СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТОГО ФЕРРОМАРГАНЦА
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF MEDIUM CARBON FERRO-MANGANESE

Изобретение относится к металлургии ферросплавов, а именно к способам получения марганцевых ферросплавов, и может быть использовано для получения среднеуглеродистого (2% C) ферромарганца.
Для получения среднеуглеродистого ферромарганца известен силикотермический способ. Процесс двухстадийный: на первой стадии в рудно-термической печи выплавляют ферросиликомарганец, восстанавливая марганец из марганцевой руды и кремний из кварцита углеродом кокса; на второй стадии в рафинировочной электродуговой печи выплавляют среднеуглеродистый ферромарганец, восстанавливая марганец из оксидов марганца, содержащихся в марганцевой руде, кремнием ферросиликомарганца (Гасик М.И. Марганец. М.: Металлургия. 1992. 608 с.). Недостатком метода является невозможность его применения в случае отсутствия производства ферросиликомарганца.
2
Для получения среднеуглеродистого ферромарганца известен также способ рафинирования от углерода высокоуглеродистого ферромарганца кислородом оксидов марганца марганцевой руды (Боголюбов В.А. Обезуглероживание ферромарганца в дуговой электропечи. Госмашметиздат. 1933. 37 с.). Рафинирование высокоуглеродистого ферромарганца от углерода ведут в дуговой сталеплавильной электропечи следующим методом. На подину печи загружают ферромарганец в смеси с марганцевой рудой, затем загружают марганцевую руду с известью и сверху снова ферромарганец. Соотношение массы марганцевой руды и массы высокоуглеродистого ферромарганца 0,3-0,5. Количество извести г в шихте определяют из расчета получения шлака основностью (CaO/SiO), равной 1,2-1,3. Под электроды подкладывают несколько кусков кокса для набора нагрузки. Смесь ферромарганца и марганцевой руды расплавляют и выдерживают в печи. Температура в печи 1700-1750°C. В процессе выдержки при необходимости дополнительно загружают марганцевую руду. Процесс ведут под одним или несколькими шлаками. Шлак отвальный. Марганец, содержащийся в шлаке, теряется.
Результаты получения среднеуглеродистого ферромарганца по данному способу показали, что способ имеет ряд существенных недостатков.
1. Способ характеризуется значительными потерями марганца с отвальным шлаком, шлак содержит до 10% MnO и более.
2. В связи с длительностью процесса расплавления шиты и последующей выдержкой расплава под нагрузкой способ характеризуется значительным расходом электроэнергии, удельный расход электроэнергии составляет до 6000 кВ·ч на 1 т среднеуглеродистого ферромарганца.
3. Процесс характеризуется значительными потерями марганца с отходящими газами в процессе расплавления высокоуглеродистого ферромарганца из-за высокой упругости пара марганца, потери составляют до 15% марганца.
4. Как правило, не удается получить содержание углерода в металле ниже 3%.
В связи с вышеизложенным данный способ для получения среднеуглеродистого ферромарганца на практике не используют.
Техническим результатом, достигаемым в изобретении, является получение среднеуглеродистого ферромарганца при одновременном повышении извлечения марганца и сокращении энергетических затрат.
2
2
Способ заключается в следующем. В дуговой электрической печи расплавляют рудно-известковую смесь, составляющими которой являются марганецсодержащее сырье и известь. В зависимости от содержания оксидов кальция (CaO) и кремния (SiO) в марганцевом сырье в шихту к марганцевому сырью добавляют известь в таком количестве, чтобы основность (CaO/SiO) рудно-известкового расплава составляла 1,0-1,4. В процессе расплавления шихты не происходит потерь марганца путем испарения, поскольку марганец, содержащийся в рудно-известковом расплаве, связан в оксид MnO. Рудно-известковый расплав нагревают до температуры 1600-1800°C, после чего в печь заливают расплавленный высокоуглеродистый ферромарганец (6-8% С). Для сокращения потерь марганца доменную или рудно-термическую печь, в которой выплавляют высокоуглеродистый ферромарганец, рациональнее всего располагать вблизи с дуговой электропечью. Расплавленный высокоуглеродистый ферромарганец к дуговой электропечи, в которой находится рудно-известковый расплав, подают в ковше и заливают в печь. Соотношение в исходной шихте массы марганцевого сырья и массы высокоуглеродистого ферромарганца должно составлять 0,5-1,5.
