книги из ГПНТБ / Строганов, А. И. Производство стали и ферросплавов учебник для металлургических техникумов

Производство углеродистого ферромарганца. Основное количество углеродистого ферромарганца до последнего времени выплавляли в доменных печах. Однако по мере удешевления электроэнергии, роста стоимости и увеличения дефицита кокса, а также в связи с необ­ ходимостью вовлекать в производство бедные и низкокачественные руды в последние годы неуклонно увеличивается доля углеродистого ферромарганца, выплавляемого в электропечах.

Для выплавки углеродистого ферромарганца используют откры­ тые и в последнее время в большей части закрытые электрические

Рис. 65. Диаграмма состояния системы Mn—Si

печи мощностью до 30 MBA с угольной футеровкой. Печи строят как круглые иногда с вращением ванны, так и прямоугольные, в том числе шестиэлектродные. Плавку ферромарганца ведут при напряжении на электродах 110— 160 В (полезное фазовое напряжение 50—60 В). Повышение напряжения приводит к ухудшению показателей процесса по следующим причинам.

Во-первых, марганец обладает высокой упругостью паров, в связи с чем потери от испарения при нормальных условиях производства достигают 8— 10%, а при неправильном электрическом режиме печи (при недостаточно глубоком погружении электродов в шихту) они могут повышаться до 20% и более.

Во-вторых, температура начала восстановления закиси марганца до карбида (1223° С) и температура начала шлакообразования (1250° С) практически совпадают между собой, что при неблагоприят­ ных условиях, в том числе при перегреве плавильной зоны, приводит к переходу значительной части МпО в шлак. Восстановление же МпО из силиката, находящегося в жидком шлаке, требует значительно больших затрат энергии, чем при восстановлении закиси марганца в твердом состоянии.

Углеродистый ферромарганец производят двумя способами — флюсовым и бесфлюсовым. Последний имеет ряд преимуществ: выше извлечение марганца из руды и производительность печей, ниже со­

191

держание фосфора в рафинированном ферромарганце, поскольку в шихте для его выплавки применяют малофосфористый марганцевый шлак, образующийся при бесфлюсовом способе производства угле­ родистого ферромарганца. Однако из бедных руд углеродистый фер­ ромарганец может быть получен только флюсовым способом, так как эти руды содержат много кремнезема.

В СССР при плавке ферромарганца в электропечах применяют бесфлюсовый метод, шлак от которого используют при выплавке силикомарганца. При выплавке углеродистого ферромарганца выс­ шие окислы марганца практически полностью восстанавливаются окисью углерода при низких температурах. Восстановление закиси

Теоретические температуры начала восстановления по этим реак­ циям равны соответственно 1420 и 1227° С. Следовательно, при вос­ становлении закиси марганца углеродом наибольшее развитие имеет реакция восстановления до карбида, что и определяет высокое содер­ жание углерода в сплаве.

Содержащийся в руде фосфор почти полностью восстанавливается углеродом, марганцем или карбидами марганца. Восстановительные условия процесса и малая растворимость сернистого марганца (MnS) в сплаве способствуют удалению серы, и ее содержание в ферромар­ ганце обычно не превышает 0,04%.

Восстановление кремния затруднено из-за того, что весь кремне­ зем шлака связан в силикат марганца и из-за низких температур в горне печи при выплавке углеродистого ферромарганца.

Бесфлюсовый углеродистый ферромарганец плавят непрерывным процессом, загружая шихту по мере ее проплавления; технологиче­ ская схема процесса приведена на рис. 66.

Нормальный ход печи характеризуется наличием постоянного конуса шихты (высота 300 мм) вокруг электродов, что способствует равномерному выделению по всей поверхности колошника газов, глубокой и устойчивой посадке электродов в шихте (1200— 1500 мм)

исходу шихты без обвалов.

Вслучае работы печи с недостатком восстановителя сплав полу­ чается с низким содержанием кремния и высоким содержанием фос­ фора, посадка электродов излишне глубокая, нагрузка на электро­ дах неустойчивая, повышаются потери марганца в шлаке (нормально в шлаке содержится 37—41% Мп), печь снижает производительность

повышается удельный расход электроэнергии.

В случае работы печи с избытком восстановителя увеличиваются тепловые потери, так как посадка электродов становится мелкой и возрастают улет марганца и содержание кремния в сплаве.

