В странах За­падной Европы SiC производится в Норвегии, Нидерландах, Испа­нии и Швейцарии. В СНГ, а так­же в Центральной и Восточной Европе заводы по производству SiC имеются на Украине, в Рос­сии, Польше, Румынии, Чехии. Крупные производственные мощ­ности по выпуску карбида крем­ния сосредоточены в странах Се­верной и Южной Америки -США, Венесуэле, Канаде, Брази­лии, Мексике и Аргентине. В США и Канаде суммарное произ­водство карбида кремния, осу­ществлявшееся на имеющихся там трех заводах, составило в 1998 г. 70 тыс. т, увеличившись по сравнению с 1997 г . на 2,5%. В I квартале 1999 г . производство составило 17,5 тыс. т, т. е. почти не изменилось по сравнению с соответствующим периодом 1998 г .

Географическая структура рас­пределения производственных мо­щностей по выпуску карбида кремния характеризуется следующими данными (тыс. т в год): Китай – 400 - 500, Норвегия - 85, Россия - 70, Япония - 59, США - 42, Венесуэла - 41, Канада - 40, Украина - 32,5, Бразилия - 30, Испания - 20, Польша - 20, Мексика - 20.

В сфере производства карбида кремния, как и во многих других отраслях промышленности, в на­стоящее время наблюдается яв­ная консолидация. Лидером на рынке этого материала являет­ся французская компания-гигант " Saint- Gobian", осуществившая масштабное расширение принад­лежащих ей производственных мощностей по выпуску карбида кремния. Через свое отделение " Saint- Gobian' s Industrial Cera­ mics Branch" она приобрела и открыла новые предприятия, став в результате доминирующим мировым продуцентом карбида кремния. К числу ее последних приобретений относится бразиль­ская компания " Cabureto de Silicio" (" Casil SA"), являющаяся крупнейшим в Южной Америке продуцентом карбида кремния и пятым по величине его продуцен­том в мире. " Norton AS" (Нор­вегия), являющаяся частью под­разделения " Silicon Carbide Divi­ sion" компании " Saint- Gobian' s In­ dustrial Ceramics Branch", в 1999 г . приобрела 100% акций " Casil SA". В настоящее время деятель­ность отделения "Saint-Gobian's Industrial Ceramics Branch" ком­пании "Saint-Gobian" распростра­няется на такие страны, как Бра­зилия, Венесуэла, Канада, Нор­вегия, Индия, Китай.

После французского гиганта "Saint-Gobian", которому через его многочисленные дочерние компании принадлежит львиная доля мировой промышленности по производству карбида крем­ния, на втором месте в мире, учитывая их суммарное произ­водство, находятся компании " Exolon- ESK" (США) и " Electroschmelzwerk Kempten GmbH" (ФРГ). Владельцем " ESK" является компания " Wacker- Chemie GmbH". Старейшая фирма "Ехо lon" является единственным в США продуцентом карбида кремния. В 1984 г . " Exolon" сли­лась с фирмой " ESK Corp.", яв­ляющейся филиалом " Electroschmelzwerk Kempten GmbH" (" ESK"). В настоящее время у компании имеется три завода в Северной Америке. "ESK" яв­ляется лидирующим в Германии поставщиком SiC-продуктов. Ком­пания обладает перерабаты­вающим предприятием в Герма­нии и современным заводом по выпуску карбида кремния в Ни­дерландах. Продукция с этого завода обеспечивает 10% мирово­го спроса на карбид кремния. Не­давно " Wacker- Chemie" выделила SiC-бизнес компании "ESK" в не­зависимую единицу под названи­ем " ESK SIC GmbH".

Крупные фирмы - продуценты карбида кремния имеются также в Испании, на Украине, в России, Японии, Венесуэле, Мексике.

Помимо продуцентов сырьево­го карбида кремния в рассматри­ваемой отрасли промышленности имеется также активно дей­ствующий перерабатывающий сектор с несколькими лидирую­щими участниками. В их число входят доминирующие продуцен­ты сырьевого SiC - компании "ESK" и " Norton Co" (принад­лежащая " Saint- Gobain"), имею­щие собственные перерабаты­вающие предприятия. Кроме того, перерабатывающие SiC-компании имеются в Бельгии, Германии, Италии, США, Китае, Японии.

Лидирующими импортерами карбида кремния в Европе явля­ются Германия, Великобритания, Италия и Франция. Эти страны обладают крупной металлурги­ческой, а следовательно, и огне­упорной промышленностью. Ос­новными поставщиками карбида кремния в страны ЕС являются Норвегия, Венесуэла, Россия и ряд европейских стран.

