Способ переработки минерального сырья, содержащего марганец, с извлечением металлов

 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно, к производству легирующих сплавов. Способ включает загрузку в электропечь шихты, состоящей из марганецсодержащего материала и основного флюса, ее проплавление и получение оксидных расплавов. В качестве марганецсодержащего материала используют концентрат марганцевой руды. Шихту проплавляют в трехэлектродной дуговой электропечи, при этом в процессе проплавления между электродами загружают подготовленную смесь концентрата марганцевой руды с основным флюсом. Способ направлен на снижение энергоемкости и материалоемкости производства, повышение извлечения марганца, получение марганецсодержащих сплавов с низким содержанием углерода, фосфора, кремния, расширение сырьевой базы для производства марганцевых сплавов, а именно: некондиционного сырья и оксидных отходов производства, отходов от слива шлака и разливки металла, пылевых возгонов из газоочисток дуговых печей. 3 з.п. ф-лы.

Известен способ получения металлов и сплавов из оксидного расплава, по которому оксидный расплав получают в шахтной плазменной печи с обработкой исходных материалов в кислородосодержащей плазме в атмосфере кислородосодержащего газа или воздуха (Авт. св. N 546182, C 22 C 5/04, C 22 C 1/00, 9.01.1974 г.).

Преимуществами способа являются низкие энергозатраты на плавление и обеспечение высокой скорости восстановления металлов из оксидного расплава (вследствие снижения температуры плавления сырья в атмосфере кислородосодержащего газа и повышения активности компонентов при последующем восстановлении металлов).

Недостатком способа является низкая стойкость струйных плазмотронов и отсутствие печей достаточной мощности для промышленного назначения.

Известен способ производства малофосфористого марганцевого шлака для последующего его использования при получении среднеуглеродистого ферромарганца и металлического марганца. Шлак производят в дуговых ферросплавных печах мощностью 5 МВА периодическим углетермическим процессом (или в печах 16,5 МВА - непрерывным углетермическим процессом с присадкой в шихту углеродистого восстановителя - коксика).

Плавление шихты происходит одновременно с восстановлением фосфора, железа и частично марганца - около 10% от содержимого в шихте - с образованием попутного металла. Электропроводность шихты увеличивается за счет углеродистого восстановителя - коксика и образующегося попутного металла.

Недостатком способа является нестабильность состава и свойств образующегося оксидного расплава при одновременно протекающих процессах плавления минерального сырья и восстановления из него металла.

В восстановительных условиях образования передельного шлака температура плавления оксидов марганца увеличивается до 1850^oC. Для снижения температуры плавления шлака добавляют в шихту кремнеземосодержащие материалы.

Добавка (кварцит) кремнезема в шлак (26-29% max.) позволяет снизить температуру шлака до 1300^oC, но при этом снижается электропроводность шихты и увеличивается расход электроэнергии. При использовании передельного шлака для производства марганецсодержащих сплавов в электропечи дополнительно используют известь. На 1 т передельного шлака расходуют до 600 кг избыточной извести. Таким образом, увеличивается энергоемкость, материалоемкость процесса и кратность шлака.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ получения ферромарганца с 0,4 - 2% углерода двухстадийным способом.

В электропечи выплавляют силикомарганец, содержащий 52-70% марганца, 15-37% кремния и 0,1- 3,3% углерода, выпускают его в ковш с основной футеровкой, в которую предварительно наливают шлак с 31-50% MnO, 22-35% SiO₂, 20-25% CaO, затем содержимое перемешивают переливом из ковша в ковш 4 раза. Многократный перелив может быть заменен вращением, качением ковша или продувкой газом. После перемешивания сливают шлак с повышенным содержанием SiO₂ и MnO (например, 12,0%).

Полученный промежуточный металл с повышенным содержанием кремния (например, 9,4%) продувают кислородом через водоохлаждаемую фурму, одновременно присаживают богатую марганцевую руду и известь. Получают сплав, содержащий 80-90% марганца, до 1,5% кремния, 0,4-2% углерода и передельный шлак, используемый в первой стадии, который заливают в ковш перед выпуском в него силикомарганца (патент США, кл. 75-80, N 3240591, заявл. 24.03.64, опубл. 15.03.66).

Недостатком способа является высокая трудоемкость процесса, сложность синхронизации работы электропечи и операций в ковшах с получением промежуточных продуктов - шлака с высоким содержанием кремнезема и металла с высоким содержанием кремния, значительные потери тепла промежуточных продуктов.

