Способ получения ферромарганца и силикомарганца

 

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к производству низкофосфористых марганцевых сплавов из бедных марганцевых руд, а именно ферромарганца и силикомарганца. Способ включает получение низкофосфористых марганцевых сплавов из бедных марганцевых руд в трех последовательно расположенных агрегатах типа конвертера. При этом расход металлической добавки g_м.д. для каждого агрегата рассчитывают по математической зависимости. Способ характеризуется высокой степенью извлечения марганца и производительностью.

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к производству низкофосфористых марганцевых сплавов из бедных марганцевых руд, а именно ферромарганца и силикомарганца.

Известен способ производства низкофосфористого ферромарганца и силикомарганца, включающий загрузку шихты, состоящей из марганцевого концентрата, кокса, извести, металлической стружки в электропечь, последующий нагрев до заданной температуры, расплавление шихты и раздельный выпуск из печи расплава шлака и металла (1).

Недостатками известного способа является предварительная подготовка шихтовых материалов - концентрата и кокса, что увеличивает стоимость получаемых сплавов и приводит к высоким потерям марганца из исходной руды.

Известен способ получения низкофосфористого силикомарганца (2), который включает в себя загрузку в электропечь низкофосфористого марганцевого шлака, кокса, кварцита и железной стружки, плавление шихты, выпуск металла и шлака. Данный способ характеризуется высокими затратами на производство низкофосфористого марганцевого шлака и большими расходами электроэнергии.

Наиболее близким аналогом (3) является способ получения ферросплавов, включающий выплавку ферросплавов в печи и выпуск шлака в печь-ковш, подачу в него восстановителя, шихтующих материалов, продувку расплава газом. Тем самым достигается наиболее полное восстановление ведущего элемента ферросплава из исходного материала.

Недостатками данного способа являются высокие затраты электроэнергии на процессы плавления и нагрева и предварительная подготовка материалов. Кроме того, процесс является периодическим, что существенно снижает производительность комплекса печей.

В основу изобретения поставлена задача разработать энергосберегающую технологию получения низкофосфористых марганцевых сплавов, обеспечивающую высокую степень извлечения марганца из бедных марганцевых руд без использования электрической энергии, снижение себестоимости и повышение качества выпускаемых сплавов, а также увеличение производительности.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения низкофосфористых ферромарганца и силикомарганца из бедных марганцевых руд, по крайней мере, в двух последовательно расположенных агрегатах, включающем в себя непрерывную загрузку в первый агрегат, например, конвертер, шихты, состоящей из марганцевой руды, угля, металлической добавки, подачу кислорода, расплавление шихты и последующий нагрев до заданной температуры, непрерывный раздельный выпуск шлака во второй агрегат, а металла в изложницы, в отличие от ближайшего аналога в первый агрегат подают уголь и металлическую добавку в количестве, обеспечивающем восстановление фосфора до содержания его в шлаке менее 0,02%, при этом расход металлической добавки определяют по зависимости: где g_руд - количество марганцевой руды, кг; (Р)_р и (Р)_шл - содержание фосфора в руде и шлаке соответственно, %; Lp - коэффициент распределения фосфора; g_шл.1 - количество образующегося шлака, кг; g_мет.1 - количество восстановленного металла, кг; [Р]_м.д. - содержание фосфора в металлической добавке, %; во второй агрегат, например конвертер для получения ферромарганца дополнительно подают известь для обеспечения основности шлака более 1,5, металлическую добавку и осуществляют обработку шлака смесью кислорода и угля до получения конечного шлака с содержанием оксида марганца менее 9%, осуществляют непрерывный раздельный выпуск шлака и ферромарганца, при этом расход металлической добавки определяется по зависимости:
где g_шл.1 - количество шлака из первого агрегата, кг;
g_шл.2 - количество шлака, образованного во втором агрегате, кг;
g_мет.2 - количество восстановленного ферромарганца во втором агрегате, кг;
(Мn)_шл.1 - содержание марганца в шлаке первого агрегата, %;
[Mn]Fe Mn - содержание марганца в ферромарганце, %;
[Мn]_м.д. - содержание марганца в металлической добавке, %;
LMn - коэффициент распределения марганца,
в третий агрегат, например конвертер, разделенный на две части, для получения низкофосфористого силикомарганца подают шлак из первого агрегата и металлическую добавку, осуществляют обработку шлака смесью кислорода и угля до получения конечного шлака с содержанием оксида марганца менее 12%, осуществляют раздельный выпуск шлака и силикомарганца, при этом расход металлической добавки определяется по зависимости:

