способ выплавки углеродистого ферромарганца

Формула изобретения

1. Способ выплавки углеродистого ферромарганца, включающий загрузку в плавильный агрегат шихты, состоящей из марганецсодержащего сырья, флюса, углеродистого восстановителя, восстановительную плавку, выпуск шлака и ферромарганца из печи, отличающийся тем, что в качестве плавильного агрегата используют тигельную индукционную печь с шахтной надставкой, загружают шихту фракционным размером 0-5 мм, при этом шихту фракцией 0-1,6 мм в количестве 50% от общей массы шихты дополнительно окусковывают или пакетируют, а перед загрузкой в плавильный агрегат шихту смешивают в следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углеродистый восстановитель	11,8-15,9
Флюсы	7,9-14,0
Марганецсодержащее сырье	Остальное

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что добавка флюса в шихту обеспечивает отношение (CaO+MgO)/SiO₂ в конечном шлаке равным 1,35-1,80 и содержание Al₂O ₃ 8-20% в шлаке перед присадкой в него алюминия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед выпуском шлака в него присаживают алюминий, в количестве, обеспечивающим получение содержания Al₂O₃ в конечном шлаке 13,0-30,0%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве ферросплавов, в частности при производстве углеродистого ферромарганца.

Известен способ получения лигатуры методом алюминотермии (авт.св. SU №1713964, МКИ: С 22 С 33/04, 1992 г.), включающий загрузку в электропечь шихты, состоящей из марганецсодержащих, кремнийсодержащих материалов, флюсовых добавок, проплавление, восстановление алюминием и выпуск расплава, шихту совместно с алюминием загружают в тигель индукционной печи, предварительно нагретый до 900°С, а после проплавления шихты расплав выдерживают в тигле в течение 5-10 мин при 1400-1450°С.

Недостатками данного способа является использование дорогостоящего восстановителя - алюминия и получение сплава с низким содержанием марганца.

Известен способ выплавки ферромарганца в индукционной печи (авт.св. СССР №521340, МКИ: С 22 С 33/04, 1976 г.), включающий предварительную выплавку передельного силикомарганца в руднотермической электропечи, заливку силикомарганца в индукционную печь, нагрев расплава до 1550 -1600°С и последующие присадки смеси марганцевой руды и извести.

Недостатками указанного способа являются сложность (двухстадийность), вследствие этого высокая энергоемкость процесса и потери марганца в улет (испарение) 6-10%, при производстве передельного силикомарганца.

Известен способ выплавки марганцевых сплавов углеродотермическим восстановлением марганца, железа и других элементов из руды и добавок, содержащих эти элементы в окисной форме (авт.св. СССР №443102, МКИ: С 22 С 33/00, С 22 С 7/06, 1974 г.), когда в конце плавки поднимают один, два или более электродов и в образовавшиеся подэлектродные полости вводят смесь кремнийсодержащих материалов и флюсов.

Недостатком данного способа является получение сплава с высоким содержанием кремния порядка 18% и потери марганца в улет 3-10%.

Известен способ, принятый за прототип, выплавки углеродистого ферромарганца в рудовосстановительной печи флюсовым способом (Гасик М.И., Лякишев Н.П. Теория и технология электрометаллургии ферросплавов. - М.: СП Интермет Инжиниринг, 1999 г., стр.353-356), включающий загрузку в плавильный агрегат шихты, состоящей из марганцевого сырья, углеродистого восстановителя, флюса, восстановительную плавку, выпуск шлака и ферромарганца из печи.

Недостатками данного способа являются низкое извлечение марганца в сплав (до 80%), обусловленное улетом марганца (11-20%) и его потерями с отвальным шлаком (более 13%), а также невысокая скорость процесса, связанная с большим размером шихтовых материалов (5-150 мм).

Задачей изобретения является повышение степени извлечения марганца в сплав путем уменьшения его потерь с отвальным шлаком и улетом.

