К.т.н. Толымбекова Л.Б.

Инновационный Евразийский университет, Казахстан

Разработка технологических параметров выплавки ферросиликомарганца с использованием марганцевых окатышей и высокозольных углей

В работе приведены результаты исследований по разработке технологических параметров выплавки ферросиликомарганца с использованием марганцевых окатышей из руды месторождения «Западный Камыс» (Казахстан).

Химические составы исследуемых материалов приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1– Химический состав марганцевой руды Западный Камыс и глины

Материал	Содержание, %
	Mnобщ.	Fe общ.	MgO	CaO	SiO2	Al2O3	P	S	ппп
Марганцевая руда «Западный Камыс»	30,0	5,6	0,6	2,64	28,24	3,36	0,03	0,03	15,0
Глина	-	6,7	1,9	1,5	55,7	15,4	0,09	0,38	13,5

Таблица 2 – Химический состав Борлинского угля и Заринского кокса

Материал	Содержание,%
	А^с	W^р	S	Cтв	Vппп	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	P2O5
Уголь	42	1,06	0,04	32,6	24,3	-	-	-	-	-	-
Зола угля	-	-	-	-	-	59,6	33,7	2,22	0,7	0,5	0,02
Кокс	12,1	0,46	0,18	85,3	1,92	-	-	-	-	-	-
Зола кокса	-	-	-	-	-	49,5	22,8	17,9	5,3	3,48	0,94

В таблице 3 представлены химический и фазовый составы марганцевой руды и смеси 90% руды и 10% глины. Последний рассчитан с использованием математической модели фазовой диаграммы системы FeO-MnO-СaO-Al₂O₃-SiO_2. Плавка руд, имеющих в составе более 50% низкотемпературных фаз, по традиционной технологии (на тридимит-кристаболитовых шлаках) сопровождается образованием легкоплавких шлаков. При этом скорость образования шлаков опережает скорость восстановления ведущих элементов, а температура в реакционной зоне печи снижается, что отрицательно сказывается на технико-экономических показателях и на самом процессе плавки.

Таблица 3 – Химические и фазовые составы марганцевой руды и смеси руды с глиной^*

Материал	Химический состав, %					Фазовый состав, %
	FeО	MnО	CaO	Al2O3	SiO2	CaO×Al2O3×2SiO2	2MnО×SiO2	FeО×SiO2	MnО×SiO2	CaO×SiO2
Марганцевая руда фракции 0-5 мм	9,08	48,28	3,29	4,12	35,23	11,22	64,31	16,66	5,66	2,14
Смесь марганцевой руды фракции 0-5 мм и глины фракции -0-0,315 мм	8,87	44,00	3,16	5,56	38,41	15,14	43,23	16,27	25,09	0,23

*Для проведения расчетов химические составы пересчитаны на 100%

При разработке оптимальных параметров плавки руд месторождения «За-

падный Камыс» следует ориентироваться на волластонит-анортитовые шлаки, формирование которых, как показала практика, позволяет существенно улучшить показатели выплавки марганцевых сплавов из казахстанских легкоплавких марганцевых руд. Преимущество расплавов с повышенным содержанием глинозема связано с тем, что процесс восстановления в этом случае ведется с формированием конечных шлаков, близких по составу к анортиту, содержащих СaO–20,1%, Al₂O₃–36,7, SiO₂–43,2 и имеющих температуру плавления 1550^оС. Однако переход шлаков в анортитовую область сопровождается ростом вязкости в области 1400-1550^оС.

На основании известных данных о положительном влиянии MgO на вязкость, температуру кристаллизации и электропроводность тридимит-волластонит-анортитовых оксидных систем было предложено формировать их в области волластонит-анортит-диопсидовых шлаков за счет увеличения содержания в шихте MgO до 5-10% добавкой доломита.

