Добыча марганцевых руд и производство концентратов осуществляется в 30 странах мира. Основной объём товарных марганцевых руд используется в производстве марганцевых сплавов (ферромарганца, силикомарганца, ферросилиция и др.), а также марганца-металла. Главными мировыми производителями сплавов являются страны, ведущие основную добычу марганцевых руд (ЮАР, Украина, Китай), а также обладающие технологическим потенциалом и достаточно дешевой электроэнергией для её переработки (Япония, Франция, Норвегия). Они формируют лидирующую шестерку мира по производству марганцевых сплавов [1].
С годами доля экспорта руд по отношению к экспорту сплавов постепенно уменьшается. Основными потребителями импортной марганцевой продукции, богатой руды и концентратов, являются Япония, США, ФРГ, Франция, Китай, Норвегия, Южная Корея и другие страны с развитой чёрной металлургией, не обладающие достаточным ресурсом собственного сырья.
Как известно республика Казахстан обладает запасами марганцевого сырья, отнесенными к группе полезных ископаемых, имеющих стратегическое значение. Наиболее крупные по запасам месторождения разведаны в Центральном Казахстане – Джездинское и Ушкатын-III. На месторождении Ушкатын-III выявлено 14 марганцевых и 8 железорудных тел. Запасы подсчитаны в четырех рудных телах. Среднее содержание Мn 26,5 %. Основные рудные минералы в первичных рудах – гаусманит, браунит и гематит, во вторичных – псиломелан, пироморфит и манганит [1-3].
Если 20 лет назад стоял вопрос об организации производства марганцевых ферросплавов в РК, то в настоящее время стоит вопрос об эффективном методе ее переработки.
Огромные запасы марганцевого сырья в Казахстане в большинстве представлены железомарганцевыми рудами, доля которых 70% непригодными для производства сплавов марганца. Нехватка богатой марганцевой руды и применяемые малоэффективные методы обогащения (ситовый рассев), не позволяют полностью обеспечить качественным марганцевым сырьем ферросплавные заводы Казахстана [3].
В настоящее время одним из эффективных методов переработки железомарганцевых руд Казахстана является метод прямого получения сплава, на примере получения зеркального чугуна.
В связи с возникшей проблемой в представленной работе была поставлена цель работы: установление возможности получения марганецсодержащего сплава – чугуна, из некондиционных железомарганцевых руд месторождения Жомарт в лабораторных условиях.
Работа направлена на разработку экономически эффективной технологии переработки железомарганцевых руд месторождения Жомарт. По результатам литературного обзора наиболее предпочтительной на данном этапе технологией для переработки некондиционных железомарганцевых руд представляется технология, предусматривающая получение марганцовистого чугуна как промежуточного или конечного продукта.
Лабораторные исследования проводили на высокотемпературной печи сопротивления Таммана. В качестве основного шихтового материала использовали железомарганцевую руду месторождения Жомарт, химический состав которой представлен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав исследуемых железомарганцевых руд
|
Наименование |
Содержание, % |
|||||||||
|
Feобщ |
Mnобщ |
SiO2 |
CaO |
P |
S |
Al2O3 |
MgO |
ппп |
Fe/Mn |
|
|
Жомарт (фр. 0-10 мм) |
25,56 |
13,14 |
33,83 |
3,9 |
0,045 |
0,055 |
1,74 |
0,5 |
5,34 |
1,94 |
Для оценки поведения представленных проб при нагреве и установления температуры начала плавления проведены предварительные лабораторные плавки.
Для расплавления железомарганцевой руды использовали графитовые тигли. Навеска одной плавки составляла 50 г. В камеру печи опускали графитовый тигель с материалом, который нагревали до расплавления. Поведение руды оценивали качественно, наблюдая за состоянием образцов при помощи молибденового прутка.
По результатам выполненных опытов следует отметить, что оплавление всех образцов началось при температуре на 100-200°С ниже температуры окончательного расплавления рудного материала. Определенная в ходе экспериментов температура полного расплавления железомарганцевой руды оценена в 1125-1130 °С.
Далее были проведены лабораторные опыты по получению марганецсодержащего чугуна. В качестве шихтовых материалов, кроме руды использованы кокс КНР и известь фракции 0-3 мм. Химический состав шихтовых материалов приведен в таблице 2 и 3.
Для проведения опытов произвели небольшой расчет шихты. Необходимое количество восстановителя рассчитывали по стехиометрии (при 100% восстановлении железа и марганца). Расчет состава шихты выполняли на 100 г железомарганцевой руды.
Таблица 2
Состав кокса КНР
|
Наименование материала |
Технический анализ, % |
Химический состав золы, % |
||||||||
|
W |
V |
A |
S |
P |
Al2O3 |
FeO |
SiO2 |
MgO |
CaO |
|
|
Кокс КНР |
0,41 |
3,2 |
13,1 |
0,33 |
0,008 |
10,0 |
24,1 |
31,3 |
7,6 |
12,3 |
Таблица 3
Химический состав извести
|
Материал |
Химический состав, % |
||
|
CaO |
SiO2 |
MgO |
|
|
Известь |
93,2 |
0,50 |
0,85 |
Подготовленную смесь, тщательно перемешивали и помещали в печь Таммана в графитовом тигле. Температуру полного расплавления шихтовых материалов контролировали визуально с помощью молибденового прутка. После извлечения тигля с расплавленным материалом из печи его охлаждали на воздухе до комнатной температуры. После остывания часть шлака подверглась саморассыпанию.
По результатам проведенного опыта была установлена температура полного расплавления материала, которая находится в интервале 1120-1150°С. В результате полученныйметалл в количестве 31,85 г (21,41%) и шлак 115,41 г (77,59% от общей массы продуктов). При этом кратность шлака составила 3,62.