В результате взаимодействия кислорода оксидов марганца и железа, содержащихся в марганцевом сырье, с углеродом высокоуглеродистого ферромарганца идет процесс обезуглероживания. Расплавы ферромарганца и рудно-известковой смеси выдерживают в печи при температуре 1600-1800°С до достижения требуемого содержания углерода, которое в среднеуглеродистом ферромарганце в соответствии со стандартами (ГОСТ 4755-91; ISO 5446-80) должно быть не более 2%. Содержание углерода в ферромарганце определяют анализом отбираемых проб. После достижения требуемого содержания углерода в ферромарганце расплавы ферромарганца и рудно-известковой смеси совместно выпускают в ковш, а затем разливают в изложницы. Остывший конечный рудно-известковый расплав дробят и используют в качестве компонента шихты при выплавке высокоуглеродистого ферромарганца.
Расход электроэнергии в данном процессе слагается из затрат на расплавление рудно-известковой смеси и на поддержание смеси расплавов при требуемой температуре в процессе рафинирования высокоуглеродистого ферромарганца от углерода кислородом оксидов марганца и железа, содержащихся в марганцевом сырье. Удельный расход электроэнергии не превышает 3500-4500 кВт·ч на 1 т среднеуглеродистого ферромарганца. В этом процессе практически отсутствуют потери марганца, поскольку остывший конечный рудно-известковый расплав является передельным продуктом, который используют в шихте при выплавке высокоуглеродистого ферромарганца; нет потерь марганца испарением, т.к. расплавленный ферромарганец закрыт жидким рудно-известковым расплавом. Извлечение марганца в этом процессе составляет 95-97% (с учетом неизбежных потерь при транспортировке жидкого высокоуглеродистого ферромарганца к электропечи, его заливке в дуговую электропечь, разливке ферромарганца и рудно-известкового расплава, их дроблении).
В качестве марганецсодержащего сырья используют марганцевые руды различных месторождений или концентраты, получаемые в результате обогащения марганцевых руд. Поскольку марганцевое сырье различных месторождений содержит различное количество марганца, требуемую массу марганцевого сырья определяют пересчетом содержания марганца в сырье на базовое содержание марганца. Для удобства сравнения технико-экономических показателей процессов добычи марганцевых руд, их обогащения и производства марганцевых ферросплавов принято во всех марганецсодержащих продуктах пересчитывать содержание марганца на базовое, которое составляет 48% (Гасик М.И. Марганец. М.: Металлургия. 1992. 608 с).
Для ускорения процесса расплавы ферромарганца и рудно-известковой смеси периодически совместно выпускают из печи в ковш и заливают их обратно в печь, повторяя эту процедуру до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое содержание углерода в ферромарганце.
Выбранные пределы по соотношению массы марганцевого сырья в шихте (определенное пересчетом на базовое содержание марганца 48%) и массы высокоуглеродистого ферромарганца, равные 0,5-1,5, обеспечивают условия, необходимые для активного протекания реакции взаимодействия углерода, содержащегося в высокоуглеродистом ферромарганце, с кислородом оксидов марганца и железа, содержащихся в марганцевом сырье. Снижение массы марганцевого сырья по отношению к массе высокоуглеродистого ферромарганца менее 0,5 приведет к снижению количества кислорода, содержащегося в оксидах марганца, что не позволит достичь в результате протекания реакции обезуглероживания требуемого содержания углерода в металле (2%). Увеличение массы марганцевого сырья по отношению к массе высокоуглеродистого ферромарганца выше 1,5 приведет к дополнительному расходу электроэнергии на расплавление и поддержание в расплавленном состоянии рудноизвестковой смеси.
Выбранные пределы по температуре (1600-1800°С) обеспечивают устойчивое протекание реакции взаимодействия углерода, содержащегося в высокоуглеродистом ферромарганце, с кислородом оксидов марганца и железа, содержащихся в марганцевом сырье. Проведенный термодинамический анализ процесса взаимодействия углерода и кислорода в расплавах на основе марганца (Дашевский В.Я. Обезуглероживание марганцевых расплавов // Сталь. 2008, №10. С.79-84) показал, что интервал температур 1600-1800°С является оптимальным для протекания реакции обезуглероживания. Снижение температуры ниже 1600°С приводит к существенному замедлению скорости протекания реакции обезуглероживания, а повышение температуры выше 1800°С приводит к заметному повышению удельного расхода электроэнергии.
2
Выбранные пределы по основности рудно-известкового расплава (CaO/SiO=1,0-1,4) обеспечивают связывание оксида кремния в прочные силикаты кальция. Снижение основности менее 1,0 приведет к тому, что часть оксидов марганца будет связана в силикаты, тем самым препятствуя протеканию реакции обезуглероживания, и, в результате, к снижению извлечения марганца. Повышение основности выше 1,4 приведет к повышению температуры плавления рудно-известковой смеси и повышению вязкости рудно-известкового расплава, что вызовет дополнительный расход электроэнергии.