Из суммарного импорта сырь­евого карбида кремния в США в I полугодии 1999 г . 85% приходи­лось на поставки из Китая. Из Китая в основном ввозится деше­вый материал металлургического сорта. Вторым крупным постав­щиком сырьевого SiC в США бы­ла Канада. В США ввозится так­же обработанный карбид кремния - рафинированный и размельчен­ный. Американский экспорт сырь­евого карбида кремния в 1999 г . осуществлялся в основном в Германию, Мексику и Японию, а обработанного - в Канаду, Мекси­ку и Японию. Последняя является одним из наиболее крупных им­портеров карбида кремния.

В настоящее время еще дей­ствуют антидемпинговые пошли­ны на ввоз карбида кремния в страны ЕС из Китая и СНГ, вве­денные в апреле 1994 г . На поль­ский товар также была наложена пошлина, но затем она была от­менена. Продуценты в странах ЕС требуют, чтобы антидемпин­говые пошлины на китайский, украинский и российский карбид кремния были сохранены, по­скольку он продолжает постав­ляться по демпинговым ценам, причем его экспорт в страны, не защищенные антидемпинговыми мерами, такие как США и Чехия, также осуществляется по дем­пинговым ценам.

Справочные цены сиф Вели­кобритания на карбид кремния абразивного сорта в последние несколько лет остаются стабиль­ными и составляют (ф. ст. за т):

 Справочные цены на SiC огне­упорного сорта в 1999 г . (ф. ст. за т):

Мировое потребление карбида кремния составляет 600 - 700 тыс. т в год и оценивается в 670 млн. долл. Крупнейшей сферой ис­пользования карбида кремния в мире является металлургия (около 45% мирового спроса), за ней следуют производство абра­зивов (30%) и производство огне­упоров (25%). Маломасштабными по физическому объему, но имеющими высокую стоимостную оценку, являются рынки сбыта SiC, связанные с производством высокотехнологической керамики и с электронной промышлен­ностью, в последней используется высокосортный зеленый SiC.

На США и Европу в сумме приходится 70% мирового рынка сбыта карбида кремния, из остальных 30% наибольшая часть приходится на страны азиатско-тихоокеанского региона. Объем европейского рынка SiC оцени­вается в 180 - 200 тыс. т в год. Структура отраслевого спроса на европейском рынке в основном повторяет структуру спроса в мире. Крупнейшей сферой пот­ребления в Европе также являет­ся металлургия. На североамери­канском рынке сбыта карбида кремния доминируют США. Объ­ем рынка США оценивается в 250 - 270 тыс. т в год. В США круп­нейшей сферой потребления карбида кремния является про­изводство абразивов, на которое приходится 46% суммарного спроса на SiC в стране, на произ­водство огнеупоров - 21% и на металлургию - 33%.

Азиатско-тихоокеанский ры­нок карбида кремния имеет объ­ем 150 - 160 тыс. т в год. На Япо­нию приходится примерно 50% спроса на SiC в регионе - 80 - 85 тыс. т в год. Крупнейшей сферой потребления карбида кремния в Японии является производство огнеупоров. В других странах азиатско-тихоокеанского региона структура потребления SiC, по-видимому, подобна наблю­дающейся в Японии.

В азиатских странах отмеча­ется тенденция к снижению спро­са на карбид кремния со стороны продуцентов чугуна, стали и ог­неупоров из-за сокращения мас­штабов строительства. В Европе и Америке спрос на огнеупоры, по-видимому, останется высоким.

Прогнозируется, что во всех регионах мира будет наблюдаться рост производства абразивов. Наиболее перспективной сферой с точки зрения роста спроса на карбид кремния является произ­водство высокотехнологической керамики, используемой, в част­ности, в полупроводниковой про­мышленности.

На мировом рынке карбида кремния имеется потенциальная возможность к возникновению избытка поставок товара, однако высокая стоимость электро­энергии, необходимой для его производства, и ужесточение экологического законодательства в отношении выделения серы в окружающую среду ограничи­вают уровень производства SiC. Контролю за масштабами его производства способствуют также введение лицензий на экспорт карбида кремния из Китая и установление антидемпинговых пошлин на поставки товара в страны ЕС.

Техническое совершенствова­ние отрасли ориентировано в на­стоящее время на снижение из­держек производства карбида кремния, на производство сверх­тонких порошков (микронизированный SiC) для производства высокотехнологической керамики, минеральных волокон, огнеупоров и ферросплавов. Кроме того, при­дается большое значение разви­тию новых сфер применения SiC.