По аналогичной методике проведено 2 опыта с избытком восстановителя 10 и 20% от расчетного количества. Состав шихтовых материалов представлен в таблице 4. Сводные данные по составу полученных металлов и шлаков всех проведенных экспериментов приведены в таблицах 5 и 6 соответственно. По результатам химического состава металла всех плавок был произведен расчет степени восстановления ведущих эелементов Fe, Mn и Si, результаты которых представлены в таблице 7.
По результатам выполненного расчета установлено, что максимальная степень восстановления железа и марганца зафиксировано при плавке №1 и 2 со стехиометрически необходимым количеством восстановителя и с его 10% избытком, которая соответствует 77,3-79,73 и 55,13-60,2% соответственно.
Таблица 4
Состав шихтовых материалов
|
№ п/п |
Материал |
Масса, г |
||
|
опыт № 1 (стехиометрия) |
опыт № 2(избыток 10%) |
опыт № 3 (избыток 20%) |
||
|
1 |
Железомарганцевая руда «Жомарт» |
100,0 |
100,0 |
100,0 |
|
2 |
Кокс КНР |
9,4 |
10,3 |
11,4 |
|
3 |
Известь |
39,4 |
39,4 |
39,4 |
|
Итого: |
148,8 |
149,7 |
150,8 |
|
Таблица 5
Химический состав полученного металла
|
№ эксперимента |
Избыток восст., % |
Химический состав, масс. % |
|||
|
Fe |
Mn |
C |
Si |
||
|
1 |
0 |
62,0 |
25,8 |
7,0 |
2,9 |
|
2 |
10 |
60,3 |
21,5 |
6,2 |
1,99 |
|
26,4* |
13,8* |
4,5* |
4,5* |
||
|
3 |
20 |
44,9 |
23,0 |
8,6 |
2,5 |
* – числитель – в графитовом тигле, знаменатель – в корундовом тигле
Таблица 6
Химический состав полученного шлака
|
№ эксп. |
Избыток восст., % |
Химический состав, масс. % |
CaO SiO2 |
|||||
|
Al2O3 |
CaO |
Fe2O3 |
MgO |
MnO |
SiO2 |
|||
|
1 |
0 |
2,52 |
48,9 |
0,34 |
0,31 |
9,72 |
38,0 |
1,29 |
|
2 |
10 |
2,46 |
50,7 |
0,70 |
0,27 |
8,48 |
34,8 |
1,46 |
|
44,2* |
18,8* |
8,36* |
0,33* |
7,57* |
17,3* |
1,09* |
||
|
3 |
20 |
2,04 |
47,1 |
0,29 |
0,13 |
10,14 |
38,6 |
1,22 |
*– в корундовом тигле
Таблица 7
Степень восстановления Fe, Mn и Si
|
№ экспер-та |
Материал |
Выход металла, г |
Степень восстановления, % |
||
|
Fe |
Mn |
Si |
|||
|
1 |
Металл |
31,9 |
77,3 |
60,2 |
5,6 |
|
2 |
Металл |
33,9 |
79,73 |
55,13 |
4,01 |
|
12,5* |
12,8* |
12,92* |
3,3* |
||
|
3 |
Металл |
28,9 |
50,33 |
51,41 |
4,5 |
* – в корундовом тигле
Наименьшая степень восстановления железа 12,8-47,08% и марганца 12,92-51,41% зафиксировано при плавке №2 в корундовом тигле и с избытком восстановителя 20% соответствующего плавке №3.
По содержанию в шлаках Fe2O3 (0,29-0,7%) можно судить о максимальном восстановлении железа, в сравнении с содержанием MnО (8,48-10,14%), которая в результате плавки взаимодействует с кремнеземом с образованием жидких силикатов марганца МnO·SiО2 и 2МnО·SiO2.
Таким образом, по результатам проведенных лабораторных исследований установлена возможность получения сплава, соответствующего марке зеркального чугуна (железа 60%, марганца до 30%, кремния до 3%), из исходной железомарганцевой руды «Жомарт».
Выводы по проведенной работе. В результате проведенных лабораторных опытов установлено, что исследуемые железомарганцевые руды имеют относительно невысокую температуру плавления.
При плавке исходной железомарганцевой руды «Жомарт» с добавлением стехиометрически необходимого количества восстановителя и флюса был получен металл соответствующий марке зеркального чугуна по содержанию ведущих эелементов (железа 60%, марганца до 30%, кремния до 3%).
Необходимо также отметить, что при выплавке чугуна из необогащенной железомарганцевой руды «Жомарт» с добавлением извести на получение моносиликата кальция (основность Врасч=1,2, опытная 1,1÷1,46) получили рассыпающийся шлак.
Литература:
- Святов Б.А., Толымбеков М.Ж., Байсанов С.О. Становление и развитие марганцевой отрасли Казахстана – Алматы. Искандер, 2002 – 416 с.
- Отчет. Определение требовании к окисленным и первично-окисным концентратам месторождения Ушкатын-Ш (Заключение). -Харьков, Украинский научно-исследовательский институт специальных сталей, сплавов и ферросплавов. 1989 г. – 47 с.
- Самуратов Е.К., Алмагамбетов М.С., Досекенов М.С., Шотанов А.Е. и др. Перспективы использования железомарганцевой руды месторождения «Тур» / Материалы межд. научн.-практ. конф. «Проблемы и перспективы развития горно-металлургической отрасли: теория и практика». Караганда, 2013. – С. 303-306.
- Гасик М.И., Лякишев Н.П. Теория и технология электрометаллургии ферросплавов. – М.: Металлургия, 1999. – 764с.
