Производство ферромарганца из бедных и фосфористых руд

  1.Обоснование технологии разделительной доменной плавки    марганцевой руды 

 Руда марганца некоторых месторождений нуждается в обогащении по марганцу и удалении фосфора.Содержание марганца в таких рудах низкое,а фосфора-высокое. Предложен ряд способов для этих операций, но при их применении не обеспечивается конкурентная стоимость марганца.

Многие из этих руд, например, железомарганцевые руды, являются труднообогатимыми, а некоторые вообще не обогащаются существующими способами.

Эффективных способов, в которых бы руда марганца подвергалась операциям обогащения и обессфосфоривания в одном технологическом процессе, не существует.

Между тем, марганец по-прежнему остаётся востребованным для нужд человечества, особенно как ферромарганец для выплавки стали.

Существующие способы обогащения марганцевых руд обеспечивают извлечение в концентрат марганца 50-80%, железа 20-60%. До 30% фосфора остаётся в концентрате. Остальная  часть этих элементов идёт в хвосты и направляется в отвал.

 Из-за больших потерь марганца и железа, недостаточному удалению фосфора,невысокой производительности эти способы следует признать малоэффективными и не способными составить конкуренцию богатой малофосфористой марганцевой руде.

Кроме того, нередко на одном месторождении отдельными гнёздами расположены марганцевые руды различного типа, требующие разных способов обогащения и обесфосфоривания, либо вообще необогатимые.

Нами разрабатывается альтернативный универсальный способ обогащения и обесфосфоривания марганцевых руд с помощью доменной плавки, решающий все указанные проблемы. Этот способ позволяет получать недорогой марганец и увеличить его производство.

Разделение марганца и фосфора достигается путем сохранения основной массы окислов марганца в шлаке, а восстановленный фосфор почти полностью переходит в чугун.

Этот способ не имеет  указанных выше недостатков других способов обогащения и обесфосфоривания и пригоден для  руд любого месторождения марганца. За одну плавку производятся операции обогащения и обесфосфоривания любого типа руды. При этом  получаются низкофосфористый марганцевый шлак и марганцовистый фосфористый чугун типа зеркального.Способ является высокопроизводительным и позволяет значительно увеличить производство марганца.

Попытки освоить этот способ в промышленных условиях ранее предпринимались.Во время Второй Мировой войны в Германии недостаток марганца из-за с отсутствия собственных ресурсов качественного марганцевого сырья обусловил дефицит ферромарганца. В связи были проведены опыты по обогащению бедных и фосфористых марганцевых руд способом доменной плавки [1].

Исследования проводились на рудах месторождений Гейер, Сигерл, Якобени. Первые две руды были малофосфористыми, но содержание марганца было всего 7,2-14,5 %. .Лишь руда Якобени может быть отнесена к относительно богатым по марганцу (30 %), но она содержала много фосфора- 0,32 %.
     Целью этих исследований была разработка технологии двухстадийного способа производства ферромарганца в доменной печи с получением на первой стадии марганцевого малофосфористого шлака, на второй – углеродистого ферромарганца.
     После лабораторных опытов были проведены промышленные испытания, в которых использовались указанные выше руды в сыром и подготовленном виде, никопольские руда и концентрат, а также фриш-шлак от продувки в конвертере зеркального чугуна.
     Опыты проводились в небольшой доменной печи объемом 500 м3. Печь имела диаметр горна 4,5 м и 8 воздушных форм диаметром 217 мм. Технически возможный уровень нагрева дутья составлял 8000С.
     В течение трёх месяцев было проведено 7 опытных плавок марганцевого шлака и 2 опытные плавки по производству из него доменного ферромарганца. Опытные плавки отличались составом шихты.
     На первой стадии были получены доменные шлаки с содержанием марганца 19,5-21,5 %, железа 2,5-3,2 %, фосфора 0,008 – 0,017 %, серы 1,2-1,5 %. Чугун имел состав: марганец 3,1-3,9 %, кремний 0,20-0,70 %, углерод 3,4-3,9 %, фосфор 0,0,087-0,180 %, сера 0,041-0,57 %.
     В опытах 1-3 применялась шихта из руд различного состава и устанавливалось их влияние на ошлакование марганца. Содержание железа в шлаке в трёх опытах было низким. Незначительное содержание гранул металла от 1 до 1,5% находилось только в верхнем жидкотекучем шлаке, а при совместном выпуске металла со шлаком в нижнем шлаке содержалось от 3 до 12% корольков металла.

