ТЕХНОЛОГІЯ ВИРОБНИЦТВА ВУГЛЕЦЕВОГО ФЕРО- ТА СИЛІКОМАНГАН

Феро- та силікоманган широко застосовують для розкиснення й легування сталей багатьох марок. Рядові конструкційні сталі містять до 0,6 % Мn, а сталі, леговані манганом, — від 0,8 до 13 % Мn.

Вуглецевий феро- та силікоманган виплавляють в електричних печах. Нижче наведено хімічний склад феромангану двох марок та товарного силікомангану, %:

Марка Мn С Р Sі

ФМн75 > 75 < 7 < 0,45 1,0—2,0

ФМн78 > 78 < 7 < 0,35 1,0—2,0

МнС17 > 65 < 2,5 < 0,35 15,0—20,0

Манганові руди містять багато фосфору, тому в феро- та силікомангані вміст цього шкідливого елемента досить високий.

Сировинні матеріали. Основними сировинними матеріалами, які використовують для виплавляння феромангану, є манганові руди, коксик і сталева стружка. Манганові руди здебільшого застосовують для виплавки феросплавів, які містять 10—82 % Мn, а також тоді, коли плавку ведуть на коксі с підвищеним вмістом сірки для отримання переробних чавунів, що містять 0,7—0,8 % Мn.

Мінерали, що утворюють руди мангану, нечисленні, хоча манган входить до складу великої кількості природних сполук. Манганові руди промислових типів поділяють на чотири види: а) оксидні руди — це мінерали піролюзит брауніт псиломелан гаусманіт манганіт б) карбонатні руди, що містять мангановий шпат, або родохрозит в) силікатні руди, що містять родоніт г) окиснені руди — продукт окиснення карбонатних і силікатних руд. Уміст мангану в цих мінералах становить від 41,9 до 72,1 %. Однак у манганових рудах, які добувають, унаслідок наявності домішок вміст мангану становить 20—45, іноді — 50—57 %. Пуста порода переважно складається із кремнезему, менше із глинозему, вапняна пуста порода трапляється досить рідко. Манганові руди, які добувають, зазвичай промивають або проводять гравітаційно-магнітне збагачення з отриманням концентратів, що містять 40—56 % Мn. Залежно від галузі застосування до манганових руд і концентратів ставлять певні вимоги за хімічним складом і фізичними властивостями. Бажано, щоб у мангановій руді був великий вміст мангану і в мінімальній кількості фосфору (не більше ніж 0,2 %).

Коксик для плавки застосовують розміром 3—15 мм. Вміст золи в ньому не повинен становити > 12 %, вологи < 11 %, фосфору < 0,02 %. Сталеву стружку використовують подрібнену, малоокиснену.

Фізико-хімічні умови процесу плавки. Манган із киснем утворює такі оксиди: МnО. Вищі оксиди мангану характеризуються високим рівноважним парціальним тиском кисню. Тому в атмосфері повітря і чистого кисню вищі оксиди мангану легко дисоціюють:

(4.26)

[Дж/моль];

(4.27)

[Дж/моль];

(4.28)

[Дж/моль];

Відновлення мангану — один з найважливіших фізико-хімічних процесів, що відбувається під час вуглецево-відновної плавки манганових феросплавів. У реальних умовах на хід цього процесу істотно впливають інші фізико-хімічні процеси, особливо такі, як шлакоутворення, плавлення металів, відновлення домішок із руд, золи відновника і флюсів.

Відновлення мангану згідно з принципом послідовності перетворень О. О. Байкова відбувається за схемою Цей принцип означає, що у міру нагрівання вищий оксид дисоціює спочатку до оксиду проміжної валентності, відновлення якого розпочинається лише після зникнення вищого оксиду, тобто може відбуватися внаслідок:

термічної дисоціації оксидів

(4.29)

непрямого відновлення оксидів оксидом карбону (II)

(4.30)

прямого відновлення оксидів вуглецем

(4.31)

Вищі оксиди мангану відновлюються до оксиду мангану МnО газами за помірних температур (200—500 °С), наприклад оксидом карбону (II):

Дж; (4.32)

Дж; (4.33)

Дж. (4.34)

Отже, відновлення до МnО, що відбувається з перебігом екзотермічних реакцій, пов’язане з виділенням великої кількості теплоти — близько 2870 кДж на 1 кг мангану. Відновлення мангану із оксиду мангану (II) вуглецем потребує значної витрати теплоти.

