CC BY
1УДК 669.013: 669.054:669.74
к.т.н. Куберский С. В.
(ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР)
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ДУГОВОГО ГЛУБИННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ МАРГАНЦА В ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ РАСПЛАВЫ
Показано влияние химического состава смесей на основе силикомарганцевого шлака на степень извлечения марганца и кремния в металлические расплавы при использовании метода дугового глубинного восстановления. Разработаны технологические рекомендации по оптимизации основности смесей, содержания в них восстановителя, восстанавливаемых и сопутствующих оксидов.
Ключевые слова: оптимизация, химический состав, шлак, силикомарганец, электрическая дуга, восстановление, марганец, кремний, раскисление, легирование, сталь, чугун.
Металлургия и материаловедение
Развитие теории и технологии дугового глубинного восстановления (ДГВ) полезных элементов в железоуглеродистые расплавы позволило сформулировать основные концептуальные положения нового метода эффективной переработки промышленных отходов и вторичных материалов, способствующего значительному ресурсо-и энергосбережению, а также улучшению экологии и защите окружающей среды [1].
Технология ДГВ была реализована для восстановления магния, кальция, марганца, кремния из магнезита, извести, доломита, марганцевой руды, передельного марганцевого шлака, шлама сухих ферросплавных газоочисток и отвального шлака, производства товарного силикомарганца при десульфурации чугуна и раскислении-легировании металла в ковшах небольшой ёмкости (0,16-1,0 т), характерных для литейных предприятий и металлургических микрозаводов.
Наибольший интерес для технологии ДГВ представляют шлаки и шламы, образующиеся на различных этапах производства стали и ферросплавов; относительно бедные по содержанию основного компонента руды, не находящие применения в производстве лигатур; мелкодисперсные фракции сырья, использование которых в производстве ферросплавов ограничено; отработанные огнеупорные материалы, содержащие оксиды легирующих и рафи-
нирующих элементов в количествах, соизмеримых с концентрацией их в промыш-ленно используемых рудах.
В работе [1] подробно рассмотрены особенности извлечения марганца и кремния из шлака от производства силикомарганца. Этот шлак не находит широкого применения в традиционных металлургических технологиях ввиду сложности извлечения из него марганца и кремния, находящихся в виде силикатов. Лишь небольшая часть си-ликомарганцевого шлака используется при производстве ферросплавов и в дорожном строительстве, а основные его объёмы накапливаются в шлаковых отвалах. Поэтому разработка технологий, способствующих эффективной переработке этого техногенного сырья, является актуальной проблемой для современного состояния отечественного металлургического производства.
Одним из актуальных для переработки силикомарганцевого шлака методом ДГВ вопросов, которые не были изучены в ходе предыдущих исследований, является анализ влияния содержания основных компонентов, входящих в состав рудно-восстановительных смесей (РВС), на эффективность процесса и в первую очередь — степень извлечения полезных компонентов.
Поэтому основной задачей настоящих исследований было определение зависимостей между степенью углетермического дугового глубинного восстановления марганца и
Металлургия и материаловедение
кремния в железоуглеродистым расплав и химическим составом РВС на основе шлака от производства товарного силикомарганца.
Исследования осуществляли в лабораторных условиях в ИСТ-0,06 при обработке 20 плавок чугуна и стали массой 27,533,0 кг рудно-восстановительными блоками (РВБ) 050 мм. РВС формировали из сили-комарганцевого шлака, углеродсодержаще-го восстановителя (бой графитовых электродов или кокс) и связки (жидкое стекло или каменноугольный пек). Для повышения основности смеси использовали негашёную известь. Содержание оксидов, составляющих основную долю РВС, изменялось в пределах: МпО — 10-25 %, SiO2 — 2535 %, СаО — 27-42 %, АЬОэ — 1-9 %. Содержание оксидов MgO, FeO, Fe2O3, К20, №20 находилось в узких пределах, и при анализе исследуемых параметров их влияние не учитывалось. Количество восстановителя определялось расчётным путём, исходя из стехиометрически необходимого для восстановления всего марганца и кремния, содержащихся в РВС.
