3.1.2. Восстановление марганца

Почти во всех железных рудах в больших или меньших количествах присутствует марганец. Иногда для получения чугунов с повышенным содержанием марганца в состав доменной шихты вводят марганцевую руду. В соответствии с принципом последовательных превращений оксиды марганца восстанавливаются последовательно от высших к низшим: МnО₂→Мn₂О₃→Мn₃О₄→МnО→Мn. Высшие оксиды марганца в доменной печи восстанавливаются полностью под действием СО, т. е. непрямым путем:

2МnО₂ + СО = Мn₂О₃ + СО₂ + 2090 кДж/кг Мn; (12)

ЗМn₂О₃ + CO = 2Мn₃О₄ + СО₂ + 517 кДж/кг Мn; (13)

Mn₃О₄ + СО -= 3МnО + СО₂ + 316 кДж/кг Мn. (14)

Оксид марганца МnО восстанавливается значительно труднее, чем оксид железа FeO, поэтому МnО восстанавливается только прямым путем и то частично. В связи с тем, что заключительная стадия восстановления марганца - это эндотермическая реакция прямого восстановления

МпО + С = Мп + СО - 5260 кДж/кг Мn, (15)

то количество восстанавливающегося марганца существенно возрастает с повышением температуры. Таким образом, непременным условием получения высокомарганцовистых чугунов является (наряду с достаточным количеством марганца в шихте) повышение температуры в доменной печи, что достигается увеличением удельного расхода кокса или повышением температуры дутья. Поскольку восстановление марганца заканчивается в области высоких температур, где присутствуют жидкие чугун и шлак, то на степень восстановления марганца в значительной степени влияет шлаковый режим доменной плавки (химический состав и относительное количество шлака).

При большом количестве оксида SiО₂ в шлаке, взаимодействующего со слабоосновным оксидом МnО, образуется трудновосстановимое соединение MnSiO₃. При большом количестве СаО в шлаке диоксид кремния в первую очередь взаимодействует с оксидом кальция и оставшийся в несвязанном состоянии оксид марганца МnО восстанавливается легче и полнее. Таким образом, для увеличения полноты восстановления марганца необходимо иметь шлаки повышенной основности.

Данной температуре и основности шлака соответствует определенное соотношение между концентрациями элемента в шлаке и металле. Это соотношение называется коэффициентом распределения L. Коэффициент распределения не зависит от относительного количества шлака. Например, для марганца

L_Мп = (Мn)/[Мn] = ƒ[t; (CaO/SiO₂)], (17)

где (Мn) - содержание марганца в шлаке, % или т/т шлака; [Мn] - содержание марганца в чугуне, % или т/т чугуна. При помощи коэффициента распределения легко показать влияние относительного количества шлака (U, т/т чугуна) на количество восстанавливающегося марганца. Составим баланс по марганцу:

, (18)

где - содержание марганца в каждом шихтовом материале, т/т материала; m_i - удельный расход каждого компонента шихты, т/т чугуна. Из уравнения (35) с учетом выражения (34) получаем:

кг/кг чугуна (19)

Из выражения (36) следует, что с уменьшением относительного выхода шлака снижаются потери марганца в нем, увеличивается степень восстановления марганца. При выплавке обычных передельных чугунов степень восстановления марганца составляет50-70 %. При выплавке чугунов, требующих высоких температур в печи, степень восстановления марганца может достигать >80 %.