Iпроблеми навколишнього середовища 541

рекомендовано! 569

л1тератури 569

4.5.2. Технолопя виробництва вуглецевого феро- та сшпкомангану

Феро- та силшоманган широко застосовують для розкиснення й ле­гування сталей багатьох марок. Рядов1 конструкцшш стал1 м1стять до 0,6 % Мп, а стал1, леговаш манганом, — вщ 0,8 до 13 % Мп.

Вуглецевий феро- та силисоманган виплавляють в електричних печах. Нижче наведено Х1М1чний склад феромангану двох марок та товарного сшпкомангану, %:

Марка Мп С Р 51

ФМн75 >75 <7 < 0,45 1,0-2,0

ФМн78 >78 <7 < 0,35 1,0-2,0

МнС17 >65 < 2,5 ■ < 0,35 15,0-20,0

В1тчизнян1 манганов1 руди М1стять багато фосфору, тому у феро- та сшпкомангаш вмшт цього шкодливого елемента досить високий.

Сировинш матергали. Основними сировинними матер1алами, як1 використовують для виплавляння феромангану, е манганов! руди, коксик 1 сталева стружка. Манганов1 руди здебьтьшого застосовують для виплав­ки феросплав1в, як1 мостять 10 — 82 % Мп, а також тод1, коли плавку проводять на кокс1 з шдвищеним вм1стом С1рки для отримання пере- робних чавун1в, що м1стять 0,7 — 0,8 % Мп.

Мшерали, що утворюють руди мангану, нечисленш, хоча манган входить до складу велико! кыькосп природних сполук. Манганов1 руди промисло- вих тип!в под1Ляють на чотири види: а) оксидн1 руди — це мшерали ш- ролюзит (Мп0₂), браушт (Мп₂0₃), псиломелан (хМп0₂ — МпО • Н₂0), гаусманот (Мп₃0₄), мангагпт (Мп₂0₃ -Н₂0); б) карбонатш руди, що

Метить мангановий шпат, або родохрозит (МпС0₃); в) силжатш руди, Що мкгять родошт (Мп5Ю₃); г) окиснеш руди — продукт окиснення Кйрбонатних 1 силжатних руд. Умкт мангану в цих минералах стано- Иить шд 41,9 до 72,1 %. Однак у манганових рудах, яю добувають, нпелщок наявност! дом^шок вмкт мангану становить 20 — 45, шод1 — 0 57 %. Пуста порода переважно складаеться 13 кремнезему, менше I» глинозему, вапняна пуста порода трапляеться досить рщко. Манганов! руди, як1 добувають, зазвичай промивають або проводять гравхтацшно- Мшштне збагачеиня з отриманням концентрата, що мктять 40 —56 % Мп. Надежно вщ галуз! застосування до манганових руд 1 концентрата станлять певш вимоги за Х1м1чним складом 1 ф1зичними властивостями. Ьнжано, щоб у мангановш руд1 був великий вмкт мангану 1 в мШмальнш 1(1лысост1 фосфору (не бшыпе шж 0,2 %).

Коксик для плавки застосовують розм1ром 3—15 мм. Вмкт золи в цьому не повинен становити > 12 %, вологи <11%, фосфору < 0,02 %. Сталеву стружку використовують подр1бнену, малоокиснену.

ф1зико-х1М1чн1 умови процесу плавки. Манган 13 киснем утворюе та К1 оксиди: Мп0₂, Мп₂О_э, Мп₃0₄, МпО. Вшц1 оксиди мангану ха­рактеризуются високим р1вноважним парщальним тиском кисню. Тому и атмосфер! пов1тря 1 чистого кисню виш.1 оксиди мангану легко дисо- цпоють:

2Мп0₂ = Мп₂0₃ + 1/20₃ ; (4.17)

ДС^ = 82220-101,ЗГ [Дж/моль]; = -8589/Г + 10,58;

ЗМп₂0₃ = ЗМп₃0₄ + 1/2 0₂; (4.18)

ДС^ = 114158-100,347 [Дж/моль]; 1%р₀₂ = -11925/Г + 10,48;

Мп₃0₄ = ЗМпО + 1/20₂ ; (4.19)

ДО^ = 213030-106,74Г [Дж/моль]; \§р₀₂ = 22253/Т +11,15.

