Технология производства силикомарганцаSiMn

Силикомарганец широко используют как полупродукт при производстве рафинированного ферромарганца и металлического марганца (СМн20 и СМн26), а также как комплексный раскислитель и легирующая добавка при выплавке стали различных низколегированных марок (СМн10, СМн14 и СМн17). Производство силикомарганца ведется одновременным восстановлением кремния и марганца из шихты, состоящей из марганцевой руды, бесфосфористого марганцевого шлака (при выплавке богатого силикомарганца), кварцита и коксика. За рубежом в качестве источника марганца в ряде случаев применяют передельный углеродистый ферромарганец, однако такой процесс менее экономичен. Восстановление марганца углеродом при производстве силикомарганца протекает ступенчато, аналогично тому, как это происходит при выплавке углеродистого ферромарганца. Параллельно протекает восстановление кремнезема по рассмотренной ранее сумарной реакции: SiO2 + 2С = Si + 2СО. В ферросплавной печи имеется более сложная система MnО—SiO2, и процесс идет с образованием силикатов марганца. Протекание реакции: MnSiO3 + 3С = MnSi + 3СО; G° = 382 1660 — 2435,67 Т Дж/моль Т кал/моль возможно при температуре выше 1295° С. Для суммарной реакции: MnSiO3 + 4С = SiO + 3СО + Mn; G° = 3680 480 + 2159,93 Дж/моль (879 068 + 515,75 Т кал/моль). Ее протекание возможно при температуре выше 1430° С°. В этих условиях более вероятно, что карбиды марганца образуются в результате реакции: 4MnSiO3 + 5С = 4SiO2 + М4С + 4СО, температура начала которой равна 1395° С. При температурах существования газообразного SiO, но ниже 1965° С, закись марганца восстанавливается по реакции: MnО + SiO = Mn + SiO2, G° = 1 411 760 + 631,8 Т Дж/моль (337 193 + + 150,9Т кал/моль). Таким образом, совместное восстановление закиси марганца и Кремнезема при достаточной концентрации углерода приводит к образованию силицидов марганца, а не его карбидов. Введение в систему СаО приводит к разрушению силикатов марганца по реакции: MnSiO3 + СаО = CaSiO3 + MnО; G°= -75 524 - 5,32Г Дж/моль (-18 038 - 1,27 Т кал/моль). Суммарная реакция образования карбида марганца имеет вид: 4MnSiO3 + 4СаО + 5С = Mn4C + 4CaSiO3 + 4СО; G° = 710 400 - 713,8 Дж/моль (169 676 - 170,5 Т кал/моль).и ее протекание возможно уже при температуре выше 724° С. Как видно, введение в систему извести оказывает решающее влияние на условия восстановления марганца, одновременно связывая кремнезем и затормаживая его восстановление и, следовательно, оно является нежелательным при производстве силикомарганца. Однако при производстве из бедных руд, содержащих много кремнезема, в шихту вводят известь во избежание получения сплава с чрезмерно высоким отношением Si/Mn и образования слишком вязкого шлака. Отношение СаО:SiO2 в конечном шлаке при плавке силикомарганца из таких руд составляет 0,52—0,58. Существенно облегчает восстановление марганца и кремния присутствие в шихте железа. В системе MnО — SiO2 имеется легкоплавкая эвтектика (при 58% MnО), температура плавления которой равна 1240° С. Поэтому с учетом перегрева шлака на 100—150° С температура в печи, в которой выплавляют силикомарганец, не превышает 1400° С. Производство силикомарганца ведется непрерывным процессом с закрытым колошником в открытых, полузакрытых и закрытых печах со станционарной и вращающейся ванной печи мощностью до МВА при рабочем напряжении 120—160 В и силе тока на электродах 40—50 кА. Производство силикомарганца ведется непрерывным процессом с закрытым колошником в открытых, полузакрытых и закрытых печах со станционарной и вращающейся ванной печи мощностью до МВА при рабочем напряжении 120—160 В и силе тока на электродах 40—50 кА. Примерный состав колоши при производстве силикомарганца марки СМн 17 определяется следующими цифрами: 300 кг марганцевой руды, 190 кг марганцевого агломерата, 130 кг кварцита, 25 кг доломита, 130 кг коксика и 5 кг железной стружки. Шихту загружают в печь равномерно, у электродов поддерживают небольшие конуса высотой 250—300 мм. Расход электроэнергии составляет 3,24 ГДж (900 кВт-ч) на колошу шихты. Глубина посадки электродов в шихте должна составлять 1,2—1,5 мм для открытых и 1,7—1,8 м для закрытых печей. Сход шихтовых материалов, загруженных в силикомарганцевую печь (открытую и закрытую), происходит в узких зонах (шириной 200—250 мм), окружающих электроды. Недопустима работа печи с высокой посадкой электродов или с короткими электродами (такая работа характеризуется наличием выбросов и обвалов шихты), что приводит к захолаживанию горна печи и снижению ее производительности. Выпуск силикомаргаца производят 4—5 раз в смену. Для окончательного отделения шлака от силикомаргацапоследний разливают через промежуточную изложницу с сифоном в чугунные ребристые изложницы или на разливочной машине. Шлак гранулируют и используют в строительстве. Кратность шлака равна 0,65—0,7; состав его примерно следующий, %: 14—19 Mn, 43,5—46,8 SiO2, 6,9—9,0 Аl2O3, 15,5—16,5 СаО и 4,0—5,0 MgO. В ходе плавки необходимо обеспечивать полную токовую нагрузку. В случае ее падения дают дополнительное количество коксика или несколько приподнимают электроды. В случае неудовлетворительного выхода шлака под электроды дополнительно задают 300—400 кг доломита. Распределение элементов в плавке характеризуется данными, приведенными в таблице.

