yandex.metrica
Металлургия марганца

Восстановительные процессы в системе ферромарганец — основной шлак

Промышленное производство высокоуглеродистого ферромарганца в доменных и электрических печах с закрытой дугой, как правило, оптимизируется по экономическому показателю — себестоимости ферромарганца при соблюдении установленных многолетней практикой расходных коэффициентов сырья и электроэнергии. Однако решение экономических задач производства сплавов марганца основывается на резервах термодинамических факторов: температуре, основности шлака, составе сплава и др. В этой связи представляют практический интерес анализ равновесия в системе сплав — шлак применительно к выплавке высокоуглеродистого ферромарганца. Из числа первых работ, выполненных в 30-х годах, следует отметить исследования акад. А. М. Самарина, который показал, что с повышением температуры и основности шлака потери марганца с отвальными шлаками снижаются и особенно заметно до основности 1,4-1,6. Свыше этой основности полезное извлечение марганца в ферромарганец снижалось из-за роста потерь марганца в оксидной форме со шлаком, кратность которого при этом увеличивается. В 1956 г. Е. Туркдоган  опубликовал результаты анализа данных обработки промышленных плавок выплавки ферромарганца в доменной печи. Целью его анализа было установление связи основности и характера распределения марганца между сплавом и шлаком. Им было показано, что содержание MnO в шлаке определяется реакцией 2 (MnO) + [Si] = 2 [Mn] + (SiO2), на равновесие которой влияет основность шлака. В ряде работ влияние этих факторов получило термодинамическое обоснование с использованием разработанных физико-химических моделей для расчета и учета активности компонентов шлаковых и металлических расплавов. В одной из работ этого направления изучено равновесие металл — шлак при производстве высокоуглеродистого ферромарганца. Автор исследовал термодинамические факторы получения сплава системы Fe — Mn — Si — Cнас, насыщенного углеродом, при условии минимального содержания марганца в шлаке и полного контроля концентрации кремния в сплаве.

Опытные шлаки системы СаО — MgO — Al2O3 — SiO2 содержали от 10 до 20 % MnO. Плавки проводили в графитовых тиглях при 1450—1500 °С. При повышении температуры от 1723 до 1873 К парциальное давление кислорода, замеренное зондом Oxytip, возрастало от 8,62 • 10-18 до 3,80×10-17 МПа, а величина рсо — от 0,073
до 0,088 МПа. Константа (характеристика) равновесия реакции

2 (MnO) + [Si] → 2 [Mn] + (SiO2)

описывается зависимостью

lg k’ = 3,524 — 1,423 B ,

где В — индекс основности шлака [(CaO) + (MgO)]/(SiO2).

При повышении основности шлака от 1,0 до 1,8 содержание кремния в ферромарганце снижается, а марганца повышается. Замена части СаО на MgO приводит к росту содержания кремния в шлаке. Значению В = 1,8 соответствует минимальное содержание MnO в шлаке. Равновесие [Si] — (MnO) при выплавке высокоуглеродистого ферромарганца изучал В. Д. Ранкин. Получена зависимость α2MnSi в сплаве и α2MnOSiO2 в шлаках. Подтверждено, что равновесное содержание MnO в шлаке уменьшается при повышении концентрации CaO, MgO и Al2O3, причем наибольшее влияние оказывает CaO и наименьшее — Al2O3. Выявлена связь между содержанием (MnO) и суммой оксидов CaO, MgO и Al2O3 в шлаке, и эта сумма должна рассчитываться по уравнению

(MeO) = (CaO) + 0,8 (MgO) + 0,5 (Al2O3).

Сравнение данных лабораторных исследований и промышленной выплавки ферромарганца привело автора работы к выводу, что на практике равновесие реакции

2 (MnO) + [Si] = 2 [Mn] + (SiO2)

обычно не достигается. Влияние основности на равновесие этой реакции изучено в конце 60-х годов применительно к силикотермическому процессу выплавки металлического марганца. Обработкой данных химических анализов состава шлака и содержания кремния в марганце выявлена зависимость характеристики равновесия реакций:

формула

где В = f (CaO)/(SiO2).

Зависимость, выражающая влияние обоих факторов [Si] и (СаО)/(SiO2) на характеристику равновесия, имеет вид

формула

Эти зависимости графически иллюстрируются рис. 11.1.

Зависимость kMn,Si от основности шлака (CaO)/(Si02)

Медленный рост kMn,Si на первом участке объясняется сравнительно малой активностью (MnO) в шлаках низкой основности. Дальнейшее повышение основности шлака резко повышает αMnO. Оптимальное значение kMn,Si достигается при максимально возможном высоком значении αMnO и, что следует учитывать, αSi в металле.