(4.35)

Для відновлення мангану вуглецем потрібна температура близько 1200 °С. За наявності вуглецю утворюється карбід мангану що трохи знижує температуру відновлення мангану. Помітного розвитку процес відновлення мангану набуває в присутності заліза за температури 1100—1300 °С. Згідно з цією реакцією на 1 кг мангану витрачається 5225 кДж, тобто майже вдвічі більше, ніж на відновлення заліза із оксиду феруму (II).

Оскільки оксид мангану (II) відновлюється за високих температур, то значна частина мангану за наявності у сировині кремнезему переходить у силікати. Відновлення мангану із силікатів полегшується наявністю вапна:

Дж. (4.36)

Тому процес відновлення мангану з МnO характеризується значною витратою теплоти. Однак не весь манган переходить у метал, частина його залишається у вигляді оксидів у шлаку, а частина — випаровується. Ступінь відновлення мангану під час виплавляння феромангану досягає 90 %. У процесі виплавки феросплавів втрати мангану становлять 3—15 %.

Слід зазначити, що процес відновлення мангану із його оксиду (II) відбувається не лише за реакцією

а й за реакцією з утворенням карбіду мангану:

Дж. (4.37)

Термодинамічні розрахунки доводять, що ці реакції відбуваються одночасно.

Технологія плавки. Вуглецевий фероманган виплавляють флюсовим або безфлюсовим способом. У другому випадку процес ведуть без добавки вапна та отримують, крім вуглецевого феромангану, ще й безфосфористий мангановий шлак (40—50 % МnO і 0,02—0,05 % Р). Такий шлак використовують замість манганової руди для виплавляння силікомангану або низькофосфористих манганових сплавів.

Процес ведуть іноді з нестачею відновника (для пониження ступеня відновлення мангану у сплав) і в такий спосіб одночасно забезпечують виплавку переробного малофосфористого шлаку з вищим вмістом оксидів мангану. Сплав, який при цьому отримують, — так званий «попутний метал», містить до 65 % Мn і близько 2 % Р. Нині він стандартизований і його переважно використовують у ливарному виробництві.

При розгляді процесів виплавки феросплавів потрібно враховувати, що за високої температури, як уже зазначалося, значна частина мангану (10—12 %) випаровується і виноситься із печі. Для зменшення втрат мангану плавку ведуть за низької напруги, тобто умовно не в «дуговому» режимі (на відміну від виплавки феросиліцію), а в режимі «опору».

Технологія флюсової виплавки високовуглецевого феромангану. Вихідні матеріали для виплавки високовуглецевого феромангану зберігають на складі сирих матеріалів цеху для підготовки шихти. Манганові концентрати усереднюють і сушать, наприклад, у печах типу «киплячого шару» для зменшення вмісту вологи нижче 11 %. Частину концентратів агломерують на агломераційній фабриці. Коксик подрібнюють і розсіюють до фракції 5—20 мм. Відходи феромангану подрібнюють, причому розмір шматка не має перевищувати 150 мм. Мангановий агломерат із аглофабрики направляють на склад агломерату. Флюс (вапняк) безпосередньо подають у пічні дозувальні бункери зі складу вапняку без обпалення або використовують в агломераційній шихті з отриманням так званого «офлюсованого агломерату». Шихтові компоненти подають через центральний розподільний пункт системою конвеєрів у бункери дозованих пунктів. За допомогою вагових стрічкових дозаторів матеріали зважують до певного їх співвідношення, після чого подають у пічні бункери, а потім по трубопроводах — у ванну печі.