Таблица 1. распределение элементов между продуктами плавки силикомарганцаСМн 17 и СМн 26 При производстве силикомарганца марки СМн 17 в закрытой печи температура под сводом не должна превышать 450° С, давление должно быть в пределах 1,0—5,0 Па (0,1—0,5 мм вод.ст.). При нормальной работе печи мощностью 60 МВА за 1 ч выделяется 1600— 2200 м3 газа, имеющего следующий состав: 70—85% СО, 12— 20% СO2, менее 1% O2 и менее 8% Н3. Передельныйсиликомарганец марки СМн26, применяемый при производстве металлического марганца, должен содержать минимальное количество железа, углерода и фосфора, поэтому выплавку его ведут из бесфосфористого высокомарганцовистого шлака. Вязкость образующихся при этом шлаков снижается добавкой в шихту плавикового шпата и известняка и перегревом шлака, обеспечиваемым соответствующим электрическим режимом. Бесфосфористый шлак применяют в кусках размером 25—80 мм, кварцит в кусках 25—80 мм, коксик 5—20 мм, известняк 25—40 мм и плавиковый шпат — не более 50 мм. Шихту рассчитывают из условия распределения элементов между продуктами плавки. Основность шлака при производстве силикомарганца принимается равной 0,55 и примерный расчетный состав шихты определяется следующими данными: 100 кг бесфосфористого шлака, 33 кг кварцита, 27 кг коксика, 9 кг известняка. Производство передельногосиликомарганца ведут непрерывным процессом с закрытым колошником в печах мощностью 3,0—4,0 МВА при рабочем напряжении 130—140 В; шихту загружают по мере ее проплавления. Нормальный ход печи характеризуется устойчивой посадкой электродов при глубине погружения их в шихту, равной 500—700 мм, равномерным выпуском из печи сплава и шлака, содержащего не более 7% Mn. Избыток восстановителя или работа на крупном коксике приводят к высокой посадке электродов и захолаживанию пода печи; недостаток восстановителя ведет к кипению шлака под электродами. Силикомарганец и шлак выпускают 5 раз в смену. Сплав выдерживают в ковше в течение 40—60 мин, что приводит к уменьшению содержания углерода в сплаве на 50—80% в результате всплывания частиц карбида кремния. После выдержки и скачивания шлака Силикомарганец гранулируют. Отвальные шлаки содержат примерно 3,2—4,5Mn, 43—47% SiО2, 22—30% СаО, 12—16% Аl2О3, 6—10% MgO, 0,3—0,7% FeO и около 3,5% С. Кратность шлака равна 0,8. Важнейшим показателем качества силикомарганца является содержание в нем углерода, которое определяется содержанием кремния и временем выдержки сплава в ковше.