Более полному извлечению марганца способствует повышение его активности в РВС [2]. Учитывая тот факт, что в шлаке силикомарганца марганец присутствует в виде силиката, повышение активности его оксида может быть обеспечено связыванием кремнезёма в более прочные соединения. С этой целью было проанализировано влияние основности РВС на степень извлечения марганца. Основность смеси, включающей шлак силикомарганцевого производства с содержанием СаО 15-16 % и SiO2 45-48 %, изменяли в пределах 0,34-1,6 добавкой в её состав свежеобожжённой извести (СаО>95). Максимальная степень извлечения марганца получена при основности 1,4 (рис. 1), которая несколько ниже значений основности, обеспечивающих полную нейтрализацию кремнезёма оксидом кальция (В=2,0).
Это объясняется тем, что параллельно с марганцем восстанавливается и кремний, вследствие чего основность смеси всё время повышается и может достигать значе-
ний более 2,0-2,5, поэтому начальной основности рудной смеси 1,4 вполне достаточно для эффективного повышения активности оксида марганца и связывания кремнезёма в более прочные силикаты кальция. Кроме того, ввод дополнительного количества извести в смесь негативно сказывается на тепловом балансе обработки и экономической эффективности процесса, а также снижает долю марганца в РВС, что приводит к большему расходу смеси и увеличению времени обработки.
Рисунок 1 Влияние основности РВС на степень извлечения Мп
Результаты исследования влияния содержания различных оксидов в РВС на степень извлечения марганца и кремния представлены на рисунках 2 и 3, а установленные зависимости — в таблице 1.
Рисунок 2 Влияние содержания МпО и А1203 в РВС на извлечение Мп и
Металлургия и материаловедение
® ' 24 26 23 30 32 34 ?б 38 40 42 Содержат к ока дов в смеси. °о
■ 8102(31) АГпОГЗГ ОЕНО?(МП1
ДСаО<Мл) »- З1О2СМ11+З1) "С.чС\Мп-5;)
Рисунок 3 Влияние содержания СаО и SiO2 в РВС на извлечение Мп и Si
При получении ферромарганца в электропечах равновесное содержание МпО в шлаке уменьшается с повышением концентрации СаО, MgO и А1203. Причём наибольшее влияние оказывает СаО
вследствие образования термодинамически прочных связей с БЮ2 и меньшее — А1203, так как алюминаты кальция термодинамически менее прочны, чем силикаты кальция и магния [2].
Данные, представленные на рисунках 2 и 3, несколько противоречат выводам работы [2]. Так, для случая марганца степень его извлечения возрастает с ростом содержания МпО в смеси, глинозём лишь до 3-3,5 % способствует некоторому повышению степени извлечения, а с ростом содержания СаО более 32 % и БЮ2 во всём диапазоне исследованных концентраций условия восстановления марганца ухудшаются. Аналогичный характер имеет место и при восстановлении кремния. Суммарное извлечение марганца и кремния в расплав также снижается с увеличением содержания СаО и А1203 в РВС.
Таблица 1
Зависимости, описывающие связь между химическим составом РВС и степенью извлечения элементов
Оксид Степень извлечения, моль
S1 Mn Si+Mn
Уравнение регрессии R2 Уравнение регрессии R2 Уравнение регрессии R2
MnO у=-7Е-05х2--0,0361х+1,1074 0,83 у=-0,0009х2+ +0,0578х-0,1405 0,93 у=-0,001х2+ +0,0217х+0,9668 0,27
S1O2 у=0,004х2--0,1788х+2,1912 0,85 у=-0,003х2+ +0,1418х-0,9351 0,88 у=0,001х2--0,037х+1,2558 0,37
CaO у=0,0024х2--0,2016х+4,4682 0,89 у=-0,0013х2+ +0,0694х-0,1772 0,76 у=0,001х2--0,1322х+4,2906 0,92
AI2O3 у=0,0046х2--0,1154х+0,8741 0,87 у=-0,0106х2+ +0,066х+0,6298 0,89 у=-0,006х2--0,0494х+1,5039 0,89
Объяснить такое влияние рассмотренных оксидов на степень извлечения марганца и кремния из силикомарганцевого шлака можно в первую очередь бедностью рудного сырья оксидом основного извлекаемого элемента — марганца. Добавка в состав смесей любых примесных оксидов приводит к разбавлению их по содержанию оксида основного восстанавливаемого элемента и будет негативно сказываться на эффективности процесса с точки зрения
количества извлечённых полезных примесей. Ранее проведённые исследования показали, что единственным оксидом, существенно повышающим степень извлечения марганца из силикомарганцевого шлака, является СаО. Однако эффективные его концентрации, а также величина основности смеси имеют определённые границы.