Високовуглецевий фероманган у печах РПЗ-63 виплавляють безперервним процесом із зануреними у шихту самоспікливими електродами. Торець електрода має знаходитися від подини на відстані 900—1500 мм за довжини робочого кінця електрода 3500— 3900 мм. Витрати електродної маси становлять 22—24 кг на 1 т сплаву. До числа контрольованих параметрів процесу плавки належать повна потужність, що має бути однаковою для всіх електродів (8—9 МВт), і електричне навантаження по фазах — 100 кА на електрод за однакових фазових напружень у межах 145—210 В. Тиск газу під склепінням печі не має перевищувати 2, 9—4,9 Па, а температура газу під склепінням — 750 °С. Контролюють також концентрацію водню в колошниковому газі, що має бути менше 8 % за вмісту оксиду карбону (II) 70—80 % , кисню < 1 %. Кількість газів, що відходять, становить близько 1000 м³/год. Газ у підсклепінні за нормальної роботи печі містить, %: СО — 84—86; — 8—9; — 0,04—0,06; — 4—6. У процесі плавки потрібно суворо стежити за рівномірністю виділення газів навколо електрода, сходу шихти, стійкістю і глибиною занурення електрода, рівномірністю виходу феромангану й шлаку. За результатами хімічного аналізу феромангану і шлаку роблять висновок про дозування компонентів та витримування їх співвідношення в шихті. Випускання сплаву й шлаку проводять із трьох льоток печі по черзі. Льотки відкривають, застосовуючи електропропалювання, або пропалюють їх киснем.

Ківш для прийому рідкого сплаву (8 м³) футерують шамотною цеглою, а шлак приймають у не футеровані чаші місткістю 16 м³, які розміщені каскадно з ковшем. Тривалість зливання продуктів плавки становить 20—40 хв, періодичність випускання — через 1,5—2 год. Після закінчення зливання сплаву льотки закривають пробкою (конусом), що складається із суміші вогнетривкої глини та коксового дрібняку. Візок з ковшем подають у розливний проліт. Основну кількість відвального шлаку зливають у чашу, а той, що залишився в ковші, згущують, добавляючи пісок, з метою попередження попадання його на виливки.

Потім ківш із фероманганом подають на розливну машину, а шлак вивозять для шлакопереробки або у відвал. Фероманган розливають на стрічкових машинах із чавунними виливницями. Оптимальна температура його розливання становить 1380—1340 °С, товщина виливка у виливниці — 85 мм.

Безфлюсова виплавка високовуглецевого феромангану. Технологія безфлюсової плавки подібна до описаної вище флюсової технології, за винятком складу шихти, де флюс (вапняк) відсутній. Кінцевими продуктами плавки є не лише сплав, а й переробний шлак.

Плавку ведуть безперервно за напруги 120—130 В та силі струму 33—38 кА. Електроди занурюють у шихту на глибину 1200—1400 мм. Внаслідок глибокої посадки над зоною високих температур знаходиться великий шар шихти.

Сплав і шлак випускають приблизно через кожні 1,5 год. У процесі випускання переробний шлак відокремлюють від сплаву. Сплав застигає у великих плоских виливницях. Переробний шлак розливають на розливній машині. Величина кратності шлаку (співвідношення маси шлаку до маси металу) становить 1,0 : 1,2. Після охолодження переробний шлак, в якому майже відсутній фосфор, використовують як сировинний матеріал для виплавки манганових сплавів із низьким вмістом фосфору.

Технологія виплавки силікомангану. Силікоманган — комплексний розкисник, який широко використовують для виплавки сталі в кисневих конвертерах, електричних і мартенівських печах.

Верхня межа припустимого вмісту фосфору в силікомангані — 0,35 %. Оскільки манганові окисні концентрати 1- і 2- сорту, які використовують, мають високий вміст фосфору, то нині основну кількість (близько 70 %) силікомангану виплавляють із вмістом фосфору понад 0,4 %. Для виплавки сплаву із вмістом фосфору до 0,35 % в шихту потрібно вводити низькофосфористу сировину. У шихту для виплавки силікомангану добавляють манганові окисні концентрати (агломерати), кварцит, вуглецевий відновник і флюси, здебільшого доломіт.

