ВУ ферромарганец коммерчески производится при помощи углетермического восстановления марганцевых руд, в основном, в электродуговых печах с погруженной дугой (ЭППД). Печи, построенные в последнее время, имеют мощность 75-90 мВ/А. Конечный продукт обычно содержит около 78% Mn и 7% C, а шлак 40% MnO (метод с повышенным содержанием MnO). Часть металла очищается до НУ и СУ ферромарганца.

Электропечи, используемые для производства марганцевых сплавов имеют круглую форму, в них 3 электрода, каждый из которых подсоединен к отдельной электрической фазе. Электроды погружены в шихту, ток проходит под нижним торцом электрода, в результате чего электроэнергия конвертируется в тепло. Произведенный металл и шлак выпускаются одновременно либо через одну летку, либо через разные, расположенные на расстоянии 0.5-1.0 м.

Выпуск марганцевого сплава из печи на заводе Тинфос

На современных предприятиях различные сырьевые материалы отвешиваются исходя из хим анализа руд, флюсов и углеродистых реагентов, а также в зависимости от того, каким должен быть состав конечных продуктов – металла и шлака. Сырьевая смесь транспортируется к бункерам, расположенным над печью, откуда она поступает в печь по желобам под действием собственного веса.

Кокс является самым распространенным восстановителем руды, а в качестве флюсов используют известняк и доломит. Эти флюсы добавляются для придания шлаку необходимых химических свойств, температуры плавления, и вязкости чтобы обеспечить эффективную работу печи и высокий выход марганца. Марганцевые руды сильно различаются по содержащимся в них марганцу, железу, кремнию, алюминию, извести, окиси магния и фосфору. Важным является соотношение количества марганца к железу. Обычным является использование смесей марганцевых руд, например для получения соотношения 7:1 марганца/железо в металле с 78% содержанием марганца. Независимые производители из стран-импортеров руды имеют значительный опыт смешивания различных типов руд для получения продукта с заданными свойствами с наименьшими затратами. На тонну металла приходится около 500-1000 кг шлака.

Одной из вредных примесей в марганцевой руде является фосфор. Присутствие фосфора является очень серьезной проблемой, поскольку при плавке фосфор переходит в сплав, а не в шлак. В теории существует несколько методов удаления фосфора как в процессе подготовки руды, так и из готового продукта. Дефосфоризация жидкого ферромарганца существенно увеличивает себестоимость продукта, а так как регенерация марганца весьма низка, то этот метод считается экономически нецелесообразным. Сера не представляет проблему, поскольку она выходит вместе со шлаком.

Давно было известно, что низкосортные марганцевые руды с высоким содержанием железа можно обогатить путем плавки руды при низком содержании углерода, что приводит к почти полному восстановлению железа до металлического состояния, а марганец переходит в шлак в виде оксида. Например, руда, содержащая 25% Mn и 33% Fe может быть переплавлена в чугун с содержанием марганца 1-2% и шлак с 52% MnO и 1-2% FeO. Параметры плавки должны строго контролироваться, в особенности в отношении фиксированного углерода, в противном случае чугун будет содержать неприемлимо высокое количество марганца. Важно заметить, что практически весь фосфор перейдет в чугун, а шлак, который в дальнейшем будет использоваться в FeMn производстве, останется без фосфора. В дальнейшем этот шлак можно смешивать с низкосортной рудой, чтобы достичь соотношения Mn/Fe 7:1, что позволит произвести стандартный 78% марганцевый сплав. Этот процесс предполагает двойную плавку, а также наличие отвода чугуна. Шлак, богатый марганцем, может быть также использован для производства металлического 97% марганца при помощи кремния или алюминия в качестве восстановителей. В прошлом кремниевовосстановительный метод использовался для производства марганца. Сейчас этот метод не используется по экономическим причинам, в основном, из-за низкой себестоимости электролитического марганца. Внутренняя часть печи разделена на предвосстановительный участок и участок с коксовой колошей. По мере того, как сырье продвигается вниз на предвосстановительный участок, высшие оксиды марганца проходят предварительное восстановление в твердом состоянии до Mn3O4 и затем до MnO посредством CO, образовавшегося в воронке. Объем одновременно протекающей реакции Будуарда (CO2 + C = 2CO) влияет на потребление углерода и электроэнергии.

Предварительный нагрев и восстановление шихты можно осуществить во вращающейся сушилке вне плавильной печи, как это продемонстрировано на примере Танабе (1968). В этом случае газ, насыщенный СО из плавильной печи используется для нагрева вращающейся сушилки.

Предварительно нагретый и предвосстановленный материал подается в печь. Потребление электроэнергии сокращается, но предвосстановительный процесс также требует расхода электроэнергии, то есть общий расход электроэнергии остается практически на одном уровне. В отличие от производства железа, при производстве ферромарганца не используются разделенные процессы предвосстановления в связи с высокой себестоимостью.

После дальнейшего нагрева предвосстановленная руда и добавленные флюсы начинают плавиться при температуре от 1250°C до 1300°C. Под ней находится перманентная зона коксовой колоши. Совместное плавление руды и флюсов и восстановление MnO, расстворенного в шлаке, происходит в зоне коксовой колоши. Флюсовые добавки известняка и доломита обеспечивают необходимое количество CaO и MgO в шлаке. Металл накапливается в нижней части печи, откуда он отводится вместе со шлаком.

