Способ получения ферросплава, содержащего марганец и кремний

 

Использование: металлургия, производство ферросплавов, содержащих марганец и кремний. Сущность изобретения: в качестве углеродистого восстановителя используют металлическую крошку от разделки углеродистого ферромарганца, которую задают в соотношении с марганецсодержащими материалами (0,5-1,0): 1, а шлак после заливки в другую печь сначала обрабатавают алюминием, взятым в количестве 0,05-0,1 от массы залитого шлака. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к производству ферросплавов, в частности к получению ферросплава, содержащего марганец и кремний.

В настоящее время ферросплав, содержащий марганец и кремний (силикомарганец), получают в рудовосстановительных электродуговых печах проплавлением шихты, состоящей из марганцевого концентрата или марганцевого агломерата, шлака ферромарганца, кварцита, коксика, железной стружки и доломита. Процесс плавки непрерывный с закрытым колошником. Периодически из печи выпускают металл и отвальный шлак [1] Недостатком известного способа является полное усвоение железа из загруженных материалов в силикомарганец, что делает невозможным использование для получения кондиционного силикомарганца марганцевых концентратов с высоким содержанием железа (например, концентрата Джездинского месторождения, содержащего 20-25% марганца и 15-20% железа), а также использование для его получения большого количества нереализуемых отходов, образующихся при производстве марганецсодержащих ферросплавов, содержащих большое количество железа.

Известны способы получения ферросплава, содержащего марганец и кремний. Силикомарганец получают в рудовосстановительных печах карботермическим процессом из шихты, состоящей из марганцевых руд, кварцита и коксика с последующей обработкой расплава в ковше после выпуска кислородом или материалом, содержащим кислород, для уменьшения содержания алюминия и кальция.

Силикомарганец получают путем проплавления в рудовосстановительной печи шихты, состоящей из марганецсодержащего материала, кварцита и коксика, с периодической, через 3-20 мин, загрузкой смеси карбида кремния и железа в соотношении (1:0,1) (1:0,9).

Силикомарганец получают в рудовосстановительных печах карботермическим процессом из шихты, состоящей из марганецсодержащих материалов, кварцита и кокса при 1650-1750^оС, основности конечного шлака 0,5-0,7, при соотношении в шихте MnO/SiO₂ и C к кислороду окислов марганца и кремния равном 0,8-1,1, с последующей выдержкой в ковше в течение 1,5-2 ч [1] Недостатком известных способов является также невозможность использования для получения кондиционного силикомарганца марганцевых концентратов с очень высоким содержанием железа, а также использования для его получения большого количества высокожелезистых отходов марганецсодержащих ферросплавов.

В качестве прототипа принят наиболее близкий по сущности к изобретению способ получения сплава (металлического марганца) из марганцевого концентрата и марганецсодержащих отходов, заключающийся в проплавлении в электродуговой печи марганецсодержащих материалов в присутствии углеродистого восстановителя, отделении получающегося шлака, заливке его в другую печь и проплавлении совместно с кремнийсодержащим сплавом и известью с последующим выпуском из печи и разделением металла и шлака [2] Недостатком способа-прототипа является также невозможность использования для получения кондиционного силикомарганца марганцевых концентратов с высоким содержанием железа, а также использования для его получения большого количества высокожелезистых отходов марганецсодержащих ферросплавов.

Предлагаемое изобретение направлено на получение кондиционного сплава, содержащего марганец и кремний (силикомарганца) при использовании для его производства высокожелезистых марганцевых концентратов и повышенного количества высокожелезистых отходов марганецсодержащих ферросплавов при высокой степени извлечения марганца.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В электродуговой печи проплавляют высокожелезистый марганцевый концентрат (например, концентрат Джездинского месторождения, содержащий 10-30% железа, 10-20% кремнезема) совместно с металлической крошкой (отсевами фракции менее 10 мм), получающейся при разделке слитков углеродистого ферромарганца. В процессе проплавления марганец ферромарганца взаимодействует с закисью железа марганцевого концентрата и восстанавливает железо, которое собирается совместно с железом ферромарганца на подине печи. Образующаяся в процессе восстановления железа закись марганца MnO взаимодействует с кремнеземом марганцевого концентрата, образуя соединение MnO ^. SiO₂, которое остается в шлаковой фазе. Оксид марганца концентрата, разложившийся при температуре процесса до закиси-окиси Mn₃O₄, частично взаимодействует с дисперсной графитовой спелью (выделившимся графитом при охлаждении углеродистого ферромарганца) с образованием закиси марганца, которая также усваивается шлаковым расплавом (образовавшимся моносиликатом марганца) с образованием соединения Mn₂SiO₄.