2
2
3
Пример. Для получения среднеуглеродистого ферромарганца использовали марганцевую руду, содержащую, %: 48,3 Mn; 2,9 Fe; 15,4 SiO; 2,7 CaO; 0,5 AlO; 0,05 P; высокоуглеродистый ферромарганец, содержащий, %: 78,54 Mn; 13,30 Fe; 6,46 C; 1,57 Si; 0,12 P; известь, содержащую 87% CaO.
Рудно-известковую смесь расплавляли в дуговой электропечи. После достижения заданной температуры расплава в печь заливали расплавленный высокоуглеродистый ферромарганец. Расплавы ферромарганца и рудно-известковый выдерживали в печи до достижения требуемого содержания углерода в ферромарганце. Расплавы сливали в ковш и разливали по отдельности в изложницы.
Результаты 3-х вариантов получения среднеуглеродистого ферромарганца по предлагаемому способу и по известному способу приведены в таблице.
2
Как видно из таблицы, преимуществом использования для получения среднеуглеродистого ферромарганца предлагаемого способа является возможность достижения извлечения марганца 96-97% и удельного расхода электроэнергии 3500-4500 кВт·ч/т при соотношении массы марганцевого сырья (48% Mn) в шихте и массы высокоуглеродистого ферромарганца, равном 0,5-1,5, температуре процесса 1600-1800°С и основности рудно-известкового расплава (CaO/SiO), равной 1,0-1,4. При использовании известного способа извлечение марганца не превышает 80%, удельный расход электроэнергии составляет почти 6000 кВт·ч/т.
2
Оптимальным вариантом предлагаемого способа является вариант 2, при получении среднеуглеродистого ферромарганца по этому варианту достигается требуемое содержание углерода в металле (2,16%) при извлечении марганца 96,79% и удельном расходе электроэнергии 3820 кВт·ч/т. Соотношение массы марганцевого сырья (48% Mn) в шихте и массы высокоуглеродистого ферромарганца в этом варианте составляет 1,0, температура процесса 1700°C, основность рудно-известкового расплава CaO/SiO=1,2. Ведение процесса получения среднеуглеродистого ферромарганца при соотношении массы марганцевого сырья (базовое содержание марганца 48%) в шихте и массы высокоуглеродистого ферромарганца, температуре процесса и основности рудно-известкового расплава меньше предложенных минимальных и больше предложенных максимальных приводит к повышению содержания углерода в конечном ферромарганце выше допустимого, увеличению удельного расхода электроэнергии, повышенному расходу марганцевого сырья и извести.
Технико-экономические преимущества предлагаемого способа заключается в том, что его использование позволяет организовать производство дефицитного продукта - среднеуглеродистого ферромарганца на предприятиях, выплавляющих высокоуглеродистый ферромарганец.
Таблица
Показатель
Способ
Известный
Предлагаемый
1
2
3
Соотношение масс марганцевой руды (48% Mn) и высокоуглеродистого ферромарганца
0,5
0,5
1,0
1,5
Температура расплава в печи, °С
1700
1600
1700
1800
Основность рудно-известкового расплава CaO/SiO<sub>2</sub>
1,2
1,0
1,2
1,4
Расход шихтовых материалов, кг/т:
марганцевая руда (48% Mn)
496
438,5
832
1235
высокоуглеродистый ферромарганец
992
877
832
823
известь
162
158
186
307
Состав ферромарганца, %:
Mn
81,60
83,72
84,36
83,22
Fe
14,48
12,81
13,24
14,17
C
3,64
3,22
2,16
1,98
Si
0,16
0,14
0,13
0,13
P
0,12
0,11
0,11
0,10
Содержание MnO в отвальном шлаке, %
21,48
-
-
-
Содержание MnO в конечном рудно-известковом расплаве, %
-
19,97
43,82
49,86
Отношение массы полученного ферромарганца к массе отвального шлака
0,46
-
-
-
Отношение массы полученного ферромарганца к массе конечного рудно-известкового расплава
-
0,41
0,61
1,04
Распределение марганца, %:
в ферромарганец
78,36
90,02
77,81
66,35
в отвальный шлак
7,07
-
-
-
в конечный рудно-известковой расплав
-
7,06
18,98
31,90
улет и потери
15,17
2,92
3,21
2,75
Извлечение марганца, %
78,36
97,08
96,79
97,25
Удельный расход электроэнергии, кВт·ч/т
5840
3570
3820
4450