     Это могло вызываться механическим перемешиванием чугуна и шлака при прохождении через летку. На коротком пути от летки до перевала не происходило полного отделения металла от холодных и вязких шлаков. Чтобы избежать этого, чугунная летка закрывалась при появлении шлака.
     Содержание фосфора в шлаке составляло от 0,018 до 0,047%, что во всех случаях в 10-20 раз ниже, чем в металле. Поэтому по соотношению фосфора к марганцу в шлаке последний пригоден для производства низкофосфористых сортов ферромарганца.

      Извлечение марганца в шлак было достаточно хорошим и составляло 80%. Неблагоприятным было отношение марганца к кремнезему. Вследствие высокого расхода извести и очень большого удельного количества шлака при последующей переработке этого шлака на ферромарганец имело место низкое извлечение марганца и высокий расход кокса.
      Минимальное восстановление марганца в чугун было при низкой основности шлака. Этому способствовал и пониженный нагрев доменной печи, работавшей на легкоплавких шлаках. Из-за низкой основности они были существенно хуже по текучести. Из-за повышенной вязкости шлака в нём содержалось много чугуна, в большей части в виде гранул (гренали).  
      Из полученного в опытах марганцевого шлака в этой же печи был выплавлен углеродистый доменный ферромарганец с содержанием марганца 64,5% и фосфора 0,28%, пригодного для производства стали.
      По результатам проведенных испытаний было сделано заключение о возможности производства ферромарганца двухстадийным способом в доменной печи.Использование      этого способа определяется экономическими факторами, технических препятствий для его применения нет.

2.Лабораторные исследования доменного марганцевого шлака

             Опыты в Германии по выплавке в доменной печи марганцевого шлака показали, что технология доменной плавки имеет особенности, а получаемый марганцевый  шлак обладает  специфическими свойствами, которые нуждаются в изучении.

С этой целью были выполнены соответствующие исследования. Использовалась мытая марганцевая руда одного из месторождений Красноярского края с низким содержанием марганца и высоким – фосфора. Их результаты детально изложены в книге [2].
     Руда содержала марганца 26,0 %, железа 13,5 %, фосфора 0,50 %.Опыты проводились в лабораторной печи Таммана. В качестве восстановителя использовался мелкий кокс.В опытах изменялись задаваемая температура в печи, время выдержки шлаковых расплавов при заданной температуре, их основность. Всего было проведено 10 опытов.
     Осмотр проб и тиглей после опытов показал следующее.В опытах 1-3 разделения металла и шлака в тигле не происходило. Металл в виде мелких корольков был рассредоточен по всему объему шлака, хотя шлак визуально в течение всего эксперимента оценивался как достаточно жидкоподвижный. Шлаки этих опытов были очень кислыми. Значительное количество расплавов, кроме опытов 5 и 6, после слива содержимого оставалось на внутренних стенках тиглей (7,5-16,5%), особенно в опыте 8 –  до 42,7%, что свидетельствует об образовании в шлаке тугоплавких соединений с температурой плавления порядка 13500С.
     Вискозиметрические исследования полученных в опытах марганцовистых шлаков показали следующее.
     Все шлаки характеризуются как легкоплавкие с температурой плавления не выше 11500С. При температурах более 12500С шлаки имели низкую вязкость, не превышающую 0,5 Па×с (5 пуаз), при которой обеспечивается их нормальный выпуск из горна доменной печи По темпу нарастания вязкости с понижением температуры шлаки опытов 1-4, 9 можно отнести к длинным, опытов 5-7, 10 – к коротким.По температурному интервалу затвердевания и температуре горна 13000С требованиям доменной плавки удовлетворяет лишь один шлак опыта 8, который имеет самое низкое содержание марганца (18,7%). Шлаки опытов 2 и 4 также могут быть использованы в доменной плавке, однако в случае похолодания печи могут возникнуть проблемы с выпуском чугуна и шлака.

