6.4. Технология выплавки высокоуглеродистого ферромарганца

Дефосфорация марганцевых концентратов. Добываемая из недр марганцевая руда имеет высокое содержание вредной примеси – фосфора 0,18–0,22%. При обогащении марганцевой руды механическими способами фосфор не удаляется и переходит в марганцевые концентраты. Для выплавки марганцевых ферросплавов с пониженным содержанием фосфора часть концентратов подвергают дефосфорации электрометаллургическим способом.

Сущность метода состоит в селективном восстановлении фосфора и железа углеродом с переводом их в попутный высокофосфористый ферромарганец. Для этого марганцевые концентраты в смеси с небольшим количеством коксика плавят в ферросплавной электропечи (рис. 6.18).

Рис. 6.18. Общий вид печи РКЗ-22,5 для выплавки высокомарганцевого малофосфористого передельного шлака: 1 – кожух ванны печи; 2 - загрузочная воронка для подачи шихты в ванну печи; 3 – непрерывные самообжигающиеся электроды; 4 – труботечки для подачи шихты в воронку; 5 – система удержания и перепуска электродов; 6 - гидроцилиндры для перемещения электродов; 7 – пакеты короткой сети электропитания печи от печного трансформатора; 8 – свод печи; 9 – ванна печи; 10 – летка и выпускной желоб

Процесс ведут непрерывно, а продукты плавки выпускают периодически. Полученный передельный шлак содержит 38-40% Mn и не более 0,012–0,017%Р, попутный фосфористый сплав содержит 50–55% Mn и 1,5–2,5% Si, остальное Fe, C др.

Сортамент высокоуглеродистого ферромарганца. Химический состав электротермического высокоуглеродистого ферромарганца регламентирован ГОСТ 4755-80 (табл. 6.8) (Россия) и ДСТУ 3547-97 (табл. 6.9) (Украина).

Таблица 6.8. Химический состав, %, высокоуглеродистого ферромарганца электротермического производства (ГОСТ 4755-80, изменение №3, 1990г.)

Марка по ГОСТ 4755-80	Mn, не менее	С		Si	P	S
		не более
ФМн78А	78-82	7	2		0,05	0,03
ФМн78К	78-82	7	1		0,35	0,03
ФМн78	78-82	7	2		0,35	0,03
ФМн75АС6	75	7	6		0,05	0,03
ФМн75С4	75	7	4		0,45	0,03
ФМн75С9	75	6	9		0,45	0,03
ФМн75	75	7	1		0,45	0,03
ФМн70	70	7	6		0,60	0,03

Таблица 6.9. Химический состав, %. ферромарганца высокоуглеродистого электропечного (ДСТУ 3547-97)

Марка	Mn	C, max	Si, max	P, max	S, max
ФМн78А	75-82	7,0	6,0	0,10	0,03
ФМн78Б	75-82	7,0	6,0	0,70	0,03

Рудовосстановительные электропечи. Высокоуглеродистый ферромарганец с содержанием фосфора 0,35% и 0,6% выплавляют в рудовосстановительных электропечах закрытого типа РПЗ-63 (рис. 6.19) и РКГ-81 (рис. 6.20).

Рис. 6.19. Рудовосстановительная прямоугольная закрытая электропечь типа РПЗ-63 мощностью 63 МВА для выплавки марганцевых ферросплавов: 1 – аппараты для прожигания леток; 2 – свод; 3 – устройство для фиксации электрододержателя; 4 – уплотнения; 5 – система гидропривода; 6 – устройство для перепуска электродов; 7 – гидроподъемник; 8 - короткая сеть; 9 – система водоохлаждения;

10 – электрододержатель; 11 – футеровка; 12 – кожух

Ниже приведены технические характеристики электропечей с прямоугольной (РПЗ–63) и круглой (РКГ–81) ваннами для выплавки высокоуглеродистого ферромарганца (электроды самообжигающиеся):