Выпуск шлака и сплава производят одновременно 5—-6 раз в смену

вфутерованный шамотным кирпичом или в стальной ошлакованный

впредыдущем выпуске ковш; сплав остается в ковше, а шлак перели-

192

вают через сливной носок в чугунные изложницы. Сплав разливают в изложницы или на разливочной машине конвейерного типа. Для полного отделения шлака от металла используют промежуточную

подвергают дроблению и используют в качестве сырья при производ­ стве силикомарганца. Возможна грануляция шлаков, что значи­ тельно сокращает трудоемкость операций, связанных с уборкой шлака

56% СО, 26% СО2 и 2% 03; его можно успешно использовать при вос­ становительном обжиге руды.

Расход материалов и электроэнергии на производство углероди­ стого ферромарганца бесфлюсовым методом приведены в табл. 30.

Низкофосфористый углеродистый ферромарганец производят дву­ стадийным непрерывным процессом из богатого низкофосфористого шлака.

В последние годы разработан ряд технологических процессов производства углеродистого ферромарганца из низкосортных руд и концентратов, основанных на селективном восстановлении железа и

фосфора из них и последующим получением товарных сплавов мар­ ганца из безжелезистого низкофосфористого шлака. Фосфористый чугун, полученный на первой стадии процесса, перерабатывается про­ дувкой в основном конвертере на сталь.

Использование дешевой бедной руды и получение в качестве побочного продукта стальных слитков обеспечивают высокую эко­ номичность процесса.

Бесфосфористый высокомарганцевый шлак. Высокомарганцови­ стый и низкофосфористый шлак является полупродуктом, предназна­ ченным для выплавки низкофосфористых сплавов марганца и метал­ лического марганца. Для производства металлического марганца шлак должен быть безжелезистым. Выплавка шлака ведется перио­ дическим процессом в наклоняющихся печах мощностью 3 MBA с магнезитовой футеровкой.

Шихту рассчитывают таким образом, чтобы обеспечить в ходе плавки полное восстановление содержащихся в руде железа и фос­ фора и незначительной части марганца. Обычный состав колоши на одну плавку: 12,5 т марганцевой руды фракции 0—80 мм; 0,9— 1,1 т коксовой мелочи; 1,1—1,3 т кварцитовой мелочи; 0,8—1,0 т отвальных шлаков фракции — 80 мм, 4 т силикомарганца (20% Мп и 50%Si) и 0,4 т отходов от чистки сплава и т. п. Марганцевую руду предварительно просушивают до содержания влаги менее 4%.

По мере проплавления шихты в центре или вокруг электродов ее подгребают от стенок печи к электродам. Готовность плавки

194

Фосфор в шлаке находится в основном в каплях фосфористого сплава. Полнота отделения этих капель от шлака определяется физико-химическими свойствами шлака (вязкостью, межфазным натяжением и т. д.). Важно обеспечить условия для более полного отделения капель от шлака.

Шлак выпускают 2—3 раза в смену в стальные нефутерованные ковши и один раз в двое суток в ошлакованный стальной ковш вы­ пускают образующийся попутно железомарганцевый сплав («по­ путный металл») состава: 54—64% Мп; 28—37% Fe; 3,0—6,0% С; 0,5—0,7% Si и 2,5—4,0% Р; этот сплав находит применение при выплавке некоторых сортов стали. Количество его невелико — 50— 70 кг на 1 т шлака.

При выплавке высокомарганцовистого низкофосфористого шлака в него переходит примерно 94% Мп, 10% Fe и 5% Р, а в сплав пере­ ходит около 4% Мп, 90% Fe и 65% Р.

Производство силикомарганца. Силикомарганец используют как полупродукт при производстве рафинированного ферромарганца и металлического марганца (СМн20 и СМн 26), а так же, как ком­ плексный раскислитель и легирующую добавку при выплавке низ­ колегированных сталей (СМн 14, СМн 17 и СМн20).

В СССР силикомарганец получают в одну стадию одновременным восстановлением кремния и марганца из шихты, состоящей из мар­ ганцевой руды, бесфосфористого марганцевого шлака (при выплавке богатого силикомарганца), кварцита и коксика. За рубежом (а ранее и в СССР) в качестве источника марганца в ряде случаев применяют передельный углеродистый ферромарганец, однако такой двуста­ дийный процесс менее экономичен.

Восстановление марганца углеродом при производстве силико­ марганца протекает аналогично тому, как и при выплавке углеро­ дистого ферромарганца; параллельно идет восстановление кремне­ зема. При этом совместное восстановление закиси марганца и крем­ незема при достаточных концентрациях углерода приводит к обра­ зованию силицидов марганца, а не карбидов.

