yandex.metrica
Металлургия марганца

Обработка сплава после выпуска

Выпуск и разделение металла и шлака

Выпуск как ферромарганца, так и силикомарганца осуществляется в прерывистом режиме, обычно это происходит каждые 2-3 часа, объемы составляют 30-50 и 10-30 тонн соответственно. Оба процесса дают большое количество шлака, обычно 600-800кг и 1000-1500 кг на тонну FeMn и SiMn соответственно. Шлак и металл должны подвергаться сепарации и одним из методов, в особенности это касается печей большого размера, является использование раздельных леток для шлака и металла. Если геометрически все расчитано правильно, то это решение работает нормально, но поскольку раздление происходит внутри печи, то некоторое смешивание этих двух потоков неизбежно. Чаще же всего как FeMn так и SiMn выпускаются вместе со шлаком из одной и той же летки и в дальнейшем разделяются либо при помощи сифона, установленного в изложнице, либо при помощи каскадной сепарации (см рис 4.4) Оба метода используют различие между плотностью шлака и плотностью металла. Сифон выставляется таким образом, чтобы направить движение металла и шлака в разные стороны. В каскадной сепарации ковш для металла и шлаковики ставятся друг за другом таким образом, чтобы поток, двигающийся из печи, перемещался последовательно из одного контейнера в следующий. Разделение происходит, поскольку металл остается в ковше, а шлак движется дальше в шлаковики. В конце выпуска часть шлака остается в ковше. Этот шлак удаляется путем наклона ковша и механического удаления (вручную или
автоматически).

Методы сепарации шлака и металла

Температура металла при выпуске отражает температуру внутри печи. Обычно температура FeMn шлака при выходе из печи составляет 1400-1500°C, а для SiMn шлака – 1550-1650°C (при 19% содержании кремния). Температура металла ниже примерно на 50°C для обоих процессов. Температура ликвидуса при которой металл начинает затвердевать находится в диапазоне 1200-1300°C. Таким образом, для FeMn температурный интервал между выпуском и моментом затвердевания составляет около 100°C, чего едва хватает для предотвращения образования наростов (настылей) на стенках ковша. Напротив для SiMn такай диапазон превышает 300°C, однако это скорее представляет недостаток, чем достоинство. В первую очередь, по тому, что разливка при такой высокой температуре приводит к медленному затвердению, что, в свою очередь, может сказаться на физической прочности металла. Во вторых, поскольку растворимость углерода находится в сильной зависимости от температуры, при высокой температуре металл содержит больше углерода, чем он может удержать при температуре ликвидуса. Таким образом, во время стадии охлаждения и затвердевания значительное количество карбидов будет откладываться в верхней части расплава. Если это происходит, карбиды остаются в расплаве при литье и конечный металл будет сильно зейгирован в местах отложения карбидов. Карбиды представляют наибольшую проблему если содержание кремния приближается к 20%. Если в сплавах кремния меньше 18%, то карбиды не образуются.

Образование карбидов сильно уменьшает растворимость углерода при высоком содержании кремния. Этот эффект используется для призводства низкоуглеродистого SiMn путем добавления металлического FeSi к стандартному SiMn находящемуся в ковше (рис 4.1). В результате химической реакции кремний и углерод взаимодействуют друг с другом и образуют карбид кремния (SiC), эта реакция возможна при высоком содержании кремния и уменьшении растворимости углерода.

схема дуплекс-процесса производства FeMn и SiMn

 

В связи с более низкой плотностью карбида в сравнении с металлом, частицы всплывают на поверхность расплава, где они могут быть поглощены шлаковым слоем и в дальнейшем удалены из ковша.

Существует два способа получения низкоуглеродистого SiMn путем введения кремниевых добавок: если это происходит внутри печи, то это может повлиять на стабильность ее работы, а при добавке вне печи увеличивается расход FeSi в связи с потерями SiC в шлаке. Таким образом, оптимальным является комбинирование обоих методов.

В связи с присутствием коксовой колоши в печи, выпускаемый металл всегда насыщен углеродом. В случае необходимости получения низкоуглеродистого и среднеуглеродистого ферромарганца необходимый уровень углерода достигается следующими способами способами: ранее единственным методом был углетермический, однако в настоящее время для получения НУ и СУ FeMn используют Метод Кислородной Очиски (MOR). Этот метод был позаимствован из сталелитейного производства, где он используется для декарбонизации стали.