Образующийся шлаковый расплав, содержащий это соединение и непровзаимодействовавшие MnO и Mn₃O₄, отделяют от железного металлического расплава и обрабатывают в другом плавильном агрегате (также в электродуговой печи), алюминием, который, взаимодействуя с силикатами или оксидами марганца, разрушает их, образуя силицид марганца и металлический марганец, например, по реакции 4Mn₂SiO₄+8Al=2Mn₃Si+3Al₂O₃^.2SiO₂+ +Al₂O₃+2Mn (1) Образующийся Al₂O₃ взаимодействует с кремнеземом, содержащимся в шлаке, что способствует разрушению силикатов марганца и увеличению степени восстановления марганца. Далее расплав обрабатывают ферросилицием в присутствии извести, что, наряду с увеличением степени восстановления марганца из его оксидов, способствует образованию более прочного моносилицида марганца Mn₃Si+2Si=3MnSi (2) а также обеспечивает образование силикатов и алюминатов кальция, препятствуя образованию солей марганца и смещая реакции в сторону его восстановления.

В равновесии с образовавшимся моносилицидом марганца находится шлак с пониженным содержанием закиси марганца, что обеспечивает высокую степень его извлечения при пониженном сквозном расходе восстановителей алюминия и кремния.

При выплавке ферросплава, содержащего марганец и кремний, по двухстадийной схеме без подачи на первую стадию металлической крошки от разделки углеродистого феррохрома (вводя на плавку восстановитель кокс) имеет место восстановление марганца и железа, что приводит к образованию сплава с содержанием марганца в пределах 8-15% не приемлемого для использования у потребителя и, в конечном итоге, к значительному снижению извлечения марганца в ферросплав от заданного с шихтой. Поэтому на первой стадии плавки используют металлические отходы от дробления углеродистого ферромарганца. При использовании на первой стадии металлической крошки от разделки углеродистого ферромарганца, задаваемого на плавку в пределах 0,5-1,0 от массы задаваемого на плавку марганцевого концентрата, получающийся металл после окончания первой стадии плавки содержит свыше 35% марганца и может быть использован для реализации потребителям.

Если на первой стадии плавки количество задаваемой крошки от разделки углеродистого ферромарганца меньше 0,5 от массы задаваемого на плавку марганцевого концентрата, то железо из оксидов, содержащихся в шлаке, восстанавливается марганцем в незначительной степени и не выводится с металлом из процесса, что вызывает снижение содержания марганца в конечном ферросплаве за счет полноты восстановления железа на второй стадии плавки и приводит к получению силикомарганца, не отвечающего требованиям технических условий. Введение на первую стадию углеродистого ферромарганца в количестве более 1,0 от массы задаваемого марганцевого концентрата излишне и не приводит практически к увеличению извлечения марганца в конечный ферросплав, но вызывает дополнительный расход электроэнергии на плавку.

Если количество алюминия, задаваемого на вторую стадию выплавки ферросплава, меньше 0,05 от массы залитого во вторую печь шлака, то его недостаточно для полноты разрушения силикатов марганца, образовавшихся на 1 стадии процесса, что приводит к снижению извлечения марганца в конечный ферросплав. Увеличение количества задаваемого на вторую стадию процесса алюминия выше 0,1 от массы залитого в печь шлака излишне, не способствует увеличению извлечения марганца в конечный ферросплав и приводит лишь к удорожанию процесса.

При введении на второй стадии выплавки ферросплава совместно с алюминием извести часть алюминия расходуется на восстановление кальция, что приводит к неполному разрушению образовавшихся на первой стадии силикатов марганца и, в конечном итоге, к снижению извлечения марганца в ферросплав, так как восстановление марганца из его силикатов кремнием затруднено. Для полноты прохождения этого процесса необходимо получать шлаки, отвечающие по составу двухкальциевым силикатам и алюминатам.

Процесс получения силикомарганца, заключающийся в восстановлении железа из железистого марганцевого концентрата марганцем с отделением оксидной фазы от восстановленного железа и последующей обработкой ее алюминием, а затем кремнием ферросилиция в присутствии извести характеризуется технологичностью получения целевого марганцевого сплава в рафинировочных печах, что позволяет мобильно переходить на выплавку других ферросплавов, достигать высокую степень извлечения марганца в целевой продукт (силикомарганец), получая сплав для реализации потребителям. Это значительно расширяет сырьевую базу и позволяет использовать для выплавки ферросплава материалы, которые ранее для получения таких сплавов не применяли.

Пример промышленного осуществления.

Испытание способа получения ферросплава, содержащего марганец и кремний, проводили в рафинировочных печах с трансформаторами мощностью 5 МВА при напряжении с низкой стороны 265 В и токе 8975 А.

