§ 2. Производство силикомарганца

В настоящее время выплавляют силикомарганец следующих марок: СМн10 (10,0-13,9% Si; ≥ 65% Мn, ≤ 0,35% Р), СМн14 (14,0-16,9% Si; ≥ 65% Мn, ≤ 0,25% Р), СМн17 (17,0-19,9% Si; ≥ 65% Мn, ≤ 0,10% Р), СМн20 (20,0-25,9% Si; ≥ 65% Мn, ≤ 0,10% Р), СМн26 (>26,0% Si; ≥ 60% Мn, ≤ 0,05% Р).

Силикомарганец марок СМн20 и СМн26 используют при производстве средне- и низкоуглеродистого ферромарганца и металлического марганца, а СМн17, СМн14 и СМн10 применяют как комплексный раскислитель и легирующую добавку при выплавке стали различных марок.

Шихтовые материалы. Шихта для производства передельного (малофосфористого) силикомарганца состоит из передельного шлака (50% MnО), кварцита и коксика.

Шихта для производства товарного силикомарганца состоит из марганцевой руды, кварцита, стружки и коксика. Наряду с марганцевой рудой применяют концентраты из бедных окисных и карбонатных руд.

Передельный шлак используется в кусках размером не более 60 мм с содержанием марганца 38 − 40%.

Применяемая марганцевая руда 1-го сорта содержит не менее 49% Mn и не более 0,16% Р.

Кварцит, содержащий не менее 94% SiO₂, подвергают дроблению на куски размером 5 − 50 мм, а после дробления промывают для удаления глинистых загрязнений.

Коксик применяют сортированный, размером 3 − 20 мм.

Физико-химические условия процесса плавки. Процесс производства силикомарганца заключается в одновременном восстановлении марганца и кремния из шихтовых материалов. Восстановление марганца углеродом при производстве силикомарганца протекает аналогично тому, как это имеет место при выплавке углеродистого ферромарганца, т.е. ступенчато: МnО₂ → Мn₂О₃ → Мn₃О₄ → МnО → Мn. Одновременно происходит восстановление кремнезема по реакции SiO₂ + 2 С = Si + 2 СО. Совместное восстановление MnО и SiO₂ при достаточных концентрациях углерода приводит к образованию силицидов марганца: MnSiO₃ + 3 С = MnSi + 3 СО.

Поскольку силициды марганца являются более стойкими соединениями, чем карбиды марганца, то с увеличением содержания в сплаве кремния, содержание в нем углерода снижается. Процесс получения силикомарганца требует более высоких температур, чем плавка углеродистого ферромарганца. Температура силикомарганца при выпуске 1500° С, в то время как для углеродистого ферромарганца она не превышает 1350° С. Кроме высокой температуры, для успешного восстановления кремния необходима высокая концентрация кремнезема в шлаке, т. е. работа на кислых шлаках (43 − 45% SiO₂; 20 − 25% MnО; 10 − 12% СаО; 10 − 12% А1₂О₃; 1 − 1,5% FeO; 1 − 1,5% MgO; 0,03% Р₂О₅).

Технология плавки. Силикомарганец выплавляют непрерывным шлаковым процессом (кратность шлака 0,65 – 0,7) в открытых и закрытых дуговых печах мощностью до 63 МВА и рабочим напряжением 120 – 200 В. Футеровка печей угольная. Шихту загружают равномерно с образованием у электродов конусов высотой 250 – 300 мм и обеспечивают глубину посадки электродов для открытых и закрытых печей соответственно в пределах 1,6 – 1,9 и 1,7 – 2,3 м. Распределение элементов при выплавке передельного силикомарганца показано ниже, %:

Mn Si Fe P

Переходит в сплав 93 65 95 65

Переходит в шлак 3 30 5,0 5,0

Улетучивается 4,5 5,0 − 30

Выпуск сплава производят четыре – пять раз в смену в футерованный или стальной ошлакованный ковш. Одновременно выпускают шлак в стальные ковши (шлаковни). Выдержка металла в ковше позволяет уменьшить содержание углерода в силикомарганце, так как при этом графит всплывает на поверхность металла и задерживается в шлаке. Сплав разливают через промежуточную изложницу с сифоном (для отделения шлака) в чугунные ребристые изложницы или на разливочной машине. Для получения плотных слитков сплав разливают при 1270 – 1300°С и охлаждают со скоростью 50°С/мин. Отвальный шлак, содержащий 14-19% Mn; 43,5-46,8% SiО₂; 6,9-9,0% А1₂О₃; 15,5-16,5% СаО и 4-5% MgO, гранулируют с получением высококачественной шлаковой пемзы или используют как сырье для изготовления декоративных облицовочных плиток и изоляторов.

В вязком шлаке при выпусках запутывается много корольков металла, что сказывается на извлечении марганца. Чтобы предотвратить образование слишком вязкого шлака, добавляют сырой доломит.

Передельный силикомарганец СМн26 для производства чистого по углероду, железу и фосфору металлического марганца выплавляют непрерывным процессом с закрытым колошником на бесфосфористом высокомарганцевом шлаке в печах мощностью 3,0-5,5 MBА при рабочем напряжении 130-140 В. Вязкость шлаков снижают перегревом и добавкой известняка крупностью 25 − 40 мм и плавикового шпата размером < 40 мм. Основность шлака поддерживают равной 0,55 и кратностью 0,8. Нормальный ход печи характеризуется устойчивым погружением в шихту электродов на глубину 500-700 мм, равномерным выпуском сплава и шлака, а также отсутствием его кипении под электродами.

Сплав и шлак выпускают 5 раз в смену с выдержкой в ковше в течение 40 − 60 мин для уменьшения содержания в нем углерода (на 50 − 80%) за счет всплывания карбидов кремния. После выдержки и скачивания шлака, содержащего 3,2-4,5% Mn; 43-47% SiO₂; 22-30% СаО; 12-16% А1₂О₃; 6-10% MgO; 0,3-0,7% FeO и ~3,5 % С, сплав гранулируют. Средний химический состав сплава, %: С 0,04-0,08; Mn 63,67; Si 28-30; Fe 1,5-2,0; Р 0,03-0,04.