Другим недостатком является невозможность осуществить восстановление марганца из шлака кремнием силикомарганца с получением ферромарганца с низким содержанием кремния и углерода и отвального шлака с низким содержанием оксида, марганца в одну стадию в одной емкости, так как силикомарганец, полученный углетермическим способом, содержит более 1% углерода и марганца более 60%, сквозное извлечение марганца из руды низкое. В отвальном шлаке содержится примерно 12% оксидов марганца, при содержании кремния в металле 9%.

Задачей настоящего изобретения является снижение энергоемкости и материалоемкости производства, повышение извлечения марганца, получение марганецсодержащих сплавов с низким содержанием углерода, фосфора, кремния. Технический результат - расширение сырьевой базы для производства марганцевых сплавов, на использование некондиционного сырья и оксидных отходов производства, а также отходов от слива шлака и разливки металла, пылевых возгонов из газоочисток дуговых печей.

Указанный технический результат достигается благодаря способу переработки минерального сырья, содержащего марганец, а именно, загрузка в электропечь шихты, состоящей из марганецсодержащего материала и основного флюса, ее проплавление и получение оксидных расплавов для производства легирующих сплавов, в качестве марганецсодержащего материала используют концентрат марганцевой руды, а шихту загружают в дуговую печь в виде смеси концентрата марганцевой руды с основным флюсом между тремя электродами в процессе плавления.

Плавление минерального сырья, содержащего марганец, осуществляют при вторичном напряжении 100-200 В с понижением напряжения до получения оксидного расплава.

Концентрат марганцевой руды смешивают с основным флюсом в соотношении 1: (0,5-0,9).

В качестве исходного сырья используют концентрат марганцевой руды без металлургического обогащения.

Поэтому марганец в нем находится не в виде MnSiO₃ (Mn⁺²), как в передельном шлаке, а в виде минералов и твердых растворов на основе Mn₂O₃ и MnO₂(Mn⁺³Mn⁺⁴).

Температура плавления Mn₂O₃ и MnO₂ ниже 1500^oC и не увеличивается в процессе плавления, как при получении передельного шлака с добавкой восстановителя и кремнезема. Добавка флюса, например извести, снижает температуру плавления марганцевого концентрата и увеличивает концентрацию не связанных свободных анионов кислорода O^-2 и соответственно активность при восстановлении металлов.

Содержание свободных анионов кислорода в марганцевом передельном шлаке: n_O^2- 0,23; O^-2% 3,2, в расплаве марганцевого концентрата и извести: n_O^2- 1,5 - 1,7; O^-2% 25 - 27%.

Добавка извести способствует повышению электропроводности материалов в процессе плавления, так как препятствует образованию крупных кремнекислородных анионов типа Si_xO_y^-z, снижающих электропроводность и повышающих вязкость оксидного расплава. В результате плавления извести совместно с оксидным сырьем в оксидном расплаве образуются анионы O^2- Ca²⁺, обеспечивающие низкую вязкость и достаточную электропроводность для плавления и нагрева до заданной температуры в дуговой сталеплавильной печи.

Для сокращения потерь электроэнергии излучением от электрических дуг, повышения стойкости футеровки печи плавление шихты следует вести на низких ступенях вторичного напряжения при минимальной высоте дуг. При контакте электродов с поверхностью оксидного расплава его насыщения углеродом от электродов не происходит.

Стабильность теплового и электрического режима плавления, а также состава оксидного расплава обеспечивается постоянным соотношением компонентов шихтовой смеси.

Примеры осуществления процесса даны ниже.

Пример 1 Подготовка минерального сырья в виде концентрата марганцевой руды и глубоко обожженной извести до подачи в дуговую сталеплавильную печь, например (ДСП-25).

В подготовку входит помол (дробление), обжиг, сушка и механическое смешивание до гомогенного состава смеси. Смешивание производят на специальном оборудовании, включающем бункера хранения, транспортеры, весовые дозаторы, барабаны смешения и т.д.

На 1 тонну марганцевого концентрата определенного месторождения дают 0,5 тонн извести, т.е. выдерживают соотношение 1:0,5.

При этом обеспечивают химический состав рудно-известкового расплава, который определяет минимальную температуру плавления и высокую скорость восстановительных реакций и должен быть в пределах, %: Mn₂O₃ 30 - 36; CaO 35 - 42; Fe₂O₃ 4 - 5; MgO более 1,0; Al₂O₃ 1 - 4; SiO₂ 1 - 5.