Печь	РПЗ-63	РКГ-81
Установленная мощность трансформатора печи, кВ∙А	63000 (3х21000)	81000 (3х27000)
Напряжение высокой стороны, В	154000	154000
Пределы вторичного напряжения, В	238,5–137,0	340–180
Максимальная сила тока на фазе, А	112000	160000
Коэффициент мощности	0,91	0,92
Размеры электрода в сечении, мм	3000х750	Диаметр 2000
Расстояние между электродами, мм	3300	4300
Средняя скорость перемещения электрода, м/мин	0,5	2
Ход электрода, мм	1200	1600
Размеры плавильного пространства, мм:
длина (диаметр)	20340	15000
ширина	6000	–
высота	3190	7300
Число леток	3	2

Рис. 6.20. Рудовосстановительная круглая герметичная электропечь мощностью 81 МВА для выплавки марганцевых сплавов:

1 - углеродистые блоки стен печи; 2 – свод; 3 – короткая сеть;

4 - электрод

Электропечи РПЗ–63 оборудованы тремя однофазными трансформаторами типа 30 ЦНК–40000/150, имеющими 23 ступени напряжения каждый.

Энергетические и конструктивные характеристики печей РПЗ-63 и РКГ-81 приведены ниже:

Печь	РПЗ–63	РКГ–81
Плотность тока в сечении электрода, А/см2	5,30	5,13
Плотность мощности в сечении электрода, Вт/см2	413,8	478,5
Удельная мощность на поверхности пода, кВт/м2	296	362
Удельная мощность в объеме ванны, кВт/м2	65,8	72,4
Плотность мощности на активной поверхности электрода, Вт/см2	41,4	79,76
Плотность тока на активной поверхности электрода, А/см2	0,53	0,85
Удельная активная мощность на площади распада электродов, кВт/м2	2200	1800
Площадь сечения электрода, м2	2,25	2,14
Площадь пода, м2	188,6	124,6

Оптимальная активная мощность печи РКГ–81 составляет 45–47 МВт. Высокие показатели работы круглой печи гарантируются при условии применения марганцевого агломерата фракции 20-100 мм и содержании 14% SiО₂, марганцевого концентрата фракции 10–30 мм и содержании 12% SiО₂.

Электропечи РПЗ-63 оборудованы установкой продольно-емкостной компенсации, что обеспечивает повышение коэффициента мощности до 0,90-0,92.

Система газоочистки печи состоит из шести типовых самостоятельных линий при одной резервной. На выходе из системы газоочистки в газе содержится менее 20 мг/м³ пыли, что позволяет сжигать его в топках котлов и использовать для агломерации марганцевых концентратов. Углубление ванны печи с 2,85 м по проекту до 4,5 м позволило уменьшить запыленность колошникового газа в 2–2,5 раза.

Рудовосстановительные электропечи оборудованы непрерывными самообжигающимися электродами, применение которых обеспечивает непрерывность технологического процесса без остановки печей на наращивание электродов*.

Физикохимия процесса. Теоретическая температура начала восстановления марганца до карбида MnC_x по реакции

МnО_т + (1+х)С = МnС_х, + СО,

∆G = 196293 – 123Т

равна 1597 K (1324^оС). Поскольку в ферромарганце содержится ~7% С, то в первом приближении можно принять, что сплав представлен в основном карбидами Мn₇C₃ и (Мn, Fе)₇С₃.

Температуры начала восстановления и плавления ферромарганца близки, поэтому жидкие капли насыщенного углеродом металла, осаждаясь на подину печи, взаимодействуют с коксом и со шлаковым расплавом, что приводит к восстановлению кремния по схеме: (Мn, Fе)₇C₃ + (SiО₂)  [Si]_Mn,Fe + СО.

Высокоуглеродистый ферромарганец ФМн78 (до 0,7% Р) выплавляют в основном экономичным бесфлюсовым процессом. Получаемый при этом высокомарганцевый передельный шлак (38% Мn) используют в качестве исходно-

го компонента шихты для выплавки силикомарганца с пониженным содержанием фосфора, что повышает извлечение марганца и снижает расход шихтовых материалов.

При флюсовом способе высокоуглеродистый ферромарганец выплавляют с использованием исходных концентратов, коксика и известняка. Для достижения более низкого содержания фосфора в шихту применяют расчетное количество передельного высокомарганцевого малофосфористого шлака. Процесс ведут на более полное восстановление марганца и получение отвального шлака основностью %СаО/%SiO₂ 1,0–1,2 и содержанием MnO 10–14%.