Используя этот метод, ВУ FeMn помещается в специальный реактор, где подвергается сильной продувке кислородом через кислородное копье или фурмы, расположенные в днище, что напоминает аналогичный процесс в стальном конвертере. Происходит химическая реакция между углеродом, содержащимся в металле и кислородом, в результате чего образуется моноксид углерода (CO), реакция усиливается при росте температуры. Окончательная температура очень высока (= 1700°C at 1.3% C), что приводит к значительной потере марганца в виде марганцевых паров и износу огнеупорного слоя. Извлечение марганца при помощи этого метода составляет 85-90%.

Литье, дробление, грохочение и гранулирование

Разливка происходит либо через сливной носок ковша (фото 4.5 и рис 4.6), либо через нижний литник (рис. 4.6). Первый способ обеспечивает быстрый, но трудноконтроллируемый разлив, все что находится в ковше переходит в металл и образует нежелательные включения в виде шлака и карбидов. Этим способом можно разлить весь металл сразу, либо произвести несколько разливов с перерывами. Напротив, донный разлив протекает медленно, литники могут быть оборудованы различными дросселями. Шлак и карбиды остаются в ковше, так как, обладая более низкой плотностью, они перемещаются в его верхнюю часть. Недостатком является более высокая стоимость оборудования и периодические сложности с открытием литника.

сливной носок ковша

Традиционными методами литья металла являются многослойное литье и литье в песочные формы (примечание переводчика: если исходить из информации, содержащейся в нашей спец. литературе, песочные формы почти не упоминаются, в основном речь идет о чугунных изложницах). Многослойный метод используется для разливки ВУ FeMn и СУ SiMn стандартного качества, песочные формы для рафинированного СУ и НУ FeMn и НУ SiMn. Эти методы не требуют использования дорогого оборудования, они обеспечивают долгосрочную работу без сбоев.

нижний литник

При многослойной разливке жидкий металл нескольких плавок направляется в одну и ту же изложницу, новые слои покрывают предыдущие. Мелкие металлические частицы используются в качестве руслового материала. Поскольку отстойник изложницы соответствует объему плавки, то можно добиться одинаковой толщины слоев нужного размера. После наполнения, форма освобождается при помощи колесного погрузчика и подготавливается к новой серии. Этот метод подходит для больших объемов. Этот метод не рекомендуется использовать для рафинированных сплавов если не удается добиться однородности во всех последовательных плавках, поскольку один слой низкого качества испортит всю серию.

Обычно рафинированные продукты разливаются и складируются отдельно, в зависимости от структурного анализа каждой плавки. Для этого метода подходят песочные формы. Они представляют из себя ряд взаимосвязанных форм, которые обычно изготавливают из оливинового песка. Жидкий металл поступает с одного конца. Иногда между первых двух форм устанавливается сифонная сепарация для предотвращения попадания шлака и карбидов. По сравнению с многослойной разливкой, при использовании этого метода трудно контролировать толщину литья, к тому же время охлаждения больше, поскольку песок является хорошим теплоизолятором. После охлаждения металлические блоки вынимаются из форм с помощью крана или колесного погрузчика. Очень важно правильно выбрать время этой операции, поскольку слишком горячий металл «плывет», а слишком холодный крошится. Если между плавкам достаточно времени для выемки и подготовки формы для следующей заливки, то разливка осуществляется по очереди между двумя наборами форм. Этот метод не подходит для больших объемов, поскольку требуется больше места для форм и наличие достаточного количества обслуживающего персонала.

Особое внимание должно уделяться сильно разогретому металлу, например после кислородной очистки (MOR) температура FeMn превышает 1750°C. Необходимость удаления избыточного тепла налагает дополнительные требования к разливочному оборудованию. Кроме того, происходит значительное поверхностное испарение марганца. Если охлаждение производится при помощи металлической крошки, то это приводит к образованию настыля, что, по видимому, вызывается наличием взвешенных оксидов в металле. Также при заливке в песчанные формы к металлу примешивается песок. Другими методами охлаждения являются кокильное литье и охдаждение при помощи ленточного конвейера. Эти методы требуют использования более сложного оборудования, больших капиталовложений и текущих расходов. Кроме этого, оборудование чаще выходит их строя. К преимуществам этих методов относятся быстрое охлаждение, равномерная толщина литья, меньший размер, что положительго сказывается на прочности металла. При кокильном литье используется набор железных форм, обычно 2×2 м. Формы проходят предварительный подогрев, на днище накладывается либо тонкоизмельченное покрытие, либо специальное покрытие на водной основе (предварительно просушенное). Существует два способа заполнения кокилей: либо полное заполнение всех форм, либо постепенное заполнение слоями. После затвердения формы освобождаются либо путем переворачивания, либо с помощью колесного зубчатого погрузчика. Затем формы готовятся к следующему разливу. Время использования кокильных форм ограничено из-за появления трещин, вызванных термическим напряжением и деформации форм под влиянием металлопотока.

