Сплав для получения низкокремнистого ферромарганца

Сплав для получения низкокремнистого ферромарганца

Реферат

 

Использование: металлургия, ферросплав для легирования и раскисления стали. Сущность изобретения: сплав содержит в своем составе компоненты при следующем соотношении, мас. %: марганец 40-65; кремний 5-20; углерод 1-7; хром 1-15; фосфор 0,1-0,8; железо - остальное. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к ферросплавам для легирования и раскисления стали, в частности к ферросплавам, содержащим марганец и кремний, для получения низкокремнистого ферромарганца.

В настоящее время ферросплав, содержащий марганец и кремний (силикомарганец), используют для выплавки низкокремнистых марганцевых сплавов низкоуглеродистого и среднеуглеродистого ферромарганца а также для раскисления и легирования стали и производят в соответствии с ГОСТ 4756-77.

Получают низкоуглеродистый и среднеуглеродистый ферромарганец рафинированием силикомарганца от кремния путем проплавления с марганцевой рудой и флюсом (известью) в дуговых электропечах с последующим отделением после выпуска из печи от шлака [1] Недостатком известного ферросплава (силикомарганца), используемого для выплавки низкоуглеродистого и среднеуглеродистого ферромарганца, является повышенное содержание в шлаке марганца вследствие того, что в конечном сплаве перед выпуском из печи содержание кремния снижается (меньше 2%) и процесс восстановления марганца протекает с недостаточной полнотой. Это приводит к значительному снижению извлечения марганца в сплав.

Известны следующие сплавы (аналоги), содержащие марганец и кремний: сплав с содержанием 35-50% марганца, 30-45% кремния, 5-15% алюминия; ферросплав с содержанием 78-82% марганца, 6-9% кремния, 4-6% углерода, остальное железо; ферросплав с содержанием 50-70% марганца, 10-25% алюминия, 0,7-2% углерода, 0,9-5% кремния, остальное железо; ферросплав с содержанием 15-30% марганца, 35-70% кремния, 0,05-1% фосфора, остальное железо; ферросплав с содержанием 15-30% марганца, 15-35% кремния, 20-35% ниобия, остальное железо.

Недостатком известных ферросплавов аналогов является то, что при их использовании для производства среднеуглеродистого или низкоуглеродистого ферромарганца путем рафинирования в электродуговой печи марганцевым концентратом, проплавляемым совместно с известью, образуется шлак с высоким содержанием закиси марганца. С этим шлаком теряется 40-50% марганца, расходуемого на плавку.

В качестве прототипа принят наиболее близкий по сущности ферросплав, содержащий 50-58% марганца, 4-8% кремния, 4-7% углерода, остальное железо.

Недостатком ферросплава по прототипу является то, что при использовании ферросплава по прототипу для получения среднеуглеродистого или низкоуглеродистого ферромарганца путем рафинирования его от кремния в электропечи марганцевым концентратом и известью образуется шлак с высоким содержанием закиси марганца, что приводит к высоким потерям марганца со шлаком.

Сущность изобретения заключается в разработке состава ферросплава, позволяющего при использовании его для производства среднеуглеродистого или низкоуглеродистого ферромарганца снизить содержание марганца в шлаке, увеличив извлечение марганца в целевой продукт.

Достигают это тем, что ферросплав дополнительно содержит хром и фосфор при следующем соотношении компонентов, мас. Марганец 40-65 Кремний 5-20 Углерод 1-7 Хром 1-15 Фосфор 0,1-0,8 Железо Остальное В промышленных условиях такой ферросплав получают в электродуговой печи путем проплавления брикетов, изготовленных из отходов производства углеродистого ферромарганца в доменной печи, извести, ферросилиция и хромовой руды. В процессе плавки марганец, хром, фосфор и углерод усваиваются металлом, в который переходит железо и часть кремния, оставшаяся от восстановительных реакций. Полученный металл после выпуска из печи расплава отделяют от шлака, ферросплав используют для выплавки рафинированного ферромарганца (среднеуглеродистого или низкоуглеродистого).