где g_шл.1 - количество шлака из первого агрегата, кг;
g_шл.3 - количество шлака, образованного в третьем агрегате, кг;
g_мет.3 - количество восстановленного силикомарганца в третьем агрегате, кг;
(Si)_шл.1 - содержание кремния в шлаке первого агрегата, %;
[Si]Si Mn - содержание кремния в ферромарганце, %;
[Si]_м.д. - содержание кремния в металлической добавке, %.

В предлагаемом способе в качестве источника тепла для плавления шихтовых материалов и достижения заданной температуры расплавов используются энергетические угли. Процессы восстановления осуществляются с помощью бескоксового жидкофазного восстановления непрерывным способом, что создает высокие скорости протекания процессов, повышение производительности и высокую степень извлечения марганца из руды. Кроме того, заявляемый способ не предусматривает предварительной подготовки руды, что значительно снижает себестоимость марганцевых сплавов.

Предлагаемый способ направлен на получение низкофосфористых марганцевых сплавов, причем способ характеризуется высокой степенью извлечения марганца, путем использования марганцевых руд, а не специально подготовленного сырья, а также путем определения расхода металлической добавки по уравнениям, что позволяет, путем регулирования количества металлической фазы, устанавливать степень перехода марганца в металл.

Снижение себестоимости достигается использованием в качестве источника тепла для плавления шихтующих материалов и достижения заданной температуры расплавов энергетических углей, а не кокса, и использованием неподготовленной марганцевой руды, а не агломерата или окатышей.

Процессы восстановления осуществляются с помощью бескоксового жидкофазного восстановления непрерывным способом, что создает высокие скорости протекания процессов, повышение производительности и высокую степень извлечения марганца из руды.

Для получения низкофосфористых марганцевых сплавов необходимо иметь низкофосфористый шлак с содержанием фосфора менее 0,02%. Такой шлак получается в первом агрегате, а заданное содержание фосфора достигается путем определения расхода металлической добавки по зависимости (1), определение расхода металлической добавки на каждой стадии необходимо для регулирования состава и количества получаемых продуктов (марганцевого сплава и шлака), то есть для обеспечения требуемой степени перехода металлов из шлака в металлическую фазу. При этом количество металлической добавки определяется по зависимости (1).

Конечные шлаки должны иметь определенное содержание марганца (менее 9% при получении ферромарганца и менее 12% при получении силикомарганца). Такое содержание обеспечивает высокую степень извлечения марганца из руды в сплав.

Обеспечение основности шлака (соотношение CaO/SiО₂) более 1,5 на второй стадии объясняется необходимостью получения ферромарганца (максимальное восстановление марганца и создание неблагоприятных условий для восстановления кремния).

Заявляемый способ получения низкофосфористых ферромарганца и силикомарганца из бедных марганцевых руд осуществляется следующим образом. Смесь, состоящую из предварительно измельченной марганцевой руды, металлической добавки и угля, загружают в первый агрегат, в который одновременно подают кислород. Агрегат может являться, например, конвертером, который состоит из двух камер - реакционной (подача шихтующих материалов, проведение реакций восстановления) и разделительной, в которой осуществляется разделение металла и шлака и выпуск их в другие агрегаты и изложницы. При этом количество металлической добавки определяют по зависимости (1).

В агрегате устанавливают температуру 1500-1550^oС, при которой часть угля, сгорая в кислороде, обеспечивает последовательный нагрев и расплавление смеси, а другая, оставшаяся часть угля, обеспечивает предварительное восстановление из расплава руды железа около 90%, 5-7% марганца, около 80% фосфора от исходного содержания в руде. Это позволяет получить шлак с содержанием фосфора и марганца 0,02 и 30% соответственно. Заявляемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает снижение затрат на предварительную подготовку руды и энергозатрат за счет использования в процессе менее дорогих, чем электроэнергия и кокс, угля и кислорода.