Восстановление образующихся силикатов марганца идет по реак­

Силикомарганец выплавляют непрерывным процессом с закры­ тым колошником в открытых, полузакрытых и закрытых печах со стационарной и вращающейся ванной мощностью до 63 MBA при рабочем напряжении 120—160 В и силе тока на электродах 40— 10 кА.

Шихту загружают в печь равномерно, у электродов поддержи­ вают небольшие конуса (250—300 мм). Глубина посадки электродов в шихте должна составлять 1,2—4,5 м для открытых и 1,7—1,8 м для закрытых печей.

Сплав выпускают 4—5 раз в смену в футерованный или ошлако­ ванный стальной ковш. Разливку сплава производят через проме­

жуточную изложницу с сифоном для окончательного отделения шлака, в чугунные ребристые изложницы или на разливочной ма­ шине. Шлак гранулируют и используют в строительстве.

Кратность шлака составляет 0,65—0,7, состав его примерно следующий: 14—19% Мп; 43,5—46,8% S i02; 6,9—9,0% А1Х>3; 15,5—16,5% СаО и 4,0—5,0% MgO.

При выплавке силикомарганца марки СМн17 в закрытой печи на проплавление колоши шихты также должно расходоваться 900 кВт -ч/т электроэнергии. Температура под сводом не должна

количество выделяющегося газа составляет 1600—2200 м3/ч. Состав его следующий: 70—85% СО; 12—20% С 02, менее 1% 0 2 и менее

8% Н 2.

Силикомарганец марки СМн26, применяемый при производстве металлического марганца, должен содержать минимальное количе­ ство железа, углерода и фосфора. Поэтому выплавку его ведут из бесфосфористого высокомарганцовистого шлака. Шихту рассчиты­ вают из условия следующего распределения элементов между про­ дуктами плавки, %:

Основность шлака принимается равной 0,55.

Выплавку передельного силикомарганца ведут непрерывным про­ цессом с закрытым колошником в печах мощностью 3,0—4,0 MBA. Рабочее напряжение 130—140 В, шихту загружают по мере ее про­ плавления, вокруг электродов поддерживают конус высотой 100— 150 мм.

Выпуск сплава и шлака производят 5 раз в смену в ошлакован­ ный рассыпающимся шлаком стальной ковш. Сплав выдерживают в ковше в течение 40—60 мин, что приводит к уменьшению содержа­ ния углерода в сплаве на 50—80% за счет всплывания частиц кар­ бида кремния. После выдержки и скачивания шлака сплав грану­ лируют. Примерный химический состав отвальных шлаков: 3,2—

Расход материалов и электроэнергии на 1 т базового сплава различных марок силикомарганца и использование марганца при­ ведены в табл. 31.

Производство средне- и малоуглеродистого ферромарганца. Обез­ углероживание углеродистого ферромарганца, содержащего в виде двойных карбидов марганца и железа до 6—7% С, путем рафиниро­ вания его окислами марганцевой руды не получило распространения, так как этот процесс протекает лишь при высоких температурах,

ив этом случае очень велики потери марганца в улет.

Внастоящее время средне- и малоуглеродистый ферромарганец получают восстановлением окислов марганцевой руды и бесфосфо-

196

ристого марганцевого шлака кремнием силикомарганца в присут­ ствии извести, связывающей кремнезем в прочные силикаты.

Плавку ведут в наклоняющихся и вращающихся печах мощностью 2,5—3,5 MBA с магнезитовой футеровкой при рабочем напряжении 130—280 В. Технологическая схема процесса приведена на рис. 67. Процесс выплавки рафинированного ферромарганца периодический и состоит из следующих операций:

1) заправка ванны известью и отходами от разделки сплава;

2)заливка шлака и набор нагрузки;

3)загрузка твердой части шихты;

4)расплавление шихты и доводка расплава;

5)выпуск плавки.

При производстве среднеуглеродистого ферромарганца обычно работают без ввода в шихту бесфосфористого марганцевого шлака. На проплавление 100 кг рудной части шихты (бесфосфористый мар­ ганцевый шлак плюс марганцевая руда) расходуется 100—ПО кВт -ч электроэнергии. Для ускорения рафинирования ванну один-два раза перемешивают сжатым воздухом.

Выпуск сплава и шлака производится в ошлакованный шлаком из предыдущего выпуска стальной ковш одновременно. Сплав раз­ ливают на разливочной машине конвейерного типа или в металличе­ ские изложницы. Шлак (23,6% Мп; 31% S i02; 33% СаО, 2,0% MgO, 2,1% А120 3, 0,8% FeO) разливают в изложницы или на разливочной машине. Технико-экономические показатели производства рафини­ рованного ферромарганца приведены в табл. 32.