Смесь подают в дуговую сталеплавильную печь, футерованную магнезитовыми огнеупорами в место, находящееся между тремя графитовыми электродами, в процессе плавления.

Плавление смеси производят при напряжении на низкой стороне трансформатора 100 В. Поддержание температуры рудно-известкового расплава осуществляют на уровне 1450 - 1550^oC.

Расход электроэнергии на одну завалку печи ДСП-25 составляет 8500 - 10000 КВт/ч.

Устанавливают ковш на специальный стенд и накрывают крышкой с зонтом для отсоса газов, образующихся в процессе присадки в жидкий оксидный расплав твердых кремнийсодержащих восстановителей на основе железо-кремний, например, ферросилиций 75%.

Готовый продукт, сплав марганца с железом, разливают в специальные формы, например в чугунные кокили определенного размера.

Пример 2 Подготовку минерального сырья проводят аналогично приведенной в примере 1.

Для получения оптимального химического состава рудно-известкового расплава из минерального сырья (марганцевого концентрата, например, другого месторождения) в печь присаживают на 1 тонну концентрата 0,8 тонн обожженной извести. Подготовленную из них смесь подают в место между тремя графитовыми электродами в дуговую печь.

Режим плавления смеси производят при напряжении на низкой стороне трансформатора 175 В. Поддержание температуры рудно-известкового расплава осуществляют на уровне 1450 - 1550^oC.

Расход электроэнергии на одну завалку составит 8500 - 10000 кВт/ч для печи, например, ДСП-25.

Дальнейшее осуществление способа переработки минерального сырья с получением легирующих сплавов, в частности сплава марганца с железом, аналогично приведенному в примере 1.

Пример 3 Подготовку минерального сырья производят аналогично приведенной в примере 1.

Для получения оптимального химического состава рудно-известкового расплава из минерального сырья (марганцевого концентрата, например, третьего месторождения, имеющего отличный от двух предыдущих примеров химический состав) в печь присаживают на 1 тонну концентрата 0,9 тонн обожженной извести и 0,2 тонны отходов производства в виде пыли из газоочистки печи.

Подготовленную из них смесь подают в место между тремя графитовыми электродами в дуговую печь.

Режим плавления смеси производят при напряжении на низкой стороне трансформатора 200 В. Поддержание температуры рудно-известкового расплава осуществляют на уровне 1450 - 1550^oC.

Дальнейшее осуществление способа переработки минерального сырья с получением легирующих сплавов, в частности сплава марганца с железом, аналогично приведенному в примере. В ковш в процессе восстановления металла добавляют отходы от разливки металла предыдущих плавок.

В предлагаемых примерах выполнения способа приведены пределы соотношения минерального сырья разных месторождений и извести разной степени подготовленности, т.е. степени обжига и крупности кусков. От названных характеристик этих материалов зависит степень сопротивления нагреву и плавления смеси и, следовательно, расход электроэнергии на 1 тонну рудно-известкового расплава.

Использование предлагаемых пределов вторичного напряжения низкой стороны печного трансформатора при выборе режима плавления смеси также зависит и определяется химическим составом минерального сырья, содержанием пустой породы в руде, а также степенью подготовки извести.

Использование предлагаемых пределов вторичного напряжения низкой стороны печного трансформатора при выборе режима плавления смеси также зависит и определяется химическим составом минерального сырья, содержанием пустой породы в руде, а также степенью подготовки извести.

Формула изобретения

1. Способ переработки минерального сырья, содержащего марганец, включающий загрузку в электропечь шихты, состоящей из марганецсодержащего материала и основного флюса, ее проплавление и получение оксидных расплавов для производства легирующих сплавов, отличающийся тем, что в качестве марганецсодержащего материала используют концентрат марганцевой руды, а шихту проплавляют в трехэлектродной дуговой электропечи, при этом в процессе проплавления между электродами загружают подготовленную смесь концентрата марганцевой руды с основным флюсом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плавление минерального сырья, содержащего марганец, осуществляют при вторичном напряжении 100 - 200 В с понижением напряжения до получения оксидного расплава.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что концентрат марганцевой руды смешивают с основным флюсом в соотношении 1 : (0,5 - 0,9).

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что дополнительно восстановление металла из оксидного расплава осуществляют в одну стадию силикотермическим методом в ковше, футерованном магнезитовым кирпичом, путем присадки в оксидный расплав твердых кремнийсодержащих восстановителей на основе железо-кремний.