В процессе рафинирования ферросплава от кремния хром и фосфор, входящие в состав ферросплава, связывают марганец в прочные химические соединения CrMn₃, Mn₃P, Mn₂P. Реакция восстановления марганца кремнием и углеродом смещается в сторону образования этих соединений: 6MnO+6C+Cr+P=CrMn₃+Mn₃P+6Co (1) 6MnO+3Si+Cr+P=CrMn₃+Mn₃P+3SiO₂ (2) Образующиеся соединения хрома и фосфора с марганцем остаются устойчивыми при восстановлении марганца из марганцевого концентрата кремнием ферросплава.

Образующийся по реакции (2) кремнезем связывается с оксидом кальция, вводимым совместно с марганцевым концентратом, в соединения 2CaO SiO₂ или CaO SiO₂.

В результате прохождения этих процессов остаточное содержание закиси марганца в отвальном шлаке снижается в 2-3 раза по сравнению с использованием ферросплава, не содержащего хром и фосфор.

Если содержание хрома в ферросплаве менее 1% и фосфора менее 0,1% то в металле после рафинирования его от кремния марганцевым концентратом марганец находится в свободном состоянии и полнота протекания реакции восстановления марганца из закиси марганца снижается, что приводит к получению шлака с высоким содержанием закиси марганца.

Если содержание хрома более 15% и фосфора более 0,8% то снижаются потребительские свойства рафинированного марганцевого сплава, а также эффективность (прирост степени снижения марганца в шлаке) на единицу хрома и фосфора сверх указанных величин в связи с тем, что большая часть (более половины) марганца находится в связанном состоянии.

Если содержание кремния и углерода менее 5% и 1% соответственно, то уменьшается рафинирующая способность сплава в связи с сокращением количества марганца, которое может быть восстановлено в процессе рафинирования ферросплава от кремния. Также уменьшается количество выделяющегося тепла в процессе рафинирования, что снижает температуру процесса и скорость взаимодействия компонентов шихты. Вследствие этого шлак после выпуска из печи имеет высокое содержание закиси марганца.

Если содержание кремния и углерода более 65% и 20% соответственно, то требуется большое количество марганцевого концентрата для рафинирования, а также снижается относительно количества марганца масса хрома и фосфора, что приводит к увеличению содержания закиси марганца в отвальном шлаке и снижению показателя извлечения марганца из шихты.

Содержание каждого из элементов в ферросплаве обусловлено требованиями к нему, обеспечивающими эффективность получения с его помощью среднеуглеродистого или низкоуглеродистого ферромарганца.

Содержание марганца в ферросплаве в пределах 40-65% обеспечивает получение низкокремнистого ферромарганца с содержанием марганца в пределах 45-74% Эти содержания согласованы с потребителем, который использует низкокремнистый ферромарганец. При использовании такого ферромарганца для раскисления стали, предназначенной для литья изделий машиностроительного назначения, достигаются заданные требования по механическим характеристикам. Если содержание марганца ниже 40% то увеличивается количество вводимого ферросплава, что вызывает технологические и организационные затруднения, в частности требуется перегрев металлической ванны. Если содержание марганца более 65% то при использовании ферросплава для рафинирования его от кремния наблюдается повышенный угар марганца за счет окисления кислородом воздуха в процессе нагрева и расплавления.

Содержание кремния в ферросплаве в пределах 5-20% обеспечивает оптимальные условия для получения низкокремнистого ферросплава в процессе рафинирования марганцевым концентратом в присутствии извести. Если содержание кремния ниже 5% то из концентрата восстанавливается в низкокремнистый ферросплав небольшое количество марганца, что снижает эффективность стадии рафинирования. Если содержание кремния более 20% то процесс рафинирования ферросплава от кремния затягивается, что приводит к увеличению удельного расхода электроэнергии.

