Исследование особенностей механизма и кинетики высокотемпературного восстановления марганца из рудоугольных смесей с целью интенсификации процесса производства ферросплавов

• Автор: Перетягин, Василий Александрович
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 117 с. : ил.

1. КАРБОТЕРМИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКСИДОВ МАРГАНЦА
1.1. Механизмы карботермического восстановления оксидов металлов
1.2. Восстановление оксидов марганца углеродом
1.3. Влияние свойств твердого восстановителя
2. ТЕРМОГРАВИМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДОВ МАРГАНЦА ТВЕРДЫМ УГЛЕРОДОМ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
2.1. Задачи исследования
2.2. Методика термогравиметрического эксперимента
2.3. Восстановление чистых оксидов марганца углеродом
2.4. Восстановление марганцевых руд углеродом
2.5. Кинетика карботермического восстановления оксидов марганца
2.5.1. Скорость восстановления при диссоциации оксидов марганца
2.5.2. Скорость восстановления оксидов марганца при диффузии реагентов сквозь слой продуктов реакции
2.5.3. Скорость восстановления оксидов марганца при переносе углерода через газовую фазу
3. ПЛАВКИ МАРГАНЦЕВЫХ РУД НА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КИСЛОРОДНОГО РЕАКТОРА И МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
3.1. Физическое моделирование процесса плавки ферромарганца на высокотемпературной модели кислородного реактора
3.2. Металлографическое исследование восстановления марганцевых рудоугольных окатышей
4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРОМЫШЛЕННЫХ АГРЕГАТАХ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Существующие технологии производства доменного и эле(сгропечного ферромарганца имеют ряд недостатков: относительно низкую
производительность, большой расход электроэнергии или кокса, высокие требования к руде. Концентрат должен быть кусковой с содержанием марганца более 35%. В противном случае требуется окускование, что увеличивает энергозатраты. Карбонатные руды, составляющие более 70% мировых запасов, используют только для подшихтовки к сортовым оксидным в незначительном количестве. В Российской Федерации ситуация еще напряженнее - на долю карбонатных руд приходиться более 90% запасов, содержание марганца в 2-3 раза ниже, чем в зарубежных рудах. Потребности металлургической и химической отраслей промышленности страны удовлетворяются за счет импорта товарных марганцевых руд и ферромарганца [1]. В сложившейся в настоящее время экономической ситуации стоит проблема создания собственной марганцеворудной базы РФ за счет разработки более совершенных технологий переработки карбонатных и бедных руд.
Одним из таких процессов является разработанный в Московском государственном институте стали и сплавов, на кафедре электрометаллургии стали и ферросплавов, кислородный реактор. Большинство современных новых технологий предъявляют повышенные требования к сырыо, затрачивая при этом большое количество ресурсов. Процесс плавки в кислородном реакторе, не имеющий аналогов в мировой практике, позволяет перерабатывать практически любое сырье с теоретически минимальным расходом ресурсов. Внимание к теории восстановления оксидов марганца углеродом объясняется тем, что в производстве электропечных и доменных ферросплавов марганца существует комплекс проблем: большой расход энергии, низкая степень извлечения марганца и относительно низкая скорость восстановления [2,3].
Работы по изучению восстановления марганцеворудоугольных материалов в изотермических условиях при 1500-1600 °С в нашей стране
практически не проводились [4, 5]. Основная масса предшествующих исследований посвящена восстановлению марганца из жидких марганцовистых ишаков твердым или растворенным углеродом (так как эти процессы широко распространены в ферросплавных и доменных печах) или изучению реакций в смесях углерода с марганцевым концентратом при медленном нагреве, до температур, не превышающих 1400 °С. С появлением нового процесса -кислородного реактора, возникла задача о поведении марганцеворудоугольных окатышей или брикетов при температурах выше 1500 °С, ранее не ставившаяся.
Диссертационная работа посвящена исследованию кинетики и механизма восстановления марганцевых рудоугольных материалов при высоких температурах (1500-1600 °С) в условиях, соответствующих плавке в
кислородном реакторе. Сравнение восстановительной способности разных типов руд и влияние основных технологических факторов имело целью создания высокопроизводительного процесса выплавки сплавов марганца.
В работе решались следующие задачи:
1) экспериментальное определение основных кинетических характеристик восстановления марганца из чистых оксидов марганца и из руд твердым углеродом (порядок реакции, константа скорости и энергия активации) при температурах 1500-1600°С; 2) установление лимитирующего звена
восстановления марганца из его оксидов при производстве ферромарганца; 3)выяснение сущности механизма «твердофазного» восстановления; 4) влияние основных технологических факторов (крупность помола шихты и восстановителя, вид связки, тип и количество восстановителя, введение флюса, температуры) на скорость и степень восстановления различных типов марганцевых руд; 5) выработка рекомендаций для промышленного внедрения при использовании рудоугольных безобжиговых марганецсодержащих окатышей/брикетов в агрегатах, производящих ферромарганец.
Данная работа выполнена в Московском государственном институте стали и сплавов на кафедре электрометаллургии стали и ферросплавов.

Изменение энергии активации с изменением размера шихтовых материалов не позволяет сделать вывод о механизме процесса по ее величине. Понятие энергии активации в таких сложных и многостадийных процессах как восстановление в рудоугольных смесях носит условный характер. Надо отметить, что энергия активации взаимодействия водорода с углеродом найдена равной 483 кДж/моль [74], что косвенно свидетельствует в пользу водородтранспортной схемы, хотя энергия активации непостоянна для гетерогенных реакций.
Обычно считают, что при Е >400 кДж/моль [75] процесс находится в кинетической области (лимитируется химической реакцией или адсорбцией), Е <150 кДж/моль в диффузионной (лимитируется диффузией), 150< Е < 400 кДж/моль - в промежуточной.
Из измерений суммарной скорости выделения кислорода в результате нескольких последовательных или параллельных реакций константы скоростей и энергии активации отдельных стадий многостадийного процесса определить невозможно.
Примеры сигмоидальных кривых, как в нашем случае восстановления оксидов марганца, часто встречаются при восстановлении оксидов металлов водородом или оксидом углерода.
Все эти экспериментальные данные указывают на важную роль газовой фазы в процессе карботермического восстановления оксидов марганца. Лимитирует процесс взаимодействие водорода с углеродом.
2.4. Восстановление марганцевых руд углеродом
Ежегодно в мире производится 6-7 млн. т сплавов марганца (в том числе ~4 млн. т ферромарганца). 80% производства ферромарганца дают (в порядке убывания) Китай, ЮАР, Франция, Япония, Норвегия, Украина [76]. Общие запасы марганцевых руд ~10 млрд. т (50% подтвержденные). Около 50% общих запасов сосредоточены в Африке (ЮАР и Габон).