СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ ЧУГУНА МАРГАНЦЕМ
MANGANESE DOPING METHOD FOR CAST IRON

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к способам получения чугуна, и может быть использовано для получения чугуна с требуемым содержанием марганца.
Для получения чугуна известна шихта, включающая железосодержащие сырье, марганецсодержащее сырье, кокс и известняк (Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Похвиснев А.Н., Юсфин Ю.С., Курунов И.Ф., Пареньков А.Е., Черноусов П.И. Металлургия чугуна. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. 774 с.). В зависимости от химического состава железосодержащего сырья (руды или концентрата) на получение 1 т чугуна расходуется 1700-1900 кг железосодержащего сырья, 500-550 кг кокса, 200-250 кг известняка.
В соответствии с ГОСТ чугун различных марок содержит от 0,3 до 1,5% марганца. Для получения такого содержания марганца в чугуне в шихту добавляют марганецсодержащее сырье в количестве 20-30 кг на 1 т чугуна. Постоянное удорожание марганецсодержащего сырья требует изыскания методов снижения удельного расхода марганецсодержащего сырья (руды, концентратов).
Техническим результатом, достигаемым в изобретении, является снижение удельного расхода марганецсодержащего сырья.
2
2
3
Технический результат достигается тем, что легирование осуществляют отвальным шлаком силикотермической плавки рафинированных марганцевых сплавов, содержащим, мас.%: 18-22 MnO, 0,003-0,005 P, 26-29 SiO, 43-46 CaO, 2-4 AlO, 2-4 MgO, 0,1-0,2 FeO, 0,1-0,2% S, который предварительно засыпают на дно ковша в количестве, определяемом требуемым содержанием марганца в чугуне.
Шлак процессов выплавки рафинированных марганцевых сплавов силикотермическим способом характеризуется высоким содержанием марганца (13-16% Mn). Шлак этих процессов отвальный, следовательно, содержащийся в нем марганец теряется. В связи с высокой кратностью шлака (3,5-4) извлечение марганца в металл в этих процессах не превышает 60-65%. (Лякишев Н.П., Гасик М.И., Дашевский В.Я. Металлургия ферросплавов. Ч.1. - М.: Учеба. 117 с.).
При взаимодействии жидкого чугуна со шлаком в ковше протекает реакция между углеродом чугуна и оксидом марганца шлака
(MnO)+[C]=[Mn]+CO (г).
в результате которой восстановленный марганец переходит в чугун. На восстановление одного атома марганца расходуется один атом углерода. В связи с существенной разницей атомных масс марганца (55) и углерода (12) количество восстановленного марганца по массе превышает практически в 4,5 раза массу израсходованного на восстановление углерода. Использование для легирования чугуна марганцем шлака силикотермической плавки рафинированных марганцевых сплавов позволяет снизить удельный расход марганецсодержащего сырья при выплавке чугуна, а также полезно извлечь часть марганца из шлака, которая безвозвратно теряется, и за счет этого повысить сквозное извлечение марганца в процессах выплавки рафинированных марганцевых сплавов.
Количество шлака силикотермической плавки рафинированных марганцевых сплавов для легирования чугуна марганцем в каждом отдельном случае определяется требуемым содержанием марганца в чугуне с учетом того, что степень восстановления марганца из шлака в этом процессе составляет 65-75%. Если из шихты для выплавки чугуна изъято не все марганецсодержащее сырье, а только его часть, то количество шлака силикотермической плавки рафинированных марганцевых сплавов определяется с учетом массы марганецсодержащего сырья в шихте.
2
2
3
Пример. Изучен процесс легирования чугуна марганцем путем обработки его отвальным шлаком силикотермической плавки металлического марганца. Чугун из доменной печи выпускали в ковш, на дно которого был засыпан отвальный шлак силикотермической плавки металлического марганца. Исходный состав чугуна, мас.%: 3,2-3,5 C; 0,2-0,3 Mn; 0,4-0,6 Si. Состав шлака, мас.%: 15,7 Mn; 0,2 FeO; 0,005 P; 27,9 SiO; 45,4 CaO; 3,3 MgO; 3,5 AlO. Было проведено 4 опыта, масса чугуна в каждом опыте составляла ~10 т. Масса шлака в опыте 1 составляло 3% от массы чугуна (300 кг), в опыте 2-5% (500 кг), в опыте 3-10% (1000 кг), в опыте 4-15% (1500 кг). После выпуска чугуна в ковш, на дно которого предварительно была засыпана определенная порция шлака, через каждые 5 мин отбирали пробы металла для химического анализа на содержание марганца и углерода. Полученные результаты приведены в табл.1. Как видно из приведенных данных, в металлическом расплаве по мере выдержки происходило возрастание содержания марганца в результате взаимодействия оксида марганца шлака с углеродом чугуна. Соответственно снижалось содержание углерода в металле. Конечное содержание марганца в металле тем выше, чем больше масса шлака: при количестве шлака 15% от массы металла содержание марганца в чугуне возросло в 6 раз. При взаимодействии расплава чугуна с отвальным шлаком силикотермической плавки металлического марганца из шлака восстановилось 65-75 отн.% содержащегося в нем марганца и, следовательно, повысилось сквозное использование марганца в процессе выплавки металлического марганца (табл.2). По мере повышения массы шлака относительно массы металла степень восстановления марганца из шлака снижается. Наибольшее извлечение марганца из шлака (75%) достигается тогда, когда масса шлака составляет 5% от массы чугуна.
Таблица 1
Изменение содержания марганца и углерода в чугуне, мас.%
Номер опыта
Проба 1 (исходная)
Проба 2 (через 5 мин)
Проба 3 (через 10 мин)
Проба 4 (через 15 мин)
Mn
C
Mn
C
Mn
C
Mn
C
1
0,26
3,25
0,51
3,13
0,56
3,09
0,61
3,05
2
0,23
3,38
0,58
3,27
0,70
3,11
0,82
2,92
3
0,27
3,20
0,85
3,01
1,09
2,92
1,35
2,84
4
0,20
3,41
1,01
3,13
1,36
3,08
1,72
2,89
Таблица 2
Степень восстановления марганца из шлака углеродом чугуна
Номер опыта
Количество Mn в шлаке, кг
Перешло Mn в чугун, кг
Степень восстановления Mn из шлака, отн. %
1
47,1
35
74,31
2
78,5
59
75,16
3
157,0
108
68,79
4
235,5
152
64,54
Технико-экономические преимущества предлагаемого способа заключаются в том, что его использование позволяет при выплавке чугуна сократить (или полностью исключить) расход марганецсодержащего сырья, а требуемое содержание марганца в чугуне получить за счет взаимодействия жидкого металла с отвальным шлаком силикотермической плавки рафинированных марганцевых сплавов, а также повысить сквозное извлечение марганца в процессах выплавки рафинированных марганцевых сплавов (металлического марганца, средне- и низкоуглеродистого ферромарганца) силикотермическим методом.