Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Производство углеродистого ферромарганца

Углеродистый ферромарганец выплавляют в дуговых печах мощностью 7,5-16,5 МВА, линейное напряжение 120-160 В; существуют печи и большей мощности - до 63 МВА. Футеровка печей угольная. Применяются два метода плавки - флюсовый и бесфлюсовый. При бесфлюсовом способе плавки в состав шихты входят марганцевая руда (cм. статью "Общая характеристика марганцевых руд"), кокс (см. статью "Что такое кокс?") и железная стружка или железная руда (см. статью "Что такое железная руда?"). Плавку ведут непрерывным процессом. По мере схода шихты на колошник печи подают новые порции шихты.

Высшие окислы марганца восстанавливаются по реакциям:

Эти реакции протекают легко при невысоких температурах - менее 900 °С. Восстановление закиси марганца может происходить по следующим реакциям:

Изобарный потенциал реакции (2, нижняя) достигает нулевого значения на 130° ниже, чем реакции (1, верхняя), поэтому восстановление марганца происходит по реакции (2) с образованием карбида марганца. Эта реакция начинается при температуре 1270 °С и протекает при более высоких температурах. Однако при этих температурах происходит также взаимодействие закиси марганца с кремнеземом с образованием жидких силикатов марганца Мn0*Si02 (бисиликат марганца) и 2МnО*SiO2(моносиликат марганца). Активность закиси марганца в силикатах значительно ниже, чем активность чистой закиси марганца (рис. 1); особенно низка активность закиси марганца в бисиликате. Для восстановления закиси марганца из бисиликата требуется проведение плавки при высоких температурах - порядка 1450-1500 °С. Однако бесфлюсовая плавка ферромарганца проводится при более низких температурах в горне печи, поэтому бисиликат марганца практически не восстанавливается.

Активность закиси марганца и кремнезема в зависимости от их концентрации

Рисунок 1 - Активность закиси марганца и кремнезема в зависимости от их концентрации в системе МnО-SiO2.

Если содержание основных окислов шлака больше, чем это соответствует бисиликату, то активность закиси марганца высокая и она легко восстанавливается. Поэтому состав шлака, образующегося при выплавке ферромарганца, очень близок к бисиликату (СаО, МgО, МnО)*SiO2. При выплавке ферромарганца бесфлюсовым способом шлак содержит очень мало окиси кальция и окиси магния; весь кремнезем в шлаке связан в силикаты с закисью марганца, содержание которой велико (около 50%). Извлечение марганца из руды в сплав при применении в плавку богатых марганцевых руд составляет около 60%; вместе с газами теряется около 10% марганца. Остальная часть марганца из шихты переходит в шлак. Этот шлак используется при выплавке силикомарганца.

Железо и фосфор являются более легко восстановимыми элементами, чем марганец, поэтому они почти полностью восстанавливаются. Переход железа из шихты в сплав составляет около 90%, переход фосфора из шихты в сталь 60-70%, около 10% фосфора переходит в шлак, остальное количество фосфора уходит с газами. Кремний при бесфлюсовой плавке очень мало восстанавливается, так как активность кремнезема в шлаке мала и плавка ведется при невысокой температуре. Следовательно, получение ферромарганца с низким содержанием кремния не представляет трудностей. Сера, содержащаяся в шихте, почти полностью переходит в газы или в шлак; сернистый марганец, образующийся при взаимодействии серы с марганцем, не растворяется в сплаве.

Ферромарганец выпускают из печи каждые 1,5-2 ч; разливка ведется на разливочных машинах.

Бесфлюсовым методом углеродистый ферромарганец можно получить при работе на богатых рудах с невысоким содержанием фосфора. При использовании бедных марганцевых руд получается большое количество шлака, уменьшается извлечение марганца, в связи с чем увеличивается содержание фосфора в ферромарганце. При производстве ферромарганца из бедных руд необходимо применять такой метод плавки, который позволяет уменьшить содержание марганца в шлаке и увеличить переход марганца в металл. Таким методом является флюсовый метод плавки. В состав шихты, кроме марганцевой руды и восстановителя, вводится также известь или известняк. Окись кальция вытесняет закись марганца из силиката:

Закись марганца, не связанная в силикат, легко восстанавливается. Чем больше окиси кальция содержится в шлаке, тем меньше содержится в нем закиси марганца. В шихту обычно дается такое количество известняка или извести, чтобы отношение содержаний окиси кальция к кремнезему в шлаке (основность шлака) находилось в пределах 1,2-1,3; шлаки с более высокой основностью густы и трудно выходят из печи. При флюсовой плавке ферромарганца марганец шихты обычно распределяется следующим образом: в металл 80%; в шлак 12%; в газы 8%.

При обоих способах плавки в металл переходит одинаковое количество фосфора (60-70% от содержащегося в шихте). Так как при флюсовом способе плавки извлечение марганца значительно больше, то металл содержит меньше фосфора, чем при бесфлюсовом способе плавки.

Данные об удельных расходах материалов и электроэнергии приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Расход материалов и электроэнергии на 1 т углеродистого ферромарганца

Расход материалов и электроэнергии на 1 т углеродистого ферромарганца

Расход электроэнергии может быть понижен, а производительность печей повышена путем предварительного нагрева и частичного восстановления марганцевой руды. Нагрев шихты перед поступлением в печь до 1000°С снижает удельный расход электроэнергии в 1,5 раза (с 3000 до 2000 кВтч/т). Соответственно увеличивается производительность печи.