Получаемый в первом агрегате расплав металла, содержащий около 30% марганца, небольшое количество углерода (около 2%), выпускают из второй части агрегата в изложницы, а шлак подают во второй и третий агрегаты.

Во втором агрегате получают ферромарганец. В шлак первого реактора добавляют металлическую добавку и известь для обеспечения основности более 1,5, производят обработку шлака углем и кислородом в количестве, обеспечивающем содержание марганца в металле более 70% и углерода менее 4% и содержание оксида марганца в конечном шлаке менее 9%, выпуск металла и шлака производится раздельно. При этом количество металлической добавки определяется по зависимости (2).

При этом во втором агрегате обеспечивается снижение энергозатрат за счет использования в качестве топлива угля, кислорода и полученного в первом агрегате шлака, стоимость которых значительно ниже стоимости электроэнергии, кокса и марганцевых концентратов, применяемых при выплавке ферромарганца.

В третьем агрегате получают силикомарганец. В шлак первого агрегата подается металлическая добавка, осуществляется обработка шлака смесью угля и кислорода, обеспечивающие содержание в металле марганца более 70%, кремния более 15% и фосфора менее 0,02%, а содержание оксида марганца в шлаке не более 12%. Выпуск металла и шлака производится раздельно. При этом, количество металлической добавки определяется по уравнению (3).

При этом в третьем агрегате обеспечивается снижение энергозатрат за счет использования в качестве топлива угля, кислорода и полученного в первом агрегате шлака, стоимость которых значительно ниже стоимости электроэнергии, кокса и марганцевых концентратов, применяемых при выплавке ферромарганца.

Пример.

Произведенные исследования заявляемого способа получения марганцевых сплавов заключались в моделировании процессов каждой стадии в печи сопротивления Таммана. В качестве марганецсодержащей части шихты использовалась марганцевая руда Бахтинского месторождения Челябинской области, восстановитель - уголь, металлической добавкой являлась железная стружка.

В первой серии экспериментов определялась принципиальная возможность получения низкофосфористого ферромарганца с содержанием марганца более 70%. Эксперимент проходил в две стадии - получение низкофосфористого шлака и получение ферромарганца. Для первой стадии определялся расход шихтовых материалов из следующих данных (1): в ходе процесса восстанавливается 5% марганца, 90% железа, ()% фосфора и 2% кремния. При этом количество восстановленного металла будет равно 5 г, низкофосфористого шлака 75 г при исходном количестве марганцевой руды 100 г. Коэффициент распределения фосфора был принят по данным (1)Lp=0,004. Расход металлической добавки определялся по уравнению (1)

Количество шихтовых материалов составило: марганцевая руда - 300 г, железная стружка - 14,25 г, уголь - 20 г. Количество образованного металла составило 15,4 г, низкофосфористого шлака - 220 г. Полученные результаты свидетельствуют об адекватности применения формулы (1) для определения расхода металлической добавки с целью получения низкофосфористого шлака с заданным содержанием фосфора.

Для второй стадии определялся расход шихтовых материалов на основе данных [1]: в ходе процесса восстанавливается 75% марганца, 95% железа, 70% фосфора и 1% кремния. При этом количество восстановленного металла будет равно 25 г, конечного шлака - 140 г, при исходном количестве низкофосфористого шлака 100 г. Коэффициент распределения марганца был принят по данным [1] LMn=0,1. Расход извести составил 80 г, для обеспечения основности конечного шлака 2,5. Расход металлической добавки определялся по уравнению (2)

Количество шихтовых материалов составило: низкофосфористый шлак - 300 г, железная стружка - 23 г, уголь - 6 г. Количество образованного металла составило 72 г, конечного шлака - 410 г. Полученные результаты свидетельствуют об адекватности применения формулы (2) для определения расхода металлической добавки с целью получения низкофосфористого ферромарганца с заданным содержанием марганца.

Во второй серии экспериментов определялась принципиальная возможность получения низкофосфористого силикомарганца с содержанием кремния более 15% и марганца более 60%. Эксперимент проходил в две стадии - получение низкофосфористого шлака и получение силикомарганца. Первая стадия осуществлялась аналогично моделированию первой стадии получения ферромарганца.