Описанные методы литья обеспечивают, в лучшем случае, правильный размер продукта в одном измерении, остальные параметры слишком завышены. То есть, возникает необходимость дробления чтобы подогнать под необходимые для заказчика размеры. Считается, что чем меньше приходится форму редуцировать, тем лучше это для конечного продукта. В зависимости от размера начального продукта используется два типа дробилок. Щековая дробилка пригодна для грубого продукта, который необходимо дробить со всех сторон. Дробилка вторичного дробления, как например конусная дробилка, требуется для более точного дробления. Роликовая дробилка может быть использована в тех случаях, когда продукт уже имеет правильный размер по какому-то параметру. Преимуществом роликовой дробилки является то, что при ее использовании не требуется вторичной дробилки, а также то, что образуется меньше отходов в виде тонких фракций (схема 4.7). Однако для того, чтобы возникла возможность ее применения, необходимо тщательно контролировать процесс литья, чтобы обеспечить необходимую толщину по всей длине продукта.

график

При дроблении неизбежно появление более мелких фракций, которые частично продаются со скидкой. Для марганцевых сплавов предельный размер составляет 10 мм, хотя некоторые покупатели согласны приобретать и до 4 мм, причем по полной цене. Остальные мелкие фракции могут использоваться в качестве руслового материала (прим. переводчика: не нашел ничего похожего ни в нашей ни в зарубежной литературе, доступной через интернет, термин переведен дословно от bed material) или в качестве охладителя в ковше. Также их можно рециркулировать обратно в плавильный процесс. На фото 4.8 показан пример дробленого силикомарганца, прошедшего грохочение.

пример дробленого силикомарганца, прошедшего грохочение
пример дробленого силикомарганца, прошедшего грохочение

В таблице 4.5 представлено распределение по фракциям различных сплавов после дробления. Как видно из таблицы, 22-30% материала идет на переплавку. Эти цифры включают и русловый материал, который в случае с ВУ FeMn и SiMn составляет до 5%, что, соответственно, уменьшает количество тонких фракций, которые идут в переплавку. Поскольку в последнее время существует более высокий спрос на малые фракции, это увеличивает требования к дроблению и при этом возрастает количество мелкого, коммерчески непригодного материала.

Распределение по фракциям после дробления

Несколько лет назад была разработана технология литья ‘net shape casting’ (по заданной форме), после которой дробление не требуется. Для грануляции ферросиликоновых сплавов была разработана технология Gransil® (Грансил). На первый взгляд, принцип очень простой: жидкий металл наливается в воду. Жидкий металл дробиться в воздухе или по мере вхождения в воду, где капли охлаждаются. Затем металл сушат и просеивают, чтобы избежать дальнейшего дробления. На практике не все так просто, поскольку не обходится без происшествий, например случаются взрывы. Тем не менне, над технологией и мерами безопасности продолжают работать, например отработан контроль над количеством металла, входящего в воду (количество воды должно быть достаточным для охлаждения) (источник: Lundstrom & West 1994).

Гранулы Mansil

Тот же метод гранулирования был принят на заводе Elkem ASA для грануляции силикомарганцевого сплава в Сауде, Норвегия. Продукт получил наименование Mansil® (Мансил – см фото 4.9). Гранулы представляют из себя плотные диски диаметром до 30 мм и толщиной до 10 мм, что считается оптимальными размерами для эффективного растворения сплава в жидкой стали (источник: Lee и др. 1995). Механическая прочность этих гранул велика в связи с быстрым затвердеванием, а уровень макрозейгерования ниже, чем при обычных методах литья. Доля тонких фракций при использовании этого метода тоже невелика – до 3%. Однако, следует признать, что в ближайшие годы наиболее распространенными будут традиционные методы.