Указанная задача достигается тем, что в способе выплавки углеродистого ферромарганца, включающем загрузку в плавильный агрегат шихты, состоящей из марганцевого сырья, флюса, углеродистого восстановителя, восстановительную плавку, выпуск шлака и ферромарганца из печи, согласно изобретению в качестве плавильного агрегата используют тигельную индукционную печь с шахтной надставкой, при этом шихту загружают фракционным размером 0-5 мм, а шихту фракцией 0-1,6 мм дополнительно окусковывают или пакетируют и ее количество не должно превышать 50% от общей массы шихты, причем перед загрузкой в печь шихту смешивают в следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углеродистый восстановитель	11,8-15,9
Флюсы	7,9-14,0
Марганецсодержащее сырье	Остальное.

Кроме того, добавки флюсов обеспечивают отношение (СаО+MgO)/SiO ₂ в конечном шлаке, равное 1,35-1,80, и содержание Al ₂О₃ в шлаке перед присадкой Al в количестве 8-20%.

Кроме того, перед выпуском шлака в него присаживают алюминий в количестве, обеспечивающем получение содержания Al₂О₃ в конечном шлаке 13,0-30,0%.

Использование для выплавки ферромарганца индукционной печи с шахтной надставкой позволяет снизить улет марганца с 11-20% (по прототипу) до 0,5-1,8%.

Предварительное смешение компонентов шихты перед загрузкой в печь позволяет увеличить скорость и полноту протекания восстановительных процессов.

Использование материалов, размер фракций которых более 5 мм, в данном процессе нецелесообразно из-за снижения производительности печи, т.к. увеличение фракционного размера шихтовых материалов приводит к уменьшению площади реакционной поверхности, вследствие чего восстановительные процессы сильно замедляются и возрастает продолжительность плавки.

Применение материалов фракцией меньше 1,6 мм приводит к выбросам их из печи. Окомкование или пакетирование материалов с размером фракций меньше 1,6 мм предотвращает выбросы. С увеличением доли "мелочи" в шихте (шихтовые материалы размер фракций которых <1,6 мм) от 0 до 50% возрастает степень извлечения марганца в сплав, это происходит из-за увеличения площади реакционной поверхности шихтовых материалов, вследствие чего возрастает скорость и полнота протекания восстановительных процессов. Последующее увеличение доли "мелочи" в шихте приводит к снижению степени извлечения марганца из-за увеличивающихся выбросов шихты, фракцией менее 1,6 мм из печи. При использовании в качестве восстановителя как антрацита, так и угля марки Ж степень извлечения марганца возрастает на промежутке от 0 до 50% "мелочи" в шихте, а на промежутке от 50 до 100% "мелочи" в шихте степень извлечения марганца снижается.

Повышение основности шлака ((СаО+MgO)/SiO₂) до 1,35-1,8 приводит к облегчению восстановления марганца в сплав вследствие повышения активности MnO в шлаке, но повышение основности конечного шлака выше 1,80 приводит к чрезмерной его вязкости, из-за чего затормаживается процесс восстановления марганца из шлака и затрудняется выпуск шлака из печи. При основности конечного шлака менее 1,35 степень извлечения марганца в сплав снижается вследствие недостаточной активности MnO в шлаке.

Присадка флюсов, содержащих оксиды алюминия, улучшает жидкотекучесть шлака, повышает активность MnO в шлаке, что приводит к улучшению условий перехода марганца из шлака в металл. При отсутствии этих присадок шлак содержит 4,5-5,5% Al₂О₃, при этом он густой, малореакционноспособный и последующее восстановление марганца из него будет затруднено. Поэтому повышение содержания Al₂О₃ в шлаке, перед присадкой в него Al, до 8%, позволяет повысить реакционную способность шлака, повышение содержания Al₂О ₃ выше 20% нецелесообразно, т.к. ведет к увеличению кратности шлака и снижению производительности печи.

Присадка Al в шлак позволяет повысить степень извлечения марганца. По результатам опытных плавок видно, что оптимальное содержание Al ₂О₃ в конечном шлаке составляет 13-30%. При содержании в конечном шлаке менее 13% Al₂ О₃ снижается степень извлечения марганца в сплав и производительность печи. Повышение содержания Al ₂О₃ в конечном шлаке до 30% приводит к максимальному извлечению марганца. Дальнейшее повышение содержания Al₂О₃ не приводит к возрастанию степени извлечения марганца в сплав.