В качестве шихтовых материалов использовали: марганцевый концентрат Джездинского месторождения со средним содержанием (% ) 29,5 MnO; 20,3 FeO; 5,1 MgO; 4,8 Al₂O₃; 27,6 SiO₂; 1,9 CaO, 1,6 п.п.п; металлическую крошку фракции 10 мм от разделки слитков высокоуглеродистого ферромарганца марки ФМп70 по ГОСТ 4755-91 со средним содержанием 70,6% Mn; 6,9% C, остальное железо и примеси;
отходы алюминия кусковые со средним содержанием 95,2% Al, 3,1% Si, остальное примеси;
ферросилиций марки ФС75 по ГОСТ 1415-78 со средним содержанием 76,1% Si; 1,3 Al, остальное железо и примеси;
известь с вращающихся печей по ВТТ 13-1-91 со средним содержанием CaO 92,6%
коксик-орешек фракции 20 мм марки КО-2 по ГОСТ 8935-77 с содержанием влаги 14% и углерода в сухом 85%
Выплавку силикомарганца проводили двухстадийным процессом с загрузкой и проплавлением марганцевого концентрата и металлической крошки углеродистого ферромарганца (в плавках по прототипу коксика-орешка) в первой печи на 1-й стадии с выпуском жидкого шлака и заливкой его во вторую печь на 2-ю стадию с отделением металлической фазы при заливке во вторую печь и последующим проплавлением шлака вначале с отходами алюминия, а затем вводом в расплав и проплавлением извести и ферросилиция (в плавках по прототипу отходы алюминия в печь не задавали, а сразу же вводили в расплав известь и ферросилиций). После окончания плавления заданной шихты расплав из печи выливали в ковш и каскадно установленную шлаковню. Затем шлак из ковша сливали, а металл разливали в изложницы для охлаждения.

Плавки по предлагаемому способу вели по трем вариантам (по 3 плавки в каждом варианте), вводя на первые стадии плавок марганцевый концентрат и металлическую крошку углеродистого ферромарганца в соотношениях 1:0,5, 1: 0,75 и 1:1, а на вторые стадии плавок заливая во вторую печь шлак и вводя в него отходы алюминия в соотношениях 1:0,05, 1:0,075 и 1:0,1 с последующим вводом в расплав ферросилиция и извести, количество которых задавалось из условия получения силикомарганца с содержанием кремния в пределах 16-20% и получения в шлаках двухкальциевых силикатов и алюминатов и проверялось опытным путем.

В плавках по прототипу (вариант 4) на первой стадии вводили коксик-орешек из расчета 80 кг на 1 т марганцевого концентрата, а ферросилиций и известь соответственно в количествах 100 кг и 175 кг на 1 т залитого в печь шлака.

Во всех вариантах количество залитого шлака во вторую печь на 2-ю стадию плавки определяли путем взвешивания ковша до заливки в печь и после окончания заливки. Оставшийся в ковшах металл после заливки шлака сливали для охлаждения в изложницу. Затем, после охлаждения, отделяли от него остатки шлака (которые после взвешивания также задавали в печь на 2-ю стадию), взвешивали и отбирали пробу на анализ, в которой определяли содержание марганца. Аналогично отбирали пробу от конечного ферросплава и от шлаков 1-й и 2-й стадий, в которых также определяли содержание марганца или MnO. Производили взвешивание конечного ферросплава и шлака.

По полученным данным рассчитывали извлечение марганца в продукты и его потери.

Характеристики плавок по вариантам и показатели процесса по стадиям и в целом по выплавке средние по вариантам представлены в табл. 1 и 2.

Из представленных результатов следует, что по предлагаемой технологии увеличено сквозное извлечение марганца на 64-73 отн. на первой стадии получен металл с содержанием марганца в 1,5 раза выше, чем по способу прототипу. При этом металл первой стадии по предлагаемому способу с содержанием марганца более 50% реализуется потребителям, а по способу прототипу металл не имеет сбыта из-за пониженного содержания марганца.

Следует отметить, что Джездинский марганцевый концентрат имеет низкое содержание фосфора, поэтому в металле первой стадии содержание фосфора составило 0,35% а во второй стадии при выплавке силикомарганца содержание фосфора в нем составило 0,11-0,14%
Предложенный способ реализован в цехе N 1 Челябинского электрометаллургического комбината без переделки рафинировочных плавильных печей.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОСПЛАВА, СОДЕРЖАЩЕГО МАРГАНЕЦ И КРЕМНИЙ, двустадийным процессом, включающий на первой стадии загрузку и проплавление в электродуговой печи марганецсодержащих материалов с высоким содержанием оксидов железа и углеродистого восстановителя, отделение полученного шлака, заливку его на второй стадии в другую печь и проплавление совместно с кремнийсодержащим сплавом и известью, выпуск из печи и отделение шлака от ферросплава, отличающийся тем, что в качестве углеродистого восстановителя используют металлическую крошку от разделки углеродистого ферромарганца, которую задают в соотношении с марганецсодержащими материалами 0,5 1,0 1, а шлак после заливки в другую печь сначала обрабатывают алюминием, взятым в количестве 0,05 0,1 от массы залитого шлака.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2