Для оптимизации шлакового режима в опытных плавках вещественный состав шихты меняли в пределах обеспечения основности шлака по CaO+MgO/SiO₂ от 0,4 до 0,8, содержания оксида алюминия от 10 до 20% и

анортитовой фазы не менее 50%.

В качестве глиноземсодержащего компонента использовали высокозольные

угли Борлинского месторождения Карагандинской области (Казахстан), которые задавали вместо кокса.

С учетом значительного влияния свойств восстановителей на электрический режим плавки и процессы восстановления были экспериментально определены

их основные физико-химические характеристики (таблица 4).

Анализ результатов исследования показал, что борлинские угли по химическому составу и свойствам отвечают требованиям, предъявляемым к восстановителям для электротермического производства ферросплавов. При этом по таким показателям, как удельное электрическое сопротивление, способствующее более полному использованию мощности печи, и реакционная способность, обеспечивающая увеличение скорости процессов восстановления, существенно превосходят традиционные восстановители.

Таблица 4 - Показатели физико-механических свойств восстановителей

Наименование восстановителя	Действительная плотность, г/см^3	Кажущаяся плотность, г/см^3	Пористость, %	Удельное электросопротивление, ом∙см при 20^0С	Реакционная способность, мл/г∙с при 20^0С
Кокс китайский	1,94	0,95	51,0	5,53	1,70
Кокс магнитогорский	1,88	1,05	44,2	4,06	0,65
Полукокс Ленинск-Кузнецкий	1,60	0,99	38,0	9,30∙10^4	8,02
Полукокс ангарский	1,82	0,82	55,0	24,18	9,8
Уголь борлинский	1,68	1,51	10,12	4,37∙10^10	8,61

Опытные плавки по отработке технологии выплавки ферросиликомарганца

с использованием марганцевой руды и опытных марганцевых окатышей проведены на опытной рудно-термической печи мощностью 200 кВА.

В эксперименте испытывали два вида окатышей:

- марганцевые окатыши с добавкой, в качестве связующего, глины (10 %);

- марганцевые окатыши, содержащие в составе шихты 10% глины и дополнительно до 5% коксика.

В состав всех опытных шихт для формирования волластонит-анортит-диопсидовых шлаков, вводили доломит, количество которого задавали из расчета получения 5–10 % MgO в шлаке. Проведены четыре варианта опытных плавок, результаты которых представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Показатели крупно-лабораторных плавок

Показатели	Варианты
	I	II	III	IV
1. Продолжительность процесса, ч	6	6	6	6
2. Расход материалов, кг:	100	-	-	-
Марганцевая руда
Марганцевые окатыши (руда+глина)	-	100	-	-
Марганцевые окатыши (руда+кокс+глина)	-	-	100	100
Доломит	17	13	14	16
Кокс заринский	21	21	11	5
Уголь борлинский	-	-	-	17
3. Получено сплава, кг	33,52	32,93	33,93	35,42
4. Средний химический состав сплава, %	64,42	63,76	64,29	65,89
Mn
Si	17,23	17,21	17,16	18,29
Fe	16,14	16,78	16,30	15,66
C	1,53	1,51	1,58	1,35
S	0,01	0,01	0,01	0,01
P	0,10	0,14	0,13	0,12
5. Средний химический состав шлака, %	15,07	12,53	9,75	6,23
MnO
FeO	0,56	0,54	0,55	0,52
SiO2	44,69	45,58	47,13	46,80
MgO	9,77	9,71	10,08	10,13
Al2O3	11,24	13,93	14,20	18,23
CaO	18,50	17,52	18,10	17,83
6. Получено шлака, кг	37,01	36,51	36,10	39,58
7. Основность (СаО+ MgO /SiO2)	0,63	0,60	0,60	0,60
8. Кратность шлака	1,10	1,11	1,06	1,12
10. Извлечение марганца в среднем, %	75	77	80	83

Опытные плавки, проведенные с использованием марганцевых окатышей, подтвердили их удовлетворительные качественные показатели по механической прочности и термической стойкости. Печь работала со стабильной токовой нагрузкой и с высокими технико-экономическими показателями.