Вщновлення мангану — один !з найважливших ф1зико-х1м1чних ироцеС1В, що вщбуваеться шд час вуглецево-вщновно! плавки мангано- иих феросплав!в. У реальпих умовах на хщ цього процесу ктотно впливають шцп ф!зико-х!м1чш процеси, особливо так1, як шлакоутво­рення, плавления метал1в, вщновлення дом1шок 13 руд, золи вщновника 1 флюсов.

Вщновлення мангану, згщно з принципом послщовност! перетво- рень О. О. Байкова, вщбуваеться за схемою Мп0₂ — Мп₂0₃ — Мп₃0₄ — - МпО —Мп. Цей принцип означав, що у м1ру нагр1вання вищий оксид дисоцше спочатку до оксиду пром1жно1 валентность вщновлення якого починаеться лише шеля зникнення вищого оксиду, тобто може вщбува- тися внаслщок:

ТерМ1ЧН01 ДИСОЩаЦП ОКСИД1В

МеО_х = Ме_(г_₀ +1/20₂ ; (4.20)

непрямого вщновлення оксидов оксидом карбону (II)

МеО_х+СО = МеО_(х_₀+СО₂; (4.21)

прямого вщновлення оксид1в вуглецем

МеО_х + С = Ме О_(л._₀ + СО. (4.22)

Вииц оксиди мангану вщновлюються до оксиду мангану (II) МпО газами за пом^рних температур (200 — 500 °С), наприклад оксидом кар­бону (II):

2Мп0₂ + СО = Мп₂0₃ + С0₂, АН = 227556 Дж; (4.23) ЗМп₂0₃ + СО = 2Мп₃0₄ + С0₂, Д# = 170720 Дж; (4.24) Мп₃0₄ + СО = ЗМпО + С0₂, АН = 52080 Дж. (4.25)

Отже, вщновлення Мп0₂ до МпО, що вщбуваеться з переб1гом екзо- терм1чних реакцш, пов'язане з видщенням велико! К1лькост1 теплота — близько 2870 кДж на 1 кг мангану. Вщновлення мангану 13 оксиду мангану (II) вуглецем потребуе значноТ витрати теплота:

МпО + С = Мп + СО. (4.26)

Для вщновлення мангану вуглецем потрхбна температура близько 1200 °С. За наявност! вуглецю утворюеться карбщ мангану Мп₃С, що трохи знижуе температуру вщновлення мангану. Ломаного розвитку процес вщновлення мангану набувае за наявност! зал1за за температу­ри 1100— 1300 °С. Зпдно з хцею реакщею на 1 кг мангану витрачаеться 5225 кДж, тобто майже вдв1Ч1 бшыне, Н1ж на вщновлення зал1за з окси­ду феруму (II).

Осгальки оксид мангану (II) вщновлюеться за високих температур, то значна частина мангану за наявносп у сировиш кремнезему перехо­дить у сшпкати. Вщновлення мангану 13 сил1кат1в полегшуеться наяв- шстю вапна:

Мп5Ю₃ + СаО + С = Мп + Са5Ю₃+С, АЯ = 229068 Дж.(4.27)

Тому процес вщновлення мангану з МпО характеризуешься значною витратою теплоти. Однак не весь манган переходить у метал, частина його залишаеться у вигляд1 оксид1в у шлаку, а частина — випаровуеть- ся. Ступшь вщновлення мангану пщ час виплавляння феромангану досягае 90 %. У процесс виплавки феросплав^в втрати мангану станов- лять 3—15 %.

Слщ зазначити, що процес вщновлення мангану з його оксиду (II) вщбуваеться не лише за реакщею

МпО + С = Мп + СО,

а й за реакщею з утворенням карбщу мангану:

ЗМпО + 4С = Мп₃С + ЗСО, АН = 780-800 Дж. (4.28)

Термодинамшш розрахунки доводять, що щ реакцп вщбуваються рдночасно.

Технолопя плавки. Вуглецевий фероманган виплавляють флюсо- вим або безфлюеовим способом. У другому випадку процес проводять без добавки вапна та отримують кр1м вуглецевого феромангану ще й бсзфосфористий мангановий шлак (40 — 50 % МпО 1 0,02 — 0,05 % Р). 'Гакий шлак використовують замщть манганово! руди для виплавляння сил1Комангану або низькофосфористих манганових сплав1в.