Силікоманган — багатокомпонентний сплав, вміст вуглецю в якому залежить від концентрації силіцію: що більше силіцію в сплаві, то нижча розчинність у ньому вуглецю. Оскільки утворення стандартного за вмістом силіцію сплаву відбувається в напрямі поступового збагачення вуглецевих часточок металу відновлюваним силіцієм, то склад часточок сплаву постійно змінюється, що ускладнює опис хімічного процесу отримання силікомангану за допомогою стехіометричної реакції.

Процес утворення силікомангану складається із таких стадій. Спочатку розвиваються процеси відновлення вищих оксидів мангану і за участю СО, а потім МnО за реакцією прямого відновлення до карбіду:

У зоні високих температур відбувається реакція відновлення кремнезему. Наявність металевого розплаву термодинамічно полегшує процес відновлення силіцію за реакцією

і утворення силікомангану

Теоретичну температуру початку перебігу цієї реакції визначають за вмістом силіцію в сплаві.

Послідовність процесів взаємодії металевих розплавів, насичених вуглецем, з карбідом силіцію та силіцієм можна подати схемою, зображеною на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Силікокарбідні фази в системі Мn—Sі—С і зміна розчинності вуглецю залежно від концентрації силіцію

Кислий шлак формується з оксидів, що переходять у нього із домішок манганової сировини, кварцитів і золи відновника, та містить 47—49 % 18—20 % МnО; 12,2—14 % СаО, 7—8 % і 2,9—3,1 % МgО. Такий шлак має низьку електричну провідність і високу в’язкість.

Виплавка силікомангану ведеться безперервним способом. Шихту завантажують у піч самопливом по трубопроводах із бункерів. Робочі кінці електродів, занурені в шихту і знаходяться на відстані 900—1200 мм від подини. Тиск газу під склепінням має бути 2,8—4,9 Па за температури не більше ніж 300 °С. Допустимий вміст водню в газі не вище 8 %, СО — 70—80 %, кисню — не більше ніж 1 %. Кількість колошникового газу для печей типу РПЗ-63 — до 8000 м³/год. У разі потреби отримання підвищеного вмісту силіцію у сплаві шихту коригують, добавляючи 400—600 кг кварциту з коксом, а за потреби отримання пониженого вмісту силіцію, — добавляючи 500—700 кг манганового концентрату з коксом.

Сплав і шлак із печі РПЗ-63 випускають через кожні 2 год у каскадно встановлені ківш для металу та дві шлакові чаші. Льотки відкривають машиною. Ковші для приймання сплаву футерують напівжирним піском за допомогою піскомета. Шлак випускають у сталеві чаші місткістю 11 м³, тривалість випускання — 20—40 хв. Льотки закривають вогнетривкою глиною у суміші з коксовим дрібняком. Ковші з металом і шлаком переміщують у розливний проліт. Перед розливанням сплаву шлак зливають так, щоб запобігти втрат силікомангану. Залишки шлаку в ковші над металом згущають піском для полегшення відокремлення від сплаву під час розливання. Силікоманган зазвичай розливають на розливній машині.

Відвальний шлак має такий хімічний склад, %: — 49—49,8; СаО — 12,2—14; МgО — 2,9—3,1; Мn — 13,4—15,3; Р — 0,002—0,003; S — 0,5—0,6; — 7,2—8. Для поліпшення використання мангану відвальний шлак частково можна додавати як компонент у шихту під час виплавки ливарного чавуну в кількості 22—25 кг/т чавуну. Основну кількість шлаку після охолодження та дрібнення використовують у будівництві у вигляді так званого «шлакового щебеню».

Техніко-економічні показники плавки. Плавка манганових сплавів характеризується певними витратами сировинних матеріалів та електроенергії на 1 т сплавів:

Склад матеріалу

Фероманган

флюсовий безфлюсовий

Силікоманган

Манганова руда (48% Мn), кг 2013 2600 1695

Коксик сухий, кг 457 390 431

Вапняк, кг 627 — —

Кварцит, кг — — 362

Залізна стружка, кг 78 100 —

Електроенергія, кВт × год 3709 2650 4157

Вилучення Мn у сплав, % 78,66 60,0 79,0

Перехід Мn в переробний шлак, % — 30,0 —

Вміст Мn у сплаві, % 78,03 76,0 71,2

Поиск по сайту: