Г л а в а 4. Производство углеродистого ферромарганца

Ферромарганец применяют для раскисления и легирования стали. В ферросплавных печах выплавляют углеродистый фер­ромарганец двух марок: ФМн78 и ФМн70, которые содержат марганца соответственно 75—82 и 65—75 %. В сплавах также содержится 5-7% С, от 1 до 4-6% Si, 0,3-0,6% Р, «0,02% S.

Марганцевые руды содержат много фосфора, поэтому и в ферромарганце содержание этого вредного элемента высокое.

Шихтовые материалы

Для выплавки ферромарганца используют неофлюсованный и офлюсованный марганцевый агломерат и концентраты марган­цевых руд, железорудные окатыши либо железные руды или железную стружку и иногда известняк. В рудах марганец находится в виде Мп0₂, Мп₂0₃, Мп₃0₄ и МпС0₃, основной примесью является Si0₂ (подробнее см. 1-ую часть, § 3, гл. 1). Содержание марганца в рудах составляет 16—57 %. Большая часть добываемых марганцевых руд бедные; их обо­гащают, получая концентрат с содержанием > 25-43 % Мп; концентрат, как правило, подвергают агломерации, агломе­рат содержит > 36—45 % Мп. Коксик применяют размером 3-15 мм. Содержание золы в нем не должно быть более 12 %, влаги - не более 11 %, фосфора — не более 0,02 %.

Выплавка ферромарганца

Углеродистый ферромарганец выплавляют флюсовым или бес­флюсовым методом. Во втором случае процесс ведут без добавки извести и получают, кроме углеродистого ферро­марганца, еще бесфосфористый марганцевый шлак (около 50 %

МпО и менее 0,02 % Р). Такой шлак используют вместо мар­ганцевой руды для выплавки силикомарганца или малофосфо­ристых марганцевых сплавов.

Бесфлюсовым методом перерабатывают богатые руды, а бедные руды с повышенным содержанием кремнезема — флюсо­вым методом. Выплавляют углеродистый ферромарганец в закрытых печах мощностью до 75 MB ■ А с угольной футеров­кой, печи круглые и прямоугольной формы. При бесфлюсовом процессе шихтой служит марганцевый концентрат (агломе­рат), содержащий более 48% Мп, коксик и железорудные окатыши либо железная стружка (соответственно в количест­ве 2100-2600, 450-500 и 100-200 кг/т сплава). При флюсо­вой плавке расход материалов примерно такой же; при этом для получения требуемой основности шлака (1,1—1,4) ис­пользуют либо офлюсованный агломерат, либо неофлюсованный с добавкой известняка (до 0,7—0,9 т/т сплава). Зачастую в печь вводят отходы ферромарганца.

Плавку ведут непрерывным процессом при напряжении 110— 160 В; невысокое напряжение желательно, чтобы уменьшить перегрев ванны и потери марганца в результате его испаре­ния и улета (марганец обладает высокой упругостью пара и при высоких температурах значительная часть его испаряет­ся; в нормальных условиях производства потери в резуль­тате испарения достигают 8—10%). Электроды погружают в шихту на глубину 1200-1500 мм. Вследствие глубокой посад­ки над зоной высоких температур находится большой слой шихты. Пройдя такое расстояние, шихтовые материалы попа­дают в зону прямого восстановления хорошо нагретыми. Большая высота необходима также, чтобы пары марганца успевали конденсироваться в верхних слоях шихты. Расстоя­ние от конца электродов до пода поддерживают в пределах 800—1300 мм; удаление электродов от пода предотвращает перегрев металла и испарение марганца.

Строение ванны по высоте следующее: слой твердой ших­ты, зона плавления (вблизи нижней части электродов), слой жидкого шлака (у концов электродов и ниже них), слой жид­кого сплава (без полостей под электродами).

Высшие оксиды марганца (Мп0₂, Мп₂0₃ и Мп₃0₄) непрочны и легко восстанавливаются оксидом углерода отходящих га­зов при низких температурах вверху слоя шихты. Оксид МпО восстанавливается в высокотемпературных приэлектродных

 

зонах по следующим реакциям, протекающим со значительной затратой тепла:

МпО + С = Мп + СО - 288290 Дж

ЗМпО + 4С = Мп₃С + ЗСО - 780800 Дж.

Теоретическая температура начала этих реакции равна соответственно 1420 и 1227 °С, в связи с чем преимущест­венное развитие получает восстановление по второй реак­ции, и сплав поэтому содержит много углерода. Протекает также восстановление углеродом железа из окатышей. Насы­щенные углеродом частицы марганца плавятся при температу­ре 1300—1350 °С и, растворяя железо, опускаются на подину печи. Из Si0₂ руды восстанавливается немного кремния, восстанавливается также около 90 % содержащегося в рудных материалах фосфора. Кремний и значительная часть марганца восстанавливаются из шлака.

Из невосстановившихся оксидов формируется шлак, кото­рый расплавляется при 1300-1400 °С. При флюсовой плавке вводимый в шихту флюс (СаО) облегчает восстановление мар­ганца, поскольку связывает имеющийся в больших количест­вах в шлаке оксид Si0₂ в силикат кальция, высвобождая МпО из соединений с Si0₂.

Сплав и шлак выпускают через летку одновременно (три— шесть раз в сутки) в футерованный ковш или в стальной ошлакованный изнутри ковш, обеспечивая при этом отделение шлака (один из способов отделения состоит в том, что сплав, как более тяжелый, остается в ковше, а шлак пере­ливается через сливной носок ковша в чугунные изложницы). Сплав разливают в изложницы или на разливочной машине в чушки.

При бесфлюсовом процессе степень извлечения марганца в сплав равна ~ 60 %. Получаемый шлак (1,0—1,2 т/т сплава) содержит 45-53% МпО, -29% Si0₂, -6% СаО и <0,02% Р; шлак, как отмечалось, используют для выплавки силикомар-ганца. Расход электроэнергии равен 3100- 3800 кВт • ч/т.

При флюсовом процессе количество шлака равно 1,4-1,8 т/т сплава; он содержит 8-20% Mn, ~33% Si0₂, ~ 38 % СаО; шлак отправляют в отвал. Степень извлечения марганца равна ~75%. Расход электроэнергии составляет 4100-4400 кВт • ч/т.

Глава 5. ПРОИЗВОДСТВО СИЛИКОМАРГАНЦА

Выплавляют товарный силикомарганец для раскисления и ле­гирования стали (сплавы МнС12, МнС17, МнС22) и передель­ный, используемый при выплавке низко- и среднеуглеродис-того ферромарганца и металлического марганца (сплавы МнС22, МнС25). Сплавы содержат 65-79% Мп, до 0,1-0,55% Р, до 0,03 % S; содержание кремния возрастает от 12—15 % в сплаве МнС12 до 26-30% в сплаве МнС25, соответственно содержание углерода снижается с 2,5—3,5 до «0,2 %.

Товарный силикомарганец выплавляют непрерывным процес­сом в закрытых печах мощностью до 80 MB • А с угольной футеровкой при рабочем напряжении 120—200 в. Шихтой слу­жат марганцевые материалы (руда, концентрат, шлаки произ­водства углеродистого и среднеуглеродистого ферромарган­ца), коксик, кварцит. Шихту загружают в печь равномерно, поддерживая у электродов возвышающиеся на 300 мм конусы, глубина посадки электродов равна 1,6—2,3 м.

В высокотемпературных зонах у электродов происходит восстановление углеродом марганца и кремния из МпО и Si0₂; часть марганца и кремния восстанавливается из обра­зующегося в зонах восстановления шлака (из силикатов мар­ганца МпО • Si0₂). Для улучшения восстановления кремния требуются кислые шлаки (с высоким содержанием Si0₂) и вы­сокие температуры (более высокие, чем при плавке углеро­дистого ферромарганца; температура силикомарганца и фер­ромарганца на выпуске составляет соответственно 1500 и 1350 °С). Восстанавливается и переходит в сплав 65—75% марганца и ~ 40 % кремния шихты. Шлак в количестве 0,65— 0,8 т/т сплава содержит, %: МпО 14-25, Si0₂ 43-55, СаО 10-15, А1₂О_а 8-15, MgO 3-4.

Сплав и затем шлак выпускают через ~ 2 ч; сплав — в футерованный шамотом ковш, шлак — в стальную чашу. Сплав разливают в чушки на разливочной машине или в чугунные изложницы. Шлак гранулируют.

На 1т сплава МнС17 расходуется 1,8-2,5 т марганцевой руды и марганцевого шлака, 350—500 кг кварцита, 450—600 кг коксика, 4000-4250 кВт • ч электроэнергии.

Передельные сплавы МнС25 и МнС22 должны содержать ми­нимальное количество железа, углерода и фосфора, поэтому в шихте используют марганцевый бесфосфористый шлак

 

(> 50 % MnO, < 0,02 % P, < 0,6 % FeO), а также кварцит и коксик. Плавку ведут в закрытых печах с угольной футеров­кой мощностью до 16,5 МВА. Шлак с основностью ~ 0,5 со­держит 3—5 % Мп, количество шлака 0,8—1,0 т/т сплава. В сплав переходит ~ 90 % Мп и ~ 65 % Si.

На 1т сплава МнС25 расходуется ~ 1700 кг марганцевого шлака, ~500кг кварцита, 650—750кг коксика, ~6000кВт-ч электроэнергии.