Кроме того, можно предположить, что уменьшение содержания кремнезёма в смеси ниже значений, представленных на ри-
Металлургия и материаловедение
сунке 3, может также повысить степень извлечения марганца, но добиться этого при описанных выше ограничениях в добавке извести можно, лишь используя высокомарганцовистое сырьё (руда, передельный шлак и т. д.), что будет способствовать повышению себестоимости обработки.
Некоторое снижение количества суммарно восстановленных марганца и кремния при увеличении содержания МпО в РВС (рис. 2) можно объяснить тем, что основная цель рассматриваемой технологии — извлечение марганца, и все термодинамические и кинетические параметры процесса в максимальной степени должны обеспечивать эффективную реализацию технологии углетермического извлечения марганца из силикомарганцевого шлака, а кремний восстанавливается попутно. В этих условиях, согласно рисунку 2, значительно снижается количество восстановленного в расплав кремния или может восстанавливаться только один марганец, что обусловлено недостаточной для восстановления кремния начальной температурой обрабатываемого расплава, уменьшением доли свободного SiO2, не связанного в силикаты марганца и кальция, а также возможным участием восстановленного кремния в реакциях металлотермиче-ского восстановления марганца.
По данным работы [3] на ход процесса восстановления марганца большое влияние оказывают значения параметров С/Мп и С/(Мn+SiO2) в шихте, которые рекомендуется иметь в пределах 0,38-0,47 и 0,19-0,25 соответственно.
Влияние данных параметров на количество извлечённых в расплав по технологии ДГВ марганца и кремния для проведённых опытных плавок представлено на рисунках 4 и 5, а уравнения установленных зависимостей — в таблице 2.
Как было отмечено выше, количество уг-леродсодержащего восстановителя вводилось в РВС из расчёта полного восстановления марганца и кремния, находящихся в си-ликомарганцевом шлаке в виде силикатов. Поэтому абсолютная величина рассматри-
ваемых отношений (0,85-2,05 и 0,38-0,66) в несколько раз превышает значения, рекомендуемые работой [3], где процесс реализован для восстановления предпочтительно одного марганца. Согласно рисунку 4 влияние количества восстановителя в РВС на извлечение марганца и кремния имеет экстремальный характер и оптимальные значения отношения С/(Мn+SiO2) с точки зрения восстановления марганца составляют 0,5-0,6, а благоприятные условия для совместного извлечения данных элементов наблюдаются при отношении 0,63. При величине отношения С/Мп до 1,45 наблюдается максимальное извлечение марганца, а для одновременного извлечения марганца и кремния это отношение должно находиться в диапазоне 1,45-1,95.
о £
1,0
»а
о
v 0,6
1°-4 £ 0,2
5 о,о
л. А
-
э ,................... ^ □ |
Рг
* Э" *
0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 Величина отношения Ссм/Мп+8Ю2
Рисунок 4 Влияние отношения С/Мп в РВС на извлечение Мп и
Рисунок 5 Влияние отношения С/(Мп+8Ю2) в РВС на извлечение Мп и
Таблица 2
Зависимости, описывающие связь между содержанием углерода в РВС и степенью извлечения элементов
Металлургия и материаловедение
Степень извлечения, моль
Si Mn Si+Mn
Уравнение регрессии R2 Уравнение регрессии R2 Уравнение регрессии R2
C/(Mn+SiO2)
y=1,43 76x1,8891 0,73 y=-8,9665x2+ +9,9002x-2,0956 0,64 y=-10,553x2+ +12,996x-2,829 0,85
С/Mn
y=-0,5809x2+ +1,9146x-0,9838 0,67 y=0,0216x2--0,1577x+0,7639 0,24 y=-0,5593x2+ +1,757x-0,2199 0,44
Таким образом, в ходе проведённых исследований проанализировано влияние химического состава рудно-восстановительных смесей на базе силикомарганцевого шлака на эффективность дугового глубинного извлечения марганца и кремния в железоуглеродистые расплавы для их раскисления-легирования без использования дорогостоящих ферросплавов и лигатур.