При производстве силикомарганца марки СМн 17 в закрытой печи температура под сводом не должна превышать 450° С, давление должно быть в пределах 1,0—5,0 Па (0,1—0,5 мм вод.ст.). При нормальной работе печи мощностью 60 МВА за 1 ч выделяется 1600— 2200 м3 газа, имеющего следующий состав: 70—85% СО, 12— 20% СO2, менее 1% O2 и менее 8% Н3. Передельныйсиликомарганец марки СМн26, применяемый при производстве металлического марганца, должен содержать минимальное количество железа, углерода и фосфора, поэтому выплавку его ведут из бесфосфористого высокомарганцовистого шлака. Вязкость образующихся при этом шлаков снижается добавкой в шихту плавикового шпата и известняка и перегревом шлака, обеспечиваемым соответствующим электрическим режимом. Бесфосфористый шлак применяют в кусках размером 25—80 мм, кварцит в кусках 25—80 мм, коксик 5—20 мм, известняк 25—40 мм и плавиковый шпат — не более 50 мм. Шихту рассчитывают из условия распределения элементов между продуктами плавки. Основность шлака при производстве силикомарганца принимается равной 0,55 и примерный расчетный состав шихты определяется следующими данными: 100 кг бесфосфористого шлака, 33 кг кварцита, 27 кг коксика, 9 кг известняка. Производство передельногосиликомарганца ведут непрерывным процессом с закрытым колошником в печах мощностью 3,0—4,0 МВА при рабочем напряжении 130—140 В; шихту загружают по мере ее проплавления. Нормальный ход печи характеризуется устойчивой посадкой электродов при глубине погружения их в шихту, равной 500—700 мм, равномерным выпуском из печи сплава и шлака, содержащего не более 7% Mn. Избыток восстановителя или работа на крупном коксике приводят к высокой посадке электродов и захолаживанию пода печи; недостаток восстановителя ведет к кипению шлака под электродами. Силикомарганец и шлак выпускают 5 раз в смену. Сплав выдерживают в ковше в течение 40—60 мин, что приводит к уменьшению содержания углерода в сплаве на 50—80% в результате всплывания частиц карбида кремния. После выдержки и скачивания шлака Силикомарганец гранулируют. Отвальные шлаки содержат примерно 3,2—4,5Mn, 43—47% SiО2, 22—30% СаО, 12—16% Аl2О3, 6—10% MgO, 0,3—0,7% FeO и около 3,5% С. Кратность шлака равна 0,8. Важнейшим показателем качества силикомарганца является содержание в нем углерода, которое определяется содержанием кремния и временем выдержки сплава в ковше.

Производство среднеуглеродистого и малоуглеродистого ферромаргацаFeMn Рафинированный малоуглеродистый и среднеуглеродистый ферромарганец марок ФМн0,5, ФМн1,0 и ФМн1,5 получают восстановлением окислов марганцевой руды и бесфосфористого шлака кремнием силикомарганца в присутствии извести, связывающей кремнезем в прочные силикаты. Процесс рафинирования протекает по следующим реакциям: 2MnO + MnSi + 2СаO = 3Mn + 2CaO.SiO2; G° = -115 867 - 3,91 Т Дж/моль (-27 673 - 0,935 Т кал/моль); 3MnO + MnSi + СаO = ЗMn + 1/2(2MnO-SiO2) l/2(2СаO х SiO2); G° = -43 996 - 15,1 Дж/моль (-10 508 - 3,61 Т кал/моль); 2(MnO-SiO2) + MnSi + 6СаО = 3Mn + 3 (2CaO-SiO2); G° = 362 512 - 10,38 Дж/моль (86 585 - 2,48 Т кал/моль). Плавку при производстве среднеуглеродистого и малоуглеродистого ферромаргаца ведут в наклоняющихся и вращающихся ферросплавных печахмощностью 2500—3500 кВА с магнезитовой футеровкой при рабочем напряжении 150—280 В. В шихте используют жидкий или дробленый бесфосфористый марганцевый шлак (>47% Mn и 0,011 — 0,017% Р), марганцевую руду, силикомарганец (19% Si, 65% Mn, 1,0% С и с 0,30% Р в куске до 30 мм) и известь (90% СаО в кусках до 50 мм).Если в шихте отсутствует бесфосфористый шлак, то силикомарганец должен содержать 0,8% С. Руда должна быть просушена до содержания влаги, равного 1—3%. Процесс периодический и состоит из следующих операций: заправка ванны известью и отходами от очистки сплава; заливка шлака и повышение мощности печи; загрузка твердой части шихты; расплавление шихты и доводка расплава; выпуск плавки. Шихта для малоуглеродистого ферромарганца имеет следующий состав: 100 кг бесфосфористого марганцевого шлака, 25—35 кг марганцевой руды, 45—55 кг силикомарганца, 65—70 кг извести. При производстве среднеуглеродистого ферромарганца обычно работают без ввода в шихту бесфосфористого марганцевого шлака. На проплавление 100 кг рудной части шихты (бесфосфористый марганцевый шлак плюс марганцевая руда) расходуется 0,366—0,396 МДж (100—110 кВт-ч) электроэнергии. На одну плавку загружают 7500—8000 кг марганцевого шлака, 3700—4000 кг марганцевой руды, 7300—7500 кг извести и 5400—6000 кг силикомарганца. Повышение нагрузки и плавление шихты ведут на напряжении 276—254 В, а рафинирование и доводку сплава — на напряжении 232 В. Для ускорения рафинирования ванну ферросплавной печи 1—2 раза перемешивают сжатым воздухом.