Способ поясняется следующими фигурами: на фиг.1 показана индукционная печь. На фиг.2 представлена зависимость площади реакционной поверхности шихтовых материалов от размера их фракций (данные приведены для сосуда объемом 5 дм³, цифры у точек показывают площадь реакционной поверхности шихтовых материалов). На фиг.3 показана зависимость степени извлечения марганца от количества мелочи в шихте для разных восстановителей ( - уголь марки Ж, - антрацит). На фиг.4 показана зависимость степени извлечения марганца от основности шлака ((СаО+MgO)/SiO₂ ). На фиг.5 показана зависимость степени извлечения марганца от содержания в конечном шлаке Al₂О ₃.

Способ осуществляется следующим образом.

В разогретый до 800-1600°С графитовый тигель индукционной печи 1, со съемной шахтной надставкой 2, загружают предварительно смешанную шихту фракцией 0-5 мм, шихту фракций 0-1,6 мм подают в печь пакетированной, причем ее количество не должно превышать 50% от общей массы шихты. Размер шахтной надставки выбирают таким образом, чтобы ее объем был в 2-2,5 раза больше объема тигля. Состав загружаемой шихты (мас.%): углеродистый восстановитель 11,8-15,9; флюс 7,9-14,0; марганецсодержащее сырье - остальное. После завершения протекания восстановительных процессов и образования жидкоподвижного шлака в него осуществляют присадку Al. Затем после выдержки в течение 2-3 мин производят выпуск металла и сплава.

Пример осуществления предлагаемого способа.

Подготовка шихтовых материалов к плавке.

Шихтовые материалы (марганецсодержащее сырье, флюс, углеродистый восстановитель) дробились до фракционного размера 0-5 мм и рассеивались по фракциям 0-1,6 и 1,6-5 мм. Затем осуществлялось раздельное смешивание шихтовых материалов выделенных фракций, причем шихтовые материалы фракцией 0-1,6 мм пакетировались.

Плавка. В индукционную тигельную печь ИСТ-016, с шахтной надставкой, загружалась смесь шихтовых материалов фракцией 0-5 мм, состоящая из 200 кг марганцевой руды, 29,8 кг антрацита, 20 кг извести, 1,5 кг боксита. Шихтовые материалы, размер фракций которых был менее 1,6 мм, подавались в печь пакетированными, причем их количество не превышало 50% от общей массы шихты. Химический состав шихтовых материалов приведен в таблице 1. После образования жидкоподвижного шлака в него присадили 5,1 кг алюминия, затем после выдержки в течение 2 мин произвели слив сплава и шлака. В результате плавки продолжительностью 35 мин было получено 102,6 кг сплава и 59,6 кг шлака.

Таблица 1 Химический состав шихтовых материалов
Материалы	Содержание элементов, %
	MnO 2	MnO	SiO 2	Al2O 3	CaO	MgO	P2O5	Fe2O 3	S	влага	С	зола	выход летучих	CO2	SO3	TiO2	Na 2O	K2O
Марганцевая руда	58,0	10.7	8.8	2.18	2,18	1,0	0,09	8,57	0,01	8,47
Антрацит									1,0		91,2	4,8	3,0
Зола антрацита			28,2	15,0	7,85	3,95	0,15	33,9							7,7	0,7	1,31	1,28
Известь			1,0	1,0	92,0	2,0				1,0				3,0
Боксит			9,81	61.3	2,33		0,08	2,31	0,1	ост.				2,7

Химический состав сплава и шлака приведен в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 Химический состав сплава
	Содержание элементов, %
	Mn	Si	С	S	P	Fe
Сплав	81.7	0.82	5.91	0.012	0.064	остальное

Таблица 3 Химический состав шлака
	Содержание элементов, %
	MnO	Al2O3	CaO	MgO	SiO2
Шлак	9,78	26,41	32,04	4,12	25,5

Анализ данных показывает, что при реализации данного способа можно повысить степень извлечения марганца с 80% (по прототипу) до 93,23%, а при более полном восстановлении марганца из шлака и до 97%, при этом можно использовать марганцевую руду с более низким содержанием марганца, чем в способе, принятом за прототип. Ввиду того что для заявляемого способа пригоден любой твердый углеродистый восстановитель, исключается потребность в дорогостоящем металлургическом коксе.

Таким образом, показано, что по предлагаемому способу можно выплавлять углеродистый ферромарганец с высокой степенью извлечения марганца (93-97%).