1нод1 процес проводять 13 нестачею вщновника (для понижения ступе­ня вщновлення мангану у сплав) 1 в такий спос1б одночасно забезпечу- ють виплавку переробного малофосфористого шлаку з вищим вм1стом оксид1В мангану. Сплав, який при цьому отримують, — так званий по- иутний метал, мштить до 65 % Мп 1 близько 2 % Р. Ниш вш стандарти­зований 1 його переважно використовують у ливарному виробництвь

Розглядаючи процес виплавки феросплав1в, потробно враховувати, що за високоТ температури, як уже зазначалося, значна частина мангану (10 — 12 %) вииаровуеться 1 виноситься 13 печь Для зменшення втрат мангану плавку проводять за низькоТ напруги, тобто умовно не в «дуговому» режим! (на вщмшу вщ виплавки феросилхщю), а в режим1 «опору».

Технолог1я флюсово! виплавки високовуглецевого феромангану. Иихщш матер1али для виплавки високовуглецевого феромангану зберЬ гають на склад1 сирих матер1ал1в цеху для шдготовки шихти. Манганов1 концентрата усередшоють 1 сушать, наприклад, у печах типу «киплячо- го шару» для зменшення вм1сту вологи нижче шж И %. Частину концен- трат1в агломерують на агломерац1йн1й фабриц1. Коксик нодр1бнюють 1 розс1юють до фракцй' 5 — 20 мм. Вщходи феромангану иодр1бнюють, причому розм1р шматка не мае перевищувати 150 мм. Мангановий агло­мерат 13 аглофабрики направляють на склад агломерату. Флюс (вап- няк) безпосередньо подають у шчш дозувалын бункери 31 складу вапня­ку без обпалення або використовують в агломерацшнш шихп з отри- манням так званого офлюсованого агломерату. Шихтов1 компонента подають через центральний розподыьний пункт системою конвеер1в у бункери дозованих пунк'пв. За допомогою вагових стрнчкових доза- тор1в магер1али зважують до певного 1'х сп1ВВ1дношення, и1сля чого подають у шчш бункери, а пот1м по трубопроводах — у ванну печь

Високовуглецевий фероманган у печах РПЗ-бЗ виплавляють безпе- рервним процесом 13 зануреними у шихту самосшкливими електрода- ми. Торець електрода мае знаходитися вщ подини на вщсташ 900 — 1500 мм за довжини робочого к1нця електрода 3500— 3900 мм. Витра­ти електродно! маси становлять 22 — 24 кг на 1 т сплаву. До числа кон- трольованих параметр1в процесу плавки належать повна потужшсть, що мае бути однаковою для вах електрод1в (8 — 9 МВт), 1 електрич не навантаження по фазах - 100 кА на електрод за однакових фазо вих напружень у межах 145 — 210 В. Тиск газу тд склепшням печ1 не мае перевищувати 2, 9-4,9 Па, а температура газу шд склепшням 750 °С. Контролюють також концентрацж водню в колошниковому га 31, що мае бути меншою шж 8 % за вм1сту оксиду карбону (II) 70 80 % , кисню < 1 %. Юльюсть газ1в, що вщходять, становить близько 1000 м³/год. Газ у тдсклепшш за нормально! роботи печ! метить, %: СО - 84-86; С0₂ - 8-9; 0₂ - 0,04-0,06; Н₂ - 4-6. У процес! плавки потребно уважно стежити за р1вном1ршстю вщцлення газ1в нав­коло електрода, сходу шихти, стшюстю I глибииою занурення електро­да, р1вном1рн1стю виходу феромангану й шлаку. За результатами х1М1чно- го анал1зу феромангану 1 шлаку роблять висновок про дозування ком­понентов та витримування Ух сшввщношення в шихт1. Випускання сплаву й шлаку проводять 13 трьох льоток печ! по черзг Льотки вщкривають, застосовуючи електроиропалювания, або пропалююгь Ух киснем.