Для второй стадии определялся расход шихтовых материалов на основе данных [1] : в ходе процесса восстанавливается 75% марганца, 95% железа, 80% фосфора и 40% кремния. При этом количество восстановленного металла будет равно 30 г, конечного шлака 60 г. Коэффициент распределения кремния был принят по данным [1] Lsi=1,3. Расход металлической добавки определялся по уравнению (3)

Количество шихтовых материалов составило: низкофосфористый шлак - 300 г, железная стружка - 14,5 г, уголь - 40 г. Количество образованного металла составило 89,3 г, конечного шлака - 175 г. Полученные результаты свидетельствуют об адекватности применения формулы (3) для определения расхода металлической добавки с целью получения низкофосфористого ферромарганца с заданным содержанием марганца.

Источники информации
1. Теория и технология производства ферросплавов: Учебник для вузов / Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. М.: Металлургия, 1988. - 784 с.

2. Толстогузов Н.В. Теоретические основы и технология плавки кремнистых и марганцевых сплавов. -М.: Металлургия, 1992. - 239 с.

3. Авторское свидетельство 1765232 (ССР) С 22 С 33/04. Способ производства ферросплавов. Капланов Г.И., Воронов В.А., Коваль А.В.

Формула изобретения

Способ получения низкофосфористых ферромарганца и силикомарганца из бедных марганцевых руд по крайней мере в двух последовательно расположенных агрегатах, включающих в себя непрерывную загрузку в первый агрегат шихты, состоящей из марганцевой руды, угля, металлической добавки, подачу кислорода, расплавление шихты и последующий нагрев до заданной температуры, непрерывный раздельный выпуск шлака во второй агрегат и металла в изложницы, отличающийся тем, что в первый агрегат подают уголь и металлическую добавку в количестве, обеспечивающем восстановление фосфора до содержания его в шлаке менее 0,02%, при этом расход металлической добавки g_м.д.1 определяют по следующей зависимости:

где g_руд. - количество марганцевой руды, кг;
(Р)р и (Р)шл. - содержание фосфора в руде и шлаке соответственно, %;
Lр - коэффициент распределения фосфора;
g_шл.1 - количество образующегося шлака, кг;
g_мет.1 - количество восстановленного металла, кг;
[Р]_м.д. - содержание фосфора в металлической добавке, %,
во второй агрегат для получения ферромарганца дополнительно подают известь для обеспечения основности шлака более 1,5 и металлическую добавку, осуществляют обработку шлака смесью кислорода и угля до получения конечного шлака с содержанием оксида марганца менее 9%, осуществляют раздельный выпуск шлака и ферромарганца, при этом расход металлической добавки g_м.д.2 определяют по следующей зависимости:

где g_шл.1 - количество шлака из первого агрегата, кг;
g_шл.2 - количество шлака, образованного во втором агрегате, кг;
g_мет.2 - количество восстановленного металла во втором агрегате, кг;
(Mn)_шл.1 - содержание марганца в шлаке первого агрегата, %;
[Mn]FeMn - содержание марганца в ферромарганце, %;
[Mn]_м.д. - содержание марганца в металлической добавке, %;
L Mn - коэффициент распределения марганца;
(Mn)_р - содержание марганца в руде, %,
в третий агрегат для получения силикомарганца подают шлак из первого агрегата и металлическую добавку, обрабатывают шлак смесью кислорода и угля до получения конечного шлака с содержанием оксида марганца менее 12%, осуществляют раздельный выпуск шлака и силикомарганца, при этом расход металлической добавки g_м.д.3 определяют по следующей зависимости:

где g_шл.1 - количество шлака из первого агрегата, кг;
g_шл.3 - количество шлака, образованного в третьем агрегате, кг;
g_мет.3 - количество восстановленного металла в третьем агрегате, кг;
(Si)_шл.1 - содержание кремния в шлаке первого агрегата, %;
[Si]SiMn - содержание кремния в ферромарганце, %;
[Si]_м.д. - содержание кремния в металлической добавке, %;
L_Si - коэффициент распределения кремния.