Способ производства металлического марганца

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству металлического марганца в две ступени. В способе металлический марганец получают из всей массы полученного передельного бесфосфористого марганцевого шлака при восстановлении закиси марганца и оксида кремния в шлаке металлическим восстановителем. Причем начинают восстанавливать закись марганца подаваемым в шлак алюминием, а заканчивают - кремнием, который восстанавливают из оксидов кремния в шлаке алюминием параллельно с восстановлением закиси марганца. При этом получают отвальный шлак, содержащий в основном оксиды алюминия и кремния. Изобретение позволяет осуществлять процесс получения металлического марганца в два этапа, улучшить экологическую обстановку за счет использования металлических восстановителей, которые сокращают в несколько раз выброс газов в атмосферу, а также сократить срок окупаемости плавильного оборудования до двух лет. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к производству металлического марганца.

Для нужд черной металлургии чаще используют не металлический марганец, а ферромарганец, или силикомарганец, причем ферромарганец получают или высокоуглеродистым, или среднеуглеродистым, или малоуглеродистым, а силикомарганец или с содержанием кремния 17-20%, или с содержанием кремния до 30% [1, с.566-577].

Высокоуглеродистый ферромарганец чаще получают в доменных печах из шихты, содержащей подготовленную марганцевую руду (дробленую, обезвоженную, агломерированную и т.д.), а средне- и малоуглеродистые ферромарганцы и силикомарганец получают из передельного бесфосфористого марганцевого шлака чаще всего в электропечах.

Предельный бесфосфористый марганцевый шлак получают из подготовленной аналогичной шихты, но при этом производят еще попутно металл, содержащий железо, марганец, фосфор и углерод, в количестве 7-10% от производимого шлака.

При получении попутного металла, средне- и малоуглеродистого ферросилициев и силикомарганца в качестве восстановителя оксидов используют углеродистый восстановитель. Если же требуется металлический марганец, то его получают из бесфосфористого марганцевого шлака, но в качестве восстановителя марганца из закиси марганца используют силикомарганец с содержанием кремния до 30% [1, с.579-581].

Для производства металлического марганца по известному способу применяют три агрегата. В первом выплавляют передельный бесфосфористый марганцевый шлак и попутный металл, во втором - силикомарганец с высоким содержанием кремния и в третьем - металлический марганец.

Процесс включает подготовку марганцевой руды к плавке, плавку подготовленной руды в составе порции шихты на попутный металл, содержащий железо, марганец, фосфор и углерод, и на передельный бесфосфористый марганцевый шлак, содержащий в основном закись марганца и оксид кремния, отделение передельного бесфосфористого марганцевого шлака от попутного металла, получение силикомарганца из одной части передельного бесфосфористого марганцевого шлака за счет восстановления закиси марганца и оксида кремния углеродистым восстановителем, получение металлического марганца из второй части передельного бесфосфористого марганцевого шлака за счет восстановления закиси марганца кремнием силикомарганца, полученного из первой части передельного бесфосфористого марганцевого шлака, удаление из плавильного агрегата товарного металлического марганца и отвального шлака, содержащего оксид кремния, часть невосстановленного оксида марганца и другие невосстановленные оксиды, которые могут быть в незначительном количестве в передельном бесфосфористом марганцевом шлаке. Сквозной коэффициент извлечения марганца (по трем переделам) составляет около 60%, сквозной расход электроэнергии - около 9300 кВт·ч [1, с.581].

Наиболее же близким аналогом заявляемого изобретения является способ получения металлического марганца, включающий подготовку марганцевой руды к плавке, плавку подготовленной руды в составе порции шихты на попутный металл, содержащий железо, марганец, фосфор и углерод, и на передельный бесфосфористый марганцевый шлак, содержащий в основном закись марганца и оксид кремния, отделение передельного марганцевого шлака от попутного металла, получение металлического марганца из передельного бесфосфористого марганцевого шлака за счет восстановления закиси марганца, удаление из плавильного агрегата металлического марганца и отвального шлака [2, с.282-284].

Недостатком как при производстве разных сортов ферромарганца и силикомарганца, так и при производстве металлического марганца является то, что имеет место низкое извлечение марганца из марганцевых руд: при производстве сред неуглеродистого ферромарганца, например, 61%; при производстве силикомарганца - 69-71%; при производстве металлического марганца - 60%. Большой расход электроэнергии, в частности, потому, что в процессе задалживаютcя три плавильных агрегата, причем высокой стоимости.

Технический результат предлагаемого способа заключается в значительном сокращении затрат на изготовление технологического оборудования для производства металлического марганца, снижении расхода энергии, улучшении экологической обстановки, уменьшении срока окупаемости задалживаемого плавильного оборудования.