Ювш для прийому рщкого сплаву (8 м³) футеру ють шамотною цеглою, а шлак приймають у не футероваш чагш мктюстю 16м³, яю розмощегп каскадно з ковшем. Тривалють зливання продуктов плавки становить 20—40 хв, перюдичшсть випускання — 1,5 — 2 год. Шсля завершения зливання сплаву льотки закривають пробкою (конусом), що складаеть- СЯ 13 СуМ1ПП вогнетривко'1 г ЛИНИ та КОКСОВОГО др1бняку. В130 К 13 ков­шем подають у розливний ПрОЛ1Т. Осиовну ЮЛЬЮСТЬ вщвального шла­ку зливають у чашу, а той, що залишився в ковии, згущують, добавляю- чи шсок, з метою поиередження попадания його на виливки.

Пот1м ювш 13 фероманганом подають на розливну машину, а шлак вивозять для шлакопереробки або у вщвал. Феромаиган розливають на стр1ЧКових машинах 13 чавунними виливницями. Оптимальна темпе­ратура його розливання становить 1380—1340 °С, товщина виливка у ВИЛИВНИЩ — 85 мм.

Безфлюсова виплавка високовуглецевого феромангану. Технолопя безфлюсовоУ плавки подобна до описано! вище флюсово'Г технолоп'У, за винятком складу шихти, де флюс (вапняк) вщсутнш. Юнцевими про­дуктами плавки е не лише сплав, а й переробний шлак.

Плавку проводять безперервно за напруги 120 —130 В та сили струму 33 — 38 к А. Електроди занурюютъ у шихту на глибину 1200 — 1400 мм. Внаслщок глибокоУ посадки над зоною високих температур знаходиться великий шар шихти.

Сплав 1 шлак випускають приблизно через кожш 1,5 год. У процес1 випускання переробний шлак вщокремлюють вщ сплаву. Сплав застигае у великих плоских виливницях. Переробний шлак розливають на розлив- нш машиш. Величина кратносп шлаку (сгпввщношення маси шлаку до маси металу) становить 1,0 : 1,2. Шсля охолодження переробний шлак, в якому майже вщсутнш фосфор, використовують як сировинний матер1ал для виплавки манганових сплав1в 13 низьким вм1стом фосфору.

• Тсхнолопя виплавки силжомангану. Силжоманган — комплексиий 'Воякисник, який широко використовують для виплавки стал1 в кисневих МОНКСртерах, електричиих 1 мартешвських печах.

Нерхня межа допустимого вмкту фосфору в силжомангаш — 0,35 %. Осюльки манганов! окисш коицеитрати 1-го 1 2-го сорту, яю використо­вують, мають ВИСОКИЙ ВМ1СТ фосфору, ТО НИШ основну ЮЛЬЮСТЬ (близь- ^О 70 %) силжомангану виплавляють [з вмштом фосфору понад 0,4 %. Дли виплавки сплаву 13 вмштом фосфору до 0,35 % в шихту потр1бно (ИОДИТИ низькофосфористу сировину. У шихту ДЛЯ виплавки СИЛ1КО- Иингану добавляють манганов! окисш концентрати (агломерата), квар­цит, иуглецевий вщновник 1 флюси, здебьтыного доломгг.

Силжоманган — багатокомпоиентний сплав, вм1ст вуглецю в якому ВНЛсжить вщ концентрацп силщш: що б1льше силщш в сплав], то ниж- ЧИ розчиншсть у ньому вуглецю. Осюльки утворення стандартного за ЦМ1СТОМ силщш сплаву вщбуваеться в напрям1 поступового збагачення иуглецевих часточок металу вщновлюваним силщем, то склад часто- Ч<Ж сплаву поспйно змшюеться, що ускладнюе опис х]М1чного процесу отримання силжомангану за допомогою стехюметрично!" реакцп.

Процес утворення силжомангану складаеться 13 таких стадш. Сио- чатку розвиваються процеси вщновлення вищих оксщцв мангану Мп0₂, М112О3 1 М113О4 за участю СО, а пот1м МпО за реакщею прямого Ыдновлення до карбщу:

(МпО) + (1 + х)С = МпС_хСО.