При повышении содержания оксида алюминия в шлаке с 11,24 до 18,23%

содержание оксида марганца в нем снизилось с 15,07 до 6,23%, а степень извлечения марганца выросла до 83%. Степень извлечения кремния во всех вариантах плавки находилась практически на одном уровне (≈38-39%). Полученный сплав соответствовал ферросиликомарганцу марки МнС17.

На основании термодинамически–диаграмного анализа определили, что опытные шлаки по составу располагаются в фазовом пятивершиннике 2MnO•SiO₂-CaO•MgO•2SiO₂-CaO•Al₂O₃•2SiO₂-2MgO•SiO₂-SiO₂. Для данного пентатопа по уравнениям трансформации фазового состава от содержания первичных оксидов с использованием математической модели фазовой диаграммы системы MgO-MnO-СaO-Al₂O₃-SiO₂ были рассчитаны нормативные фазовые составы опытных шлаков по Балансовому методу, разработанному в Химико-металлургическом институте им. Ж. Абишева (Казахстан, г. Караганда).

Таблица 6 – Средний химический и фазовый составы опытных шлаков выплавки ферросиликомарганца^*

Вариант плавки	Химический состав					Фазовый состав
	MnO	SiO2	MgO	Al2O3	CaO	2MnO×SiO2	CaO×MgО×2SiO2	CaO×Al2O3×2SiO2	2MgО×SiO2	SiO2
1	15,18	45,02	9,84	11,32	18,64	21,59	44,96	27,19	2,58	-
2	12,62	45,92	9,78	14,03	17,65	17,95	38,25	38,33	4,65	0,81
3	9,82	47,48	10,16	14,31	18,23	13,96	39,89	39,09	4,78	2,26
4	6,28	47,17	10,21	18,34	18,0	8,93	30,42	50,11	7,94	2,59

*Для проведения расчетов химические составы пересчитаны на 100%

Ввод в базовую шихту глины, высокозольных углей и доломита привело к увеличению содержания оксида алюминия в шлаке с 11,32 до 18,34 % и переместила составы конечных шлаков в рекомендуемую для высококремнистых марганцевых руд область волластонит-анортит-диопсидовых шлаков, содержащих анортитовую фазу более 50% (таблица 6, шлак №4), в которой создаются оптимальные термодинамические и кинетические условия восстановления марганца и кремния. Заданное количество глинозема обеспечило образование шлака анортитового состава с содержанием остаточного кремнезема менее 3%, исключив образование геленита, присутствие которого ведет к образованию коротких тугоплавких геленитных шлаков с высокой активностью глинозема. Переход на магнезиальные шлаки при суммарной основности СаО+ MgO/SiO₂ = 0,6 обеспечил стабильный технологический режим во всех вариантах опытных плавок (таблица 5).

Литература:

1. Жучков В.И. Технология марганцевых ферросплавов. Ч. 1. Высокоуглеродистый ферромарганец / В.И. Жучков, Л.А. Смирнов, В.П. Зайко. – Екатеринбург: УрО РАН, 2007. − 414 с.

2. Вегман Е.Ф. Окускование руд и концентратов.– М.: Металлургия, 1976. – 224 с.

3. Святов Б.А. Становление и развитие марганцевой отрасли Казахстана / М.Ж. Толымбеков, С.О. Байсанов. Алматы: Искандер, 2002. − 416 с.

4. Акбердин А.А. Балансовый метод расчета равновесного фазового состава многокомпонентных систем/ А.А. Акбердин // КИМС. – 1995. – № 3. – С. 92.

5. Гасик М.И. Электротермия марганца. – К.: Технiка, 1979. – 167 с.

6. Рысс М.А. Производство ферросплавов. – М.: Металлургия, 1985. – 344 с.