Содержание хрома в ферросплаве в пределах 1-15% обеспечивает связывание марганца в прочные химические соединения. При рафинировании ферросплава от кремния разрушаются силициды марганца и марганец переходит в свободное состояние со склонностью к окислению кислородом воздуха при плавлении, а также к смещению реакции восстановления марганца в сторону оксидов марганца. Хром в количестве 1-15% смещает реакцию восстановления в сторону восстановления марганца. Если содержанием хрома менее 1% то эффект смещения реакции резко снижается. Если содержание хрома более 15% то происходит разубоживание ферросплава по содержанию марганца, эффект смещения реакции увеличивается незначительно. По существу увеличение содержания в ферросплаве хрома сверх 15% не эффективно.

Содержание фосфора в ферросплаве в пределах 0,1-0,8% обеспечивает аналогично хрому связывание марганца в прочные химические соединения. По существу фосфор усиливает действие хрома в части смещения реакции восстановления марганца. Если содержание фосфора менее 0,1% то это практически не оказывает указанного действия; если же содержание фосфора более 0,8% то несмотря на достаточную эффективность фосфора снижает потребительские свойства ферросплава, сужая область его применения.

Содержание углерода в ферросплаве в пределах 1-7% обеспечивает связывание марганца в прочные химические соединения карбиды марганца при температуре получения ферросплава в процессе его рафинирования от кремния. Если содержание кремния менее 1% то эффективность действия углерода резко снижается. Содержание углерода более 7% практически не достигается, так как при этом сплав насыщен углеродом, т.е. элементы при таком содержании находятся в равновесии с углеродом.

Пример конкретного осуществления.

Осуществление ферросплава провели в промышленной электродуговой печи с трансформатором мощностью 5 МВА при напряжении с низкой стороны 265 В и токе 8975 А с графитированными электродами. Ванну печи футеровали магнезитовым кирпичом.

В качестве материалов для проведения плавок использовали: марганцевый концентрат по ТУ 14-9-157-78 с содержанием, мас. Mn 44,0; SiO₂ 6,5; MgO 0,8; Fe 1,2; P 0,1; хромовую руду по ТУ 14-9-320-86 с содержанием, мас. Cr₂O₃ 50,4; MgO 11,8; Fe 10,0; SiO₂ 5,0; P 0,003; кварцит по ТУ 14-9-253-83 с содержанием SiO₂ 98% стальную стружку по ГОСТ 2787-75 с содержанием железа 90% и фосфора 0,01% кокс по ГОСТ 8935-77 с содержанием углерода 85% феррофосфор по ТУ МХП 3825-53 с содержанием железа 86% и фосфора 14% известь с вращающихся печей по ВТТ 139-1-91 с содержанием 95,4 CaO; 4,5% CO₂.

Плавки проводили в два этапа.

На первом этапе из марганцевого концентрата, кварцита, кокса, хромовой руды, стальной стружки и феррофосфора получали ферросплав предложенного состава; из того же материала за исключением хромовой руды и феррофосфора получали ферросплав по прототипу.

На втором этапе полученные ферросплавы рафинировали от кремния марганцевым концентратом с добавкой извести для связывания кремнезема в шлаке в соединение 2CaO ^.SiO₂.

Ферросплав предложенного состава готовили по трем вариантам: с нижними, средними и верхними пределами содержаний компонентов.

Шихта для получения ферросплава и состав полученных ферросплавов по вариантам представлены в табл. 1.

Шихта для рафинирования ферросплавов и составы полученных ферросплавов после рафинирования представлены в табл. 2. Здесь же представлены величины извлечения марганца из шихты.

Из представленных в данных следует, что ферросплав предлагаемого состава осуществим в промышленных условиях и имеет преимущество по сравнению с ферросплавом по прототипу, выраженное в увеличении извлечения марганца из шихты на 7-12%

Формула изобретения

СПЛАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКОКРЕМНИСТОГО ФЕРРОМАРГАНЦА, содержащий марганец, кремний, углерод и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром и фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.

Марганец 40 65 Кремний 5 20 Углерод 1 7 Хром 1 15 Фосфор 0,1 0,8 Железо Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2