Полученные результаты позволяют утверждать, что для эффективного извлечения марганца из силикомарганцевого шлака в железоуглеродистый расплав необходимо обеспечивать в РВС отношение
Библиографический список
С/(Мn+SiO2)=0,5-0,6, С/Мп не более 1,45, максимально возможное количество МпО, содержание глинозёма на уровне 3-3,5 %, СаО — 27-32 % при основности, близкой к 1,4, и минимальном содержании кремнезёма.
Наибольшее количество одновременно извлечённых в расплав марганца и кремния имеет место при отношении С/(Мn+SiO2)=0,63, а С/Мп=1,45-1,95.
В ходе последующих исследований предполагается оценить влияние фракционного состава компонентов РВС на степень извлечения элементов методом ДГВ.
1. Электродуговая и электромагнитная обработка расплавов [Текст] : монография / А. Н. Смирнов и др. — Алчевск : ДонГТУ, 2013. — 320 с.
2. Гасик, М. И. Марганец [Текст] /М. И. Гасик. — М. : Металлургия, 1992. — 608 с.
3. Гасик, М. И. Физикохимия и технология электроферросплавов [Текст] : учебник для вузов / М. И. Гасик, Н. П. Лякишев. — Днепропетровск : ГНПП «Системные технологии», 2008. — 453 с.
© Куберский С. В.
Рекомендована к печати д.т.н., проф., зав. каф. МЧМ ДонГТУНовохатским А. М., зам. нач. ЦЛК филиала № 12 ЗАО «Внешторгсервис» ПАО «АМК» Тарасовым В. Н.
Статья поступила в редакцию 21.05.18.
к.т.н. Куберський С. В. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР)
ОПТИМ1ЗАЦ1Я СКЛАДУ ЫДНОВЛЮВАЛЬНИХ СУМ1ШЕЙ ДЛЯ ДУГОВОГО ГЛИБИННОГО ВИЛУЧЕННЯ МАРГАНЦЮ В ЗАЛ1ЗОВУГЛЕЦЕВ1 РОЗПЛАВИ
Показано вплив х1м1чного складу сумшей на основ7 силтомарганцевого шлаку на стутнь ви-лучення марганцю 7 креммю в металев1 розплави при використанш методу дугового глибинного в1дновлення. Розроблено технолог1чт рекомендаци щодо оптим1зацИ' основност1 сумшей, вм1с-ту в них в1дновника, в1дновлюваних 7 супутмх оксид1в.
ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» 2018. № 10 (53)
_Металлургия и материаловедение_
Ключовi слова: оптимгзацгя, хгмгчний склад, шлак, силгкомарганець, електрична дуга, вгднов-лення, марганець, кремшй, розкислення, легування, сталь, чавун.
Ph.D. Kuberskiy S. V. (DonSTU, Alchevsk, LPR)
OPTIMIZATION OF REDUCTION MIXTURES COMPOSITION FOR AN ARC DEPTH EXCRETION OF THE MANGANESE INTO IRON-CARBON MELTS
The influence of chemical composition of mixtures based on silicomanganese slag on the degree of manganese and silicon recovery into metal melts is shown using the method of arc depth reduction. Technological recommendations for optimizing the basicity of mixtures, the content of a reducing agent, reducible and associated oxides have been developed.
Keywords: optimization, chemical composition, slag, silicomanganese, electric arc, reduction, manganese, silicon, deoxidation, alloying, steel, cast iron.