Предлагается способ производства металлического марганца, включающий подготовку марганцевой руды к плавке, плавку подготовленной руды в составе порции шихты на попутный металл, содержащий железо, марганец, фосфор и углерод, и на передельный бесфосфористый марганцевый шлак, содержащий в основном закись марганца и оксид кремния, отделение передельного бесфосфористого марганцевого шлака от попутного металла, получение металлического марганца из передельного бесфосфористого марганцевого шлака за счет восстановления закиси марганца восстановителем, удаление из плавильного агрегата металлического марганца и отвального шлака, отличающийся тем, что металлический марганец получают из всей массы полученного передельного бесфосфористого марганцевого шлака при восстановлении закиси марганца и оксида кремния в шлаке металлическим восстановителем, причем начинают восстанавливать закись марганца подаваемым в шлак алюминием, а заканчивают - кремнием, который восстанавливают из оксидов кремния в шлаке алюминием параллельно с восстановлением закиси марганца, при этом одновременно получают отвальный шлак, содержащий в основном оксиды алюминия и кремния.

Возможно осуществление предлагаемого способа в следующих случаях.

1. Закись марганца начинают восстанавливать кремнием, когда количество закиси марганца соответствует количеству восстановленного кремния, при этом подачу алюминия на восстановление оксидов прекращают.

2. В отвальный шлак, полученный одновременно с металлическим марганцем, вводят добавку оксида кремния в количестве, обеспечивающем содержание оксида кремния по отношению к оксиду алюминия в шлаке не менее 30%.

3. В качестве добавки вводят кианитовую руду, содержащую до 80% SiО₂, остальное - кианит, в котором примерно 30% SiО₂ и 70% Al₂O₃.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что закись марганца и оксид кремния из всей массы полученного передельного бесфосфористого марганцевого шлака, после отделения от него попутного металла, восстанавливают только металлическим восстановителем, причем начинают восстанавливать закись марганца алюминием, а закачивают - кремнием, который восстанавливают из оксидов кремния в шлаке параллельно с восстановлением закиси марганца, одновременно с товарным металлическим марганцем получают шлак, содержащий в основном оксиды алюминия и кремния.

Кремнием закись марганца начинают восстанавливать тогда, когда закиси марганца в шлаке останется соответственно количеству восстановленного кремния, причем с началом восстановления закиси марганца кремнием подачу алюминия на восстановление оксидов прекращают.

В получаемый одновременно с товарным марганцем шлак рекомендуется вводить добавку из оксида кремния в таком количестве, чтобы содержанием оксида кремния но отношению к оксиду алюминия было в шлаке не менее 30%, причем эта добавка может состоять из кианитовой руды, содержащей до 80% SiO₂, а остальные 20% - кианит, в котором примерно 30% SiO₂ и 70% Аl₂O₃.

Рекомендация восстанавливать оксиды из передельного бесфосфористого марганцевого шлака только металлическим восстановителем, причем из всей массы этого шлака, позволяет вести процесс производства металлического марганца не в три ступени, а в две и задалживать не три плавильных агрегата, а два. Исключается ступень процесса, при которой из передельного бесфосфористого марганцевого шлака получают силикомарганец, кремнием которого далее (на третьей ступени) восстанавливают закись марганца.

По предлагаемому способу на восстановление марганца из закиси вводится более сильный металлический восстановитель - алюминий, который в шлаке восстанавливает не только закись марганца, но и имеющийся в шлаке оксид кремния. Получаемый кремний становится, однако, способным восстанавливать закись марганца, когда прекратится подача в шлак алюминия. Окисленный кремний снова уходит в шлаковую фазу и присоединяется там к оксиду алюминия, который образовался, когда алюминий восстанавливал закись марганца и оксид кремния.

Фактически расход алюминия будет соответствовать количеству восстановленной из шлака закиси марганца, причем независимо от того, кто восстанавливал эту закись - алюминий или кремний. Следует заметить, что шихта, в которой содержится подготовленная марганцевая руда, имеет сравнительно низкую температуру плавления (порядка 1150°С). В связи с этим попутный металл целесообразно выплавлять с образованием марганцовистого высокофосфористого чугуна, содержащего 3,5-4,5% С. Такой чугун (практически углеродистый ферромарганец с высоким содержанием фосфора) имеет температуру плавления порядка 1250°С. Температура плавления получаемого в первом агрегате передельного бесфосфористого марганцевого шлака лежит в пределах 1300-1350°С. Таким образом, если температура расплава и агрегате для производства попутного металла будет порядка 1400°С, то в этих условиях подаваемая на плавку шихта с подготовленной марганцевой рудой и заданным количеством углерода, необходимого для восстановления оксидов из расплава, будет расплавляться, и после расплавления углерод будет восстанавливать в ней, в основном, оксиды железа, фосфора и марганца. Причем часть оксидов марганца восстановится до металлического марганца, который сплавится с попутным металлом, а другая часть оксидов марганца восстановится до закиси марганца, которая останется в передельном бесфосфористом марганцевом шлаке и потребует при последующем восстановлении меньшего количества дорогого металлического восстановителя - алюминия. Оксид кремния при указанной температуре восстанавливаться не будет и останется в передельном бесфосфористом марганцевом шлаке, что желательно.