Таблица 1. Технико-экономические показатели производства малоуглеродистого и среднеуглеродистого ферромарганца Готовый ферромарганец и шлак выпускают одновременно. Разливку сплава ведут на разливочной машине конвейерного типа или в металлические изложницы. Шлак (30% MnО, 31% SiO2, 33% СаO, 2,0% MgO, 2,1% Аl2O3, 0,8% FeO) разливают в изложницы или на разливочной машине. Кратность шлака равна 0,9—1,1. Технико-экономические показатели производства рафинированного ферромарганца приведены в таблице

Производство металлического марганца Mn Металлический марганец, состав которого приведен в таблице, производят в основном электротермическим способом в три передела: выплавка высокомарганцовистого бесфосфористого шлака; выплавка высококремнистого силикомарганца; выплавка металлического марганца. Физико-химические основы производства металлического марганца аналогичны выплавке рафинированного ферромарганца. Производство металлического марганца ведут периодическим процессом. После выпуска очередной плавки проводят заправку ванны ферросплавной печи отходами от разливки и разделки сплава и известью, которые задают в наиболее разрушенные места. Затем по всей плошади подины задают с шихтой около 30—40% силикомарганца и заливают 8—10 т шлака. После поднятия мощности на шлак загружают оставшуюся часть извести в соответствии с массой залитого шлака. После расплавления шихты и прогрева расплава постепенно загружают силикомарганец в твердом или жидком виде. За 30 мин до конца производства металлического марганца расплав продувают сжатым воздухом для ускорения рафинирования металла от кремния в результате его перемешивания. Окончание плавки определяется расходом электроэнергии [на тонну залитого шлака расходуется 3,60—4,32 ГДж (1000— 1200 кВт-ч)], состоянием ванны ферросплавной печи и анализом металла. Распределение элементов между продуктами плавки приведено в таблице

Таблица 1. Распределение элементов между продуктами плавки металлического марганца С целью получения плотного слитка марганца и уменьшения отходов металла при разделке после слива шлака металл можно вакуумировать в течение 5—10 мин при остаточном давлении 33,3—52,3 Па (250—400 мм рт. ст.). Затем металлический марганец охлаждают в течение — 3 ч в ковше и разливают в металлические изложницы. В конечном шлаке содержится примерно 15,1% Mn; 28,8% SiO2; 46,5% СаO; 1,7% Аl2O3; 2,8 MgO и 0,3% FeO. Особо чистый электролитический марганец производят электролизом сернокислых солей марганца. Способ позволяет даже из бедных руд получить весьма чистый металлический марганец. В качестве исходного материала используют как окисленные, так и карбонатные руды. При электролизе марганец осаждается на катоде в виде тонкого блестящего и хрупкого слоя, его снимают с катода, изгибая последний в противоположных направлениях. Полученные чешуйки переплавляют в Индукционной печи и разливают в чушки. Металл содержит примерно 99,77% Mn, 0,04% С и 0,014% S. Расход материалов и электроэнергии на 1 базовую тонну металлического марганца при производстве его различными методами приведен выше.

55555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555