Коксовая колоша находится приблизительно на уровне нижнего торца электродов. Она представляет из себя перманентный коксовый резервуар. Относительное количество кокса в шихте определяет уменьшается ли колоша, увеличивается или остается перманентной. В дополнение к своим восстановительным функциям, она является нагревательным элементом через который протекает электрический ток и вырабатывается энергия электросопротивления. Электрические свойства коксовой колоши очень важны, поскольку они определяют распределение энергии и температуры. Они также определяют производительность, качество продукта и стабильность работы печи.

Основными требованиями, предъявляемыми к работе печи в производстве ферромарганца являются:

  • Стабильная работа при высокой загрузке
  • Снижение потребления кокса и электроэнергии
  • Производство металла и шлака требуемого состава
  • Обеспечение высокого выхода марганца
  • Снижение выброса парниковых газов и вредных веществ

Оптимальной работой ферромарганцевой печи считается такая, при которой потребление электроэнергии низко, а печь стабильно функционирует при высокой нагрузке. В то время как расход электроэнергии, в основном, определяется реакциями в предвосстановительной зоне, стабильность работы определяется размерами коксовой колоши и реакциями происходящими в этой зоне. Управление расходом углерода является важнейшей задачей оператора электропечи, вне зависимости от того производится ли ферромарганец, либо силикомарганец или другой сплав. Печь должна получать и перерабатывать одно и тоже количество углерода и это количество должно быть в точности таким, какое требуется для восстановительного процесса. В нормальных условия имеется тенденция к появлению разницы между количеством подаваемого и перерабатываемого углерода, т.е. недококсование или перекоксование, что должно своевременно корректироваться.

Смещенный углеродный баланс приводит к неправильному позиционированию электродов и сбоя в распределении тепла между шихтой и зоной реакции, что, в конечном итоге, приводит к ухудшению параметров работы печи и уменьшению выхода металла.

Если смесь руды и флюсов произведена неправильно, это легко определить путем анализа металла и шлака, и затем оперативно исправить. Однако, если количество углерода не соответствует требованиям, то это не так легко определить. Даже проведя качественный хим анализ и взвешивание сырья, можно легко ошибиться на 1-2% при добавке углерода. В 40 МВт ферромарганцевой печи производящей 400 тонн высокоуглеродистого FeMn в день с расходом 330 кг кокса на тонну сплава, добавляется до 132 тонн кокса каждый день.

При погрешности 2%, печь может быть недококсована или перекоксована на 2.6 тонны в день. После 2 недель перекоксовки в печи образуется буфер из 35 тонн кокса. Таким образом, даже при правильном определении количества всех компонентов, необходимо следить за количеством кокса в процессе.

Влияние на выбор руды оказывает цена и доступность сырья. Обычно для достижения нужных параметров металла и шлака смешивают несколько видов руд. Например, содержание Fe и P в металле определяется и контролируется смесью руд, поскольку оксиды железа и нежелательные оксиды фосфора легко раскисляются. Важной категорией также является основность шлака, поскольку она влияет на плавкость и количество невосстановленного MnO в шлаке. Основными параметрами, которые определяют распределение марганца между металлом и шлаком являются: температура процесса, хим состав шлака и давление CO. При производстве ВУ FeMn в электропечах давление СО составляет порядка 1 атмосферы, в то время как в домне давление составляет около 0.35 атмосферы при нормальном дутье.

В таблице 4.1 представлены производственные параметры 3 реальных заводов А, В и С, производящих ВУ ферромарганец в 30 МВт печах. Основной разницей является выбор основности шлака. Заводы А и В работают по методике с высоким содержанием MnO и производят стандартный ВУ ферромарганец и шлаки с 40% содержанием MnO. Завод А работает при средне-низкой основности шлака, Завод В при очень низкой основности, поскольку используются только кислые руды без флюсов. Завод С использует методику отработанного шлака с очень высокой основностью шлака.

Средние показатели на заводах, выпускающих ВУ FeM в дуговых электропечах

Состав сырья на Заводе А показан в таблице 4.2. Это смесь 4 различных марганцевых руд. Для контроля основности шлака в качестве флюса добавляется небольшое количество доломита.

Состав сырья при производстве ВУ ферромарганца на Заводе А.

На заводе В используется смесь из крупнокусковой руды Комилог и спеченных тонких фракций той же руды (источник: Tangstad et al. 2004). Также добавляется небольшое количество брикетов. Печь продемонстрировала очень хорошие параметры работы: непрерывность (98.9%), низкий расход электродов (6.6 кг/т сплава) и низкое потребление углерода (306 кг/т сплава).

Электропотребление было низким, а эффективность высокой поскольку:

  • Использовалась высококислая марганцевая руда
  • Было осуществлено эффективное предвосстановление

Конечное отношение шлак/металл низко, поскольку использовалась руда с высоким содержанием Mn. Несмотря на низкую основность шлака был получен хороший выход Mn в связи с низким содержанием в шлаке MnO. Считается, что это происходит в связи с использованием шлака с высоким содержанием глинозема, что приводит к увеличению температуры процесса. Содержание Si в металле на Заводе В было высоким (0.8%) в связи с очень низкой основностью шлака (кислотный шлак).