Рекомендуемое восстановление оксидов марганца и кремния металлическим восстановителем в передельном бесфосфористом марганцевом шлаке должно осуществляться при температуре этого шлака больше 1500°С. Повышение температуры необходимо и почему, что с вводом в шлак оксида алюминия (Аl₂O₃) температура плавления шлака повышается и к концу восстановления закиси марганца и образования отвального шлака эта температура должна быть порядка 1700-1800°С. Поскольку восстановление оксидов в передельном бесфосфористом марганцевом шлаке осуществляется сначала алюминием, а затем кремнием и сопровождается выделением тепла, т.к. реакции восстановления носят экзотермический характер, и поскольку во второй агрегат передельный бесфосфористый марганцевый шлак из первого агрегата может передаваться в жидком состоянии и при температуре 1300-1400°С, то дополнительно тепла на ведение процесса не потребуется.

На разогрев одной тонны шлака с 1400 до 1800°С потребуется порядка 160 кВт·ч энергии.

Проведенные расчеты показывают, что восстановление металлов из оксидов шлака алюминием сопровождается выделением такого количества тепла, что его хватает на нагрев шлака, на компенсацию тепловых потерь в плавильном агрегате, на плавку и нагрев добавки, содержащей оксид кремния, если такая добавка потребуется.

Рекомендация вводить в получаемый, практически, отвальный шлак добавку оксида кремния в таком количестве, чтобы его было не менее 30% по отношению к оксиду алюминия, позволяет, при необходимости, осуществлять переработку шлака на Al-Si сплав, не опасаясь того, что при этом будет получаться нежелательный карбид алюминия, т.к. восстановленного кремния будет достаточно, чтобы связать весь восстановленный алюминий в сплав.

В примере плавки шихты, в которой содержится подготовленная марганцевая руда, используем руду Парнокского месторождения, которую фирма “ФОМАЛЬГАУТ” предлагает по цене 112 долл. за тонну [3, с.44] (Парнокское месторождение находится в Республике Коми, фирма “ФОМАЛЬГАУТ” размещается в г. Челябинск).

Подготовленная к продаже марганцевая руда Парнокского месторождения содержит 40% марганца. В каждой тонне этой руды, следовательно, содержится 400 кг марганца. Принимаются следующие условия переработки шихты, содержащей подготовленную марганцевую руду:

1. После расплавления в составе шихты одной тонны руды и полного восстановления из расплава углеродистым восстановителем железа и фосфора в попутный металл уйдет 10% марганца, а в передельный бесфосфористый марганцевый шлак - 85% [см. 1, с.580]. Извлечение марганца составит 95%.

2. При переработке передельного бесфосфористого марганцевого шлака на металлический марганец извлечение марганца принимается 89%, т.е. таким, каким оно имеет место при выплавке передельного силикомарганца с содержанием кремния до 30% [см. 1, с.580].

3. Передельный бесфосфористый марганцевый шлак на извлечение из него металлического марганца передается во второй плавильный агрегат в жидком состоянии.

Если в одной тонне подготовленной марганцевой руды будет 400 кг марганца, то согласно принятым условиям 40 кг марганца уйдет в попутный металл, а из оставшихся в передельном шлаке 360 кг марганца в металлический марганец уйдет 360•0,89 - 320,4 кг.

Чтобы получить 320 кг марганца, надо из передельного бесфосфористого марганцевого шлака восстановить примерно 420 кг закиси марганца, при этом алюминий должен забрать из шлака примерно 95 кг кислорода, на что потребуется израсходовать порядка 110 кг алюминия.

В 2002 г. цена металлического марганца, например, марки Мn-95 по ГОСТ 6008-90 - 1595 долл. за тонну [4, с.54]. Цена алюминия - не выше 1500 долл. за тонну.

За 320 кг марганца можно получить - 0,32·1595=510,4 долл.

На 110 кг алюминия и тонну марганцевой руды надо затратить 0,11·1500+112=277,0 долл. Разница 233,4 долл., и это при получении 320 кг металлического марганца. Разница на 1 тонну марганца составит порядка 730 долл.

Если все другие затраты и отчисления определить в 50%, то прибыль при производстве тонны марганца составит порядка 365 долл.