Флюсовый способ менее экономный в сравнении с бесфлюсовым (табл. 6.10). Независимо от способа выплавки ферромарганца выпуск сплава и шлака из шестиэлектродных печей РПЗ-63 производится из трех леток печи поочередно в ковш. Летку вскрывают машиной, которая способна перемещаться по направляющим, бурить леточное отверстие, зачищать переднюю стенку печи в зоне летки, выбивать внутрь печи пробку оставшейся в летке невыбуренной леточной массы и возвращаться в исходное положение.

_______________________

* Гасик М.И. Электроды рудовосстановительных электропечей. – М.: Металлургия. 1984. – 248с.

Таблица 6.10. Основные технико-экономические показатели выплавки высокоуглеродистого ферромарганца

Показатели	Способ выплавки
	флюсовый	бесфлюсовый
Удельный расход, кг/б.т.: марганцевого сырья (48% Mn) кокса окатышей известняка электродной массы
	2060	2971
	580	415
	110	85
	700	–
	21	22,4
Удельный расход электроэнергии, кВт∙ч/б.т	4290	3498
Выход ШМП (48% Mn), кг/б.т	–	1353
Mn в шлаке, %	14,2	35,8
Кратность шлака	1,2	0,88
Извлечение Mn, %	78-82	98,8

Технические характеристики машины вскрытия летки:

Время вскрытия летки, мин	5
Скорость перемещения машины вдоль фронта печи, м/мин (не менее)	21,4
Энергия удара пневмоударника, Дж (не менее)	147,1
Число ударов пневмоударника в минуту (не менее)	2000
Крутящийся момент вращателя, Нм (не менее)	245,25
Ход каретки, мм	2500
Осевое усилие подачи каретки, кН	8-10
Объемный расход сжатого воздуха при давлении 0,63 МПа, м3/мин (не более)	14,5
Диаметр коронки, мм	100
Установленная мощность электродвигателей, кВт (не более)	1,4
Удельный расход сжатого воздуха, м3м (не более)	3600
Масса машины, кг	2900
Масса машины с токоподводом и комплектующими, кг	4700

Машина заделки летки осуществляет следующие операции по закрытию летки: перемещается к летке, фиксируется относительно печи, выпрессовывает леточную углеродистую массу в леточное отверстие, после чего возвращается в исходное положение. Приводы передвижения машины и перемещения поршня – электрические.

Технические характеристики машины для заделки летки:

Время закрытия летки, с	20
Скорость перемещения машины вдоль фронта печи, м/мин (не менее)	21,4
Усилие выдавливания огнеупорной массы, кН (не более)	300
Вместимость резервуара, л (не менее)	40
Установленная мощность электродвигателей, кВт (не более)	14,6
Удельный расход электроэнергии, кВт на заделку (не более)	0,167
Масса машины, кг	4950
Масса машины с токоподводом и комплектующими, кг	5610

После выпуска продуктов плавки тележку с ковшом подают в разливочный пролет. Шлак сливают в чашу, а оставшийся в ковше шлак загущают песком для предупреждения попадания его на слитки. Затем ковш с ферромарганцем подают на разливочную машину, а шлак вывозят для шлакопереработки или в отвал. Ферромарганец разливают на ленточных машинах с чугунными изложницами.

Разливочная машина МРФ 4-722-270 предназначена для разливки ферросплавов в изложницы, охлаждения, формирования слитков и транспортировки их на склад готовой продукции. Она представляет собой замкнутый двухленточный конвейер длиной 70 м. Основные технические данные разливочной машины приведены в табл. 6.11. Оптимальная температура разливки ферромарганца 1З80–1340^оС, толщина слитка в изложнице 85 мм.

Фракционирование ферросплавов на НЗФ осуществляется дробильно-сортировочным комплексом (ДСК), в состав которого входят: щековая дробилка фирмы «Kueken», оснащенная приспособлением для регулирования выходной щели от 50 до 150 мм и обеспечивающая дробление металла без трения, вибрационный грохот фирмы «Seko», состоящий из короба в сборе с тремя съемными ситами, и питатель Р1-1211.