У зош високих температур вщбуваеться реакщя вщновлення крем­незему. Наявшсть металевого розплаву термодинам^чно полегшуе про­цес вщновлення силщш за реакщею

ЗЮ₂ + 2С = [51] + 2СО; АС^ = 697 390-359,077

1 утворення силжомангану

(5Ю₂) + 2С + [МпС_л] = [Мп - 51-С_х]+2СО.

Теоретичну температуру початку перебшу щеТ реакщУ визначають За ВМ1СТОМ СШИЦШ в сплавь

Послщовшсть процеав взаемодп металевих розплав^в, насичених вуглецем, з карбщом сшпщю та силщ1ем можна подати схемою, зобра- жеиою на рис. 4.6.

Кислий шлак формуеться з оксщцв, що переходять у нього 13 дом1- шок маигаиовоТ сировини, кварцит1в 1 золи вщновника, та мштить 47 — 49 % ЗЮ₂; 18-20 МпО; 12,2-14 СаО, 7-8 А1₂О_э 1 2,9-3,1 % М^О. Такий шлак мае низьку електричну провщшсть 1 високу в'язюсть.

Виплавку силжомангану проводять безперервним способом. Шихту завантажують у шч самопливом по трубопроводах 13 бункер1в. Робоч!

Рис. 4.6. Сил1кокарб1дш фази и < и стеи1 Мп—5[—С 1 зиша розчишкм-И вуглецю залежно В1Д концеитргщН СИЛ1ЦЙО

К1НЩ електродш зануреш м шихту 1 знаходяться на вщстлм! 900 — 1200 мм в1д подини. Тпсн газу тд склепшням мае буш 2,8 — 4,9 Па за температури мг быыне шж 300 °С. Допустим и11 вм1ст водню в газ1 не вищий 8 "„, СО - 70 — 80 %, кисшо - мг б1ЛЫНе Н1Ж 1 %. Юльюсть Ко лошникового газу для печен типу РПЗ-бЗ — до 8000 м³/год. Для отримання шдвищеного вм1сту СИЛ1Ц1Ю у сплав1 шихту коригують, добавляючи 400 — 600 кг кварциту .1 коксом, а для отримання пониженого вм1сту сшпцно — 500 — 700 ю манганового концентрату з коксом.

Сплав 1 шлак 13 печ1 РПЗ-бЗ випускають через кожш 2 год у каскад!к > встановлеш швш для металу та дв1 шлаков! чаип. Льотки вщфивають машиною. Ковпп для приймання сплаву футерують натвжирним песком за допомогою шскомета. Шлак випускають у сталев1 чанп М1стк1стю 11 м³, тривалкть випускання — 20 — 40 хв. Льотки закривають вогне тривкою глиною у сум!Ш1 з коксовим драбняком. Ковнн з металом 1 шлаком перем1щують у розливний прол1т. Перед розливанням сплаву шлак зливають так, щоб запоб1гти втрат сшикомангану. Залпшки шлаку в ковпп над металом згущають шском для полегшення вщокремлення в1д сплаву тд час розливання. Сил1команган зазвичай розливаюгь на розливнш машиш.

Вщвальний шлак мае такий х1м1чний склад, %; ЗЮ₂ - 49-49,8; СаО - 12,2-14; М^О - 2,9-3,1; Мп - 13,4-15,3; Р - 0,002- 0,003; 5 — 0,5 — 0,6; А1₂О_э — 7,2 — 8. Для полшшення використання мангану вщвальний шлак частково можна додавати як компонент у шихту шд час виплавки ливарного чавуну в юлькост1 22 — 25 кг/т чавуну.

Основну юлыасть шлаку шсля охолодження та др1бнення вико- ристовують у буд1вництв1 у вигляд1 так званого шлакового щебеню.

Техшко-економ1чш показники плавки. Плавка манганових сплав1в характеризуеться певними витратами сировинних матер1ал1в та елект- роенерп'Г на 1 т сплав!в:

Склад матер1алу

Манганова руда (48% Мп), кг Коксик сухий, кг

Фероманган

флюсовий безфлюсовий Сшпкоманган

2013 2600 1695

457 390 431

*к, кг МП, кг

|Л|П1 пружка, кг ЦЦНМ'Ш'рПЯ, КВт ■ год умгмпи Мп у сплав, % х1д Мп у переробний шлак, % С1 Мп у сгглав!, %