     Полученные результаты лабораторных исследований свидетельствуют о том, что по своим свойствам доменный марганцевый шлак является специфическим, не имеющим аналогов в практике доменного производства. Проведенные опыты имеют оценочный характер. Необходимы дальнейшие исследования в направлении формирования свойств марганцевых шлаков применительно к конкретным условиям работы доменной печи. 

          3. Определение технических показателей выплавки

    марганецевого шлака в доменной печи

     На основании результатов лабораторных опытов выполнен расчет технических показателей выплавки марганцевого шлака в доменной печи из мытой марганцевой руды Красноярского месторождения.

     По данным этих опытов отношение содержания закиси марганца в шлаке к его содержанию в чугуне (MnО ) : [Mn] принято равным 1,24, аналогичное отношение (P2O5): [P] взято 0,04.
     Из полученных расчетных данных видно, что в разделительной доменной плавке возможно получение из руды с содержанием марганца и фосфора соответственно 26 % и 0,50% передельного марганцевого шлака, где содержание этих элементов находится соответственно на уровне 33 % и 0,035%.
     На одну тонну марганцевого шлака образуется 0,45 т фосфористого марганцовистого чугуна с содержанием марганца и фосфора на уровне 34 и 2% соответственно. Этот сплав может быть использован в производстве стали и специальных сортов чугуна или подвергнут внепечной дефосфорации. 
     Для сравнительной оценки качества полученных в экспериментах марганцевых шлаков, как сырья для производства ферросплавов, выполнено их сопоставление с исходной марганцевой рудой по показателям металлургической ценности, определяющими максимально возможное содержание марганца и фосфора в сплаве. 
     Полученные результаты показывают, что из мытой марганцевой руды Красноярского месторождения возможно получение сплава с содержанием марганца 48,6 % и фосфора 1,87 %,что не отвечает требованиям стандартного ферромарганца.

Как видно из приведённой таблицы ферромарганец, выплавленный из марганцевых шлаков проведённых опытов, полностью отвечает самым высоким требованиям. 
                                                                                                                 Таблица

Расчётное содержание марганца и фосфора в сплаве,%          (по разности до 100% - железо без учёта других примесей)

Эле-мент

 Исходный материал

Руда

                    Марганцевый  шлак опытов

1

2

3

4

5

6

7

8

Mn

Р

48,6

1,87

89,5

0,33

94,9

0,27

93,8

0,33

93,8

0,17

97,7

0,12

97,7

0,12

97,6

0,12

96,7

0,20

     По результатам проведенных исследований и расчетных оценок можно сделать следующее заключение.

     Принципиально возможно пирометаллургическое обогащение и дефосфорация бедных железомарганцевых руд любого типа и состава методом доменной плавки с получением малофосфористого марганцевого шлака. Из него могут быть для получены сплавы марганца высокого качества, а также налажено производство ферромарганца высших марок.

     Разделение марганца и фосфора достигается путем перевода марганца в шлак, а фосфора- в чугун. Технология разделения этих элементов потребует ограничения нагрева доменной печи по нижнему и верхнему пределу. Марганцевые доменные шлаки ожидаются легкоплавкими и короткими. Потребуется разработка специальной технологии доменной плавки, аналогов которой пока нет.
       Для удаления фосфора из марганцовистого чугуна при выпуске его из доменной печи может быть использована разработанная нами установка роторного типа. Установка предназначена для эффективного удаления из жидкого металла вредных примесей в потоке при выпуске его из плавильной печи с целью улучшения качества металла и снижения расхода реагентов.