Таблица 6.11. Технические характеристики разливочной машины МРФ-4-722-270

Наименование параметра	Номинальные нормы параметра
Производительность при разливке, т/ч:
- малофосфористого шлака	24
- силикомарганца	48
- ферромарганца	60
Скорость движения конвейера, м/мин	3,25; 5; 6,5; 10
Общее количество изложниц, шт	726
Тип кантовального устройства	Гидравлические подъемники
Угол кантования ковша, град	100
Угол наклона конвейера, град	8о30/
Емкость ковша, м3	8
Мощность привода, кВт	50
Масса изложницы, кг	370
Масса машины, т	504
Габариты, мм:
– длина	79500
– ширина	12200
– высота	9950

В зависимости от требуемого класса крупности готовой продукции на дробилке устанавливают определенную выходную щель, а на грохоте необходимые сита с размерами ячеек 80х80, 70х70, 50х50, 20х20, 10х10 и 5х5 мм. Производительность ДСК составляет 120–150 тыс. т/год в зависимости от фракции.

Наряду с получением высокоуглеродистого ферромарганца в электропечах в современных условиях частично восстановлено производство его в доменных печах. На Косогорском металлургическом заводе (Россия) выплавка ферромарганца ведется в трех доменных печах объемом 880, 706 и 408 м³.

По данным С.Б. Брусенко и Ф.Л. Скуридина* с технологической стороны выплавка ферромарганца характеризуется рядом прогрессивных мероприятий, направленных на повышение эффективности плавки: увеличение температу-

_____________________

* Брусенко С.Б., Скуридин Ф.Л. Производство ферромарганца на Косогорском металлургическом заводе //Черная металлургия. 2001. - №5. – С.22-23.

ры дутья, повышение давления колошникового газа, применение основных магнезиальных шлаков, вовлечение в производство кусковой природнофлюсованной карбонатной марганцевой руды, железомарганцевой низкофосфористой руды из Казахстана, марганцевого агломерата и высокоосновного агломерата (железофлюса). Повышение температуры дутья приводит к рациональному распределению тепла в печи и благоприятно сказывается на восстановлении марганца. Повышение температуры дутья на 100^оС дает экономию кокса 6–8%. С учетом этого на заводе были построены два высокотемпературных малогабаритных воздухонагревателя с корундовой шариковой насадкой с нагревом дутья до 1400^оС. Благоприятные условия для восстановления марганца создают основные шлаки. Оптимальной основностью следует считать отношение СаО/SiO₂, равное 1,2–1,3 при содержании 6–8% MgO. При применении карбонатной руды улучшается газопроницаемость шихты, понижается температура колошника, снижается расход сырых флюсов, повышается утилизация марганца. Доля карбонатной руды в шихте ограничивается высоким содержанием в ней фосфора. Этот недостаток был компенсирован освоением в производстве ушкатынской марганцевой руды. В последние годы на заводе ведутся работы по вовлечению в производство железофлюса основностью 3,5. Его использование позволило исключить из шихты дорогостоящие металлодобавки и резко сократить расход сырых флюсов.

На ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» ферромарганец выплавляется в доменной печи с использованием марганцевой руды Жайремского месторождения*. Удельный расход шихтовых материалов определяется путем решения системы трех уравнений: по марганцу, основности шлака и содержанию магнезии. Выход шлака составляет 1150 кг/т сплава. Фурменный газ имеет состав: 34,8% СО, 2,7% Н₂, 62,5% N₂. В дутье поступает 30 м³/т технологического кислорода, 60 м³/т природного газа. Температура воздухонагревателя 1250^оС. Состав колошникового газа: 9,5% СО₂, 31,4% СО, 2,0% Н₂ и 57,1% N₂.

________________________

* М.В.Юрченко. Расчет состава шихты, материальный и тепловой балансы выплавки ферромарганца на ОАО «ММК» в современных условиях. Теория и технология металлургического производства. Вып.2. МГТУ: Магнитогорск: Изд-во МГТУ. 2001. – С.98-101.