В примере не учитывается возможная прибыль от реализации попутного металла. Однако нет сомнения в том, что производство попутного металла будет прибыльным, т.к. в составе этого металла содержится не меньше 60% марганца.

Прибыль, отнесенная к одной тонне подготовленной марганцевой руды, составит порядка 120 долл.

Если в первом и втором плавильных агрегатах будет перерабатываться до 10 тонн марганцевой руды в час, что вполне реально, то в год (работу агрегатов примем 80% от календарного времени) ее может быть переработано порядка 70 тыс. тонн. Годовая прибыль составит порядка 8,4 млн. долл. Такой прибыли предположительно хватит, чтобы изготовить два разработанных плавильных агрегата, схемы которых представлены и публикациях [5, 6].

Таким образом, технический результат от применения предлагаемого способа заключается в следующем.

1. Способ позволяет не менее чем на 30% сократить затраты средств на изготовление технологического оборудования для производства металлического марганца.

2. Не менее чем в два раза снижается и расход энергии на проводимый процесс производства металлического марганца из-за того, что, во-первых, процесс осуществляется в два, а не в три этапа и из-за того, что, во-вторых, на втором этапе процесса происходят реакции не с поглощением, а с выделением тепла.

3. При производстве металлического марганца значительно улучшается экологическая обстановка, поскольку в несколько раз сокращается выброс газа в атмосферу из-за того, что основная часть реакции по восстановлению оксидов в расплаве происходит без выделения газа, т.к. восстанавливаются оксиды металлическими восстановителями.

4. Резко уменьшается срок окупаемости задалживаемого плавильного оборудования. Вместо традиционной для черной металлургии окупаемости 5-8 лет, при реализации предлагаемого способа окупаемость затрат на плавильное оборудование не превысит двух лет. При необходимости наращивать выпуск продукции затраты на рост выпуска будут производиться за счет прибыли от ранее сооруженных плавильных агрегатов.

Источники информации

1. Еднирал Ф.П. Электрометаллургия стали и ферросплавов. М.: Металлиздат, 1963, с.640.

2. Гасик М.И. и др. Теория и технология производства ферросплавов. М.: Металлургия, 1988, с.282-284.

3. Приложение “Спрос и предложение” к журналу “Уральский рынок металлов”, №3, 2002.

4. Приложение “Спрос и предложение” к журналу “Уральский рынок металлов”, №7, 2002.

5. Патент Российской Федерации №2172456. Агрегат для внепечной обработки металлического и шлакового расплавов /Коршунов Е.А., Лисиенко В.Г., Сарапулов Ф.Н., Буркин С.П., Кащеев И.Д., Арагилян О.А., Логинов Ю.Н. МКИ F 27 D 11/06, F 27 В 14/00, С 21 С 7/00, заявл. 23.12.1999, опубл. 20.08.2001. БИ №23.

6. Коршунов Н.А., Тарасов А.Г. Новые аспекты в металлургической практике. Ж. “Уральский рынок металлов”, №3, 2002, с.48-49. г. Екатеринбург.

Формула изобретения

1. Способ производства металлического марганца, включающий подготовку марганцевой руды к плавке, плавку подготовленной руды в составе порции шихты на попутный металл, содержащий железо, марганец, фосфор и углерод, и на передельный бесфосфористый марганцевый шлак, содержащий в основном закись марганца и оксид кремния, отделение передельного бесфосфористого марганцевого шлака от попутного металла, получение металлического марганца из передельного бесфосфористого марганцевого шлака за счет восстановления закиси марганца восстановителем, удаление из плавильного агрегата металлического марганца и отвального шлака, отличающийся тем, что металлический марганец получают из всей массы полученного передельного бесфосфористого марганцевого шлака при восстановлении закиси марганца и оксида кремния в шлаке металлическим восстановителем, причем начинают восстанавливать закись марганца подаваемым в шлак алюминием, а заканчивают кремнием, который восстанавливают из оксидов кремния в шлаке алюминием параллельно с восстановлением закиси марганца, при этом одновременно получают отвальный шлак, содержащий в основном оксиды алюминия и кремния.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что закись марганца начинают восстанавливать кремнием, когда количество закиси марганца соответствует количеству восстановленного кремния, при этом подачу алюминия на восстановление оксидов прекращают.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в отвальный шлак, полученный одновременно с металлическим марганцем, вводят добавку оксида кремния в количестве, обеспечивающем содержание оксида кремния по отношению к оксиду алюминия в шлаке не менее 30%.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве добавки используют кианитовую руду, содержащую до 80% оксида кремния, остальное - кианит, в котором 30% оксида кремния и 70% оксида алюминия.