Она включает трубчатый реактор роторного типа, расходный бункер реагента, брызговик, скиммерное устройство, взвешивающий механизм.Жидкий металл из плавильной печи по желобу поступает в реактор. Туда же подается реагент. Металл в реакторе вращается с расчётной скоростью. Обработанный металл и шлак поступают в брызговик.Затем они стекают в скиммерное  устройство, где происходит их разделение, и далее сливаются в ковши. Подробное описание этой установки находится на этом сайте.

На основе результатов выполненных исследований были сделаны расчёты извлечения и использования ценных элементов  марганцевой руды с обогащением в доменной плавке. Эти расчёты позволяют сделать следующие выводы:

1. Марганец. Извлечение марганца в шлак – 60 % , в чугун – 30 %, всего использование марганца руды составляет 90 %.

2. Железо. Извлечение железа в чугун – 95%, в марганцевый шлак – 3 %. Поскольку железо марганцевого шлака впоследствии войдёт в состав ферромарганца, его следует относить к полезно используемому. Всего использование железа руды составит 98%.

3. Фосфор. Переход фосфора в чугун – 90%, в марганцевый шлак 4%. Степень обесфосфоривания марганцовистого чугуна на установке припечного рафинирования составит 85 %, что приведёт к получению 17 кг/т чугуна фосфора в связанном состоянии. Извлечение фосфора из руды составит 75 %.

         Таким образом, из марганцевой руды используется: марганца - 90 %, железа - 98 %, фосфора -75 %. В отвал направляются, в основном, окислы кремния и алюминия. Железо и марганец используются максимально.

Для получения этих результатов потребуется разработка технологии выплавки марганцевого шлака в доменной печи из бедных и фосфористых руд с учетом его специфических свойств и проведение промышленных испытаний.
     По результатам этих испытаний может быть изучена возможность строительства недорогой мини - доменной печи малого объёма 200-300 м3 на экономически целесообразном отдалении от месторождения железомарганцевых руд. Для этого может быть использована производственная площадка действующего промышленного предприятия, возможно, даже непрофильного для металлургии. 
     Поскольку мини-доменная печь имеет небольшую высоту, в качестве твердого топлива можно использовать кокс и твёрдое топливо с невысокой прочностью.

В настоящее время в мировой металлургии мини - доменные печи современной постройки с наружным охлаждением успешно эксплуатируются в ряде стран для решения локальных проблем.

         В России этот способ производства ферромарганца в наибольшей мере подходит к  таким месторождениям марганца как Усинское месторождение марганца (усинский марганец), Порожинское, Полуночное, Парнокское, другим  месторождениям Приполярного и Полярного Урала.       

         Поскольку из бедной и фосфористой марганцевой руды будут извлекаться железо и марганец, а при возможности и фосфор, её переработка будет весьма прибыльным проектом. Стоимость марганца будет невысокой. Наша компания могла бы принять участие в проведении необходимых недостающих исследований для доменной плавки и выполнить разработку  технологического задания проекта до выплавки марганцевого шлака в доменной печи.

         В стратегическом плане для решения проблемы марганца в России целесообразно в промышленной  зоне города Серова  построить  завод по централизованной переработке марганцевых руд всех месторождений Приполярного и Полярного  Урала по предлагаемому  нами способу с использованием доменной плавки.                                                                

  Литература

 1.Ишебек Пауль, Вильямс Якоб. Кислая плавка марганцовистой железной руды для получения марганцовистого шлака и выплавки из него ферромарганца. // J. Archiv fiir das Eisenhiittenwesen, Heft 1/2. 1952. S 1-15.

2.Гладышев В.И. Марганец в доменном процессе. Екатеринбург:Издательство Чароид, 2005 – 401 с. E-mail: gladvik.32@mail.ru

Наши координаты. Имя сайта: domna32.com ,e-mail: iordan.26@mail.ru ,gladvik.32@mail.ru.