Металлический марганец. Существует три способа производства металлического марганца — алюминотермический, электротерми­ ческий и электролитический.

197

Алюминотермический марганец в Советском Союзе в настоящее время не производят, так как даже при выборе особо чистого и бо­ гатого по марганцу сырья сплав получается загрязненным фосфором, алюминием и другими вредными примесями.

В СССР основное количество металлического марганца произво­ дят электротермическим способом в три передела: а) выплавка вы-

Маргонцевая

Рис. 67. Технологическая схема производства рафинированного ферромарганца:

с решеткой; 9 — грохот односитный; 10 — транспортер ленточный; 11 — барабан для сушки

ложница; 26 — разливочная машина; 27— слиток сплава; 28 — камера для вакуумирования сплава; 29 — рольганг; 30 — бункер с трясковым питателем; 31 — очистка сплава; 32 — барабан металлический для упаковки сплава

сокомарганцовистого бесфосфористого шлака; б) выплавка высоко­ кремнистого силикомарганца; в) выплавка металлического мар­ ганца.

Первые два передела были рассмотрены выше. Физико-химические основы третьего передела аналогичны выплавке рафинированного ферромарганца. Плавку ведут во вращающихся и наклоняющихся печах мощностью 2,5—3 MBA с магнезитовой футеровкой. Набор нагрузки и расплавление шихты ведутся на рабочем напряжении 276—320 В, восстановительный период плавки при 254—276 В и про­ грев расплава перед выпуском при 230—254 В.

Выплавку металлического марганца ведут периодическим про-

198

цессом. После выпуска очередной плавки по всей площади подины задают с шихтой около 30—40% силикомарганца и затем заливают 8—10 т шлака. После набора нагрузки на шлак загружают остав­ шуюся часть извести в соответствии с массой залитого шлака. После расплавления шихты и прогрева расплава постепенно загружают остальной силикомарганец в твердом или жидком виде. За 30 мин до конца плавки в целях ускорения рафинирования металла от крем­ ния за счет его перемешивания расплав продувают сжатым воздухом. Окончание плавки определяется расходом электроэнергии (на тонну залитого шлака расходуется 1000—1200 кВт -ч), состоянием ванны

ианализом металла.

Сцелью получения плотного слитка и уменьшения отходов

металла при разделке после слива шлака металл можно вакуумировать в течение 5—10 мин при остаточном давлении 0,3—0,5 МН/м2 (250—400 мм рт. ст.). Затем металл охлаждают в течение 3 ч в ковше и разливают в металлические изложницы. Примерный состав ко­ нечного шлака: 15,1% Мп; 28,8% S i0 2; 46,5% СаО; 1,7% А120 3; 2,8% MgO и 0,3% FeO. Основность шлака 1,5—1,6.

Вольфрам является одним из важнейших легирующих элементов для специальных марок сталей и вводится в сталь в виде ферро­ вольфрама, состав которого приведен в табл. 33.

199

1 ЛО"4 %. Наиболее важными рудными минералами являются воль­ фрамит (Fe, Mn) W 04 и шеелит CaW04. Ферровольфрам выплавляют из вольфрамитового (>60% W 03, 15—17% МпО и 0,05% Р) и шеелитового (>55% W 03, 4,0% МпО и 0,08% Р) концентратов.

В качестве восстановителя при выплавке ферровольфрама исполь­ зуют мелочь пекового кокса, гранулированный ферросилиций (68— 80% Si) и дробленные отходы от выплавки силикокальция, а при металлотермической плавке — первичный алюминий. Железо вводят в виде стружки или мелкой обрези простых углеродистых сталей.

Физико-химические свойства вольфрама. Вольфрам — металл се­ ребристо-белого цвета с температурой плавления 3380° С. Атомная

с кремнием силициды W3Si2 и WSi2, температура плавления их приведена ниже, °С:

Окислы вольфрама W 02 и W 03 относительно непрочные и имеют температуру плавления соответственно 1327 и 1377°С, а окисел W4Ou возгоняется при 800° С. В системе железо — вольфрам имеются два интерметаллических соединения: Fe2W и Fe7W6. Температура плав­ ления промышленных сплавов с 74—77% W составляет около 3000° С, поэтому производство их с выпуском жидкого сплава невозможно.

Технология выплавки ферровольфрама. Вольфрам может быть легко восстановлен из его окислов Al, Si и С, например, по реакции:

нии углеродом в условиях небольшого недостатка восстановителя, содержит менее 1 % С.

При температурах плавки (около 2000° С) возможно восстановле­ ние и переход в значительных количествах в сплав марганца и крем-

200