수중 아크로에서 규소-망간 생산

수중 아크로에서 규소-망간 생산

규소 망간(Si-Mn)은 탄소(C) 함량이 낮은 제강 중 액체강에 규소(Si)와 망간(Mn)을 모두 첨가하는 데 사용되는 합금입니다. 표준 Si-Mn 합금은 65% ~ 70% Mn, 15% ~ 20% Si 및 1.5% ~ 2% C를 포함합니다. Si-Mn 합금 등급은 중간 탄소(MC) 및 저탄소(LC)입니다. 철강 산업은 이 합금의 유일한 소비자입니다. 철강 제조 시 고탄소 철망간(Fe-Mn) 합금과 규소 철(Fe-Si) 합금의 혼합 대신 Si-Mn을 사용하는 것은 경제적인 고려 사항입니다.

Mn과 Si는 모두 제강에서 중요한 구성 요소입니다. 그들은 탈산제, 탈황제 및 합금 원소로 사용됩니다. Si는 1차 탈산제입니다. Mn은 Si보다 순한 탈산제이지만 안정적인 망간 실리케이트 및 알루미네이트의 형성으로 인해 효율성이 향상됩니다. 또한 탈황제 역할을 합니다. 망간은 거의 모든 유형의 강철에서 합금 원소로 사용됩니다. 특히 흥미로운 것은 강철의 경화성을 증가시켜 철-탄소(Fe-C) 시스템에 대한 변형 효과입니다.

Si-Mn은 Fe-Mn의 생산에도 사용되는 3상 교류(AC), 수중 아크로(SAF)에서 산화 원료의 탄소 열 환원에 의해 생산됩니다. Si-Mn 생산 공정의 작동은 더 높은 공정 온도가 필요하기 때문에 종종 Fe-Mn 생산 공정보다 더 어렵습니다. Si-Mn 생산에 사용되는 SAF의 일반적인 크기는 일반적으로 하루에 45톤에서 220톤의 Si-Mn을 생산하는 9MVA에서 40MVA 범위입니다.

산화물 원료의 탄소열환원은 흡열환원반응으로 인해 열이 C만큼 환원에 필수적이며 열결핍은 불완전을 유발할 수 있다. 따라서 반응이 완료될 때까지 충분한 열을 가하려면 전극 침투가 잘 되어야 합니다.

Si-Mn 생산에 사용되는 원료는 주로 Mn 광석, 고탄소 Fe-Mn 슬래그, 규암, ​​코크스 및 석탄, 플럭스(백운석 또는 방해석)로 구성됩니다. Si-Mn 생산을 위한 원료에서 Mn의 주요 공급원은 높은 C Fe-Mn 생산에서 발생하는 Mn-광석과 Mn이 풍부한 슬래그입니다. 다른 장입재는 가열 및 C와 반응할 때 다른 거동을 나타내며, 이는 코크스 및 전기 에너지의 소비, 슬래그의 양과 그 조성, 노 생산성에 영향을 미칩니다.

Si-Mn 금속 1톤당 슬래그 발생량은 주로 광석/슬래그 비율에 의해 결정된다. Mn-광석을 희생시키면서 Fe-Mn 슬래그의 점유율이 증가하면 Si-Mn 생산 공정에서 더 큰 슬래그/금속 비율이 발생합니다. 슬래그의 양이 많으면 에너지 소비가 증가하고 최종 슬래그에서 금속 개재물이 더 많이 손실될 수 있습니다.

망간 광석에는 일반적으로 채광 및 처리 단계에서 제거할 수 없는 원치 않는 요소가 포함되어 있습니다. 이와 관련하여 P(인) 함량은 Si-Mn 합금에서 이 원소에 대한 엄격한 요구 때문에 중요합니다. Fe, P 및 As(비소)는 Mn보다 더 쉽게 환원되므로 금속에 먼저 들어갑니다. 따라서 최종 합금의 함량은 광석 선택에 의해 제어됩니다. 높은 C Fe-Mn 슬래그는 광석에서 쉽게 감소된 불순물이 생산 중에 높은 C Fe-Mn 금속에 의해 흡수되기 때문에 매우 순수한 Mn 공급원입니다. 따라서 Si-Mn 합금에서 P와 같은 불순물의 함량은 Mn 광석의 선택뿐만 아니라 원료 혼합물의 Mn 광석 및 높은 C Fe-Mn 슬래그의 상대적 양에 의해 제어됩니다.

충분히 높은 Si 함량을 갖는 Si-Mn 합금을 얻고 낮은 MnO를 갖는 폐기 슬래그를 생성하기 위해서는 1600℃ 내지 1650℃ 범위의 공정 온도가 필요하다. Fe-Mn 슬래그는 Mn 광석에 비해 상대적으로 낮은 용융 온도(약 1250℃)를 갖는다. 따라서 Fe-Mn 슬래그의 비율이 높으면 공정 온도가 낮아지는 경향이 있습니다. Mn 광석이 약 1350℃에서 녹기 시작하면 일반적으로 고체상과 액체상이 혼합되어 있으며, 여기서 고체상은 MnO입니다. 용융 광석이 슬래그와 혼합되어 자유롭게 흐르기 전에 추가 가열 및 1550℃ 이상으로의 감소가 필요합니다. 혼합물에서 망간 광석의 비율이 높으면 코크스 베드 구역의 표면 온도와 공정 온도가 일반적으로 더 높습니다.

SAF에서 Si-Mn 생산을 위해 C(코크스 및 석탄)는 환원제로 사용되며 열은 전기로 공급됩니다. 전하를 통해 전류가 흐르고 P =R*I2에 따라 열이 생성됩니다. 여기서 P는 효과, 즉 생성된 열, R은 전하 저항, I는 전류 밀도입니다.

SAF에서 전극 팁은 다공성 전하 혼합물에 잠기고 전기 에너지는 용융 합금 수조 위에 떠 있는 슬래그가 풍부한 코크스 베드로 마이크로 아크에 의해 방출됩니다. 열 요구 사항은 전기 에너지로 공급되고 코크스는 환원제 및 전기 저항 요소로 작용합니다. 퍼니스는 11.6m의 외부 직경과 6.2m 높이가 40MVA 퍼니스의 전형적인 원형인 원형입니다. Si-Mn이 생성되는 동안 일어나는 반응은 다음과 같습니다.

Si-Mn 생산에서 Si와 Mn의 환원은 다음과 같은 일련의 다른 환원 단계에 의해 발생합니다.

(SiO2) + 2C =Si + 2CO (g)

(SiO2) + 2SiC =3Si + 2CO (g)

(MnO) + C =Mn + CO (g)

(SiO2) + 2Mn =시 + 2(MnO)

(SiO2) + Si =2SiO(g)

Mn =망간(g)

슬래그와 Si-Mn 합금 사이의 Si 및 Mn 분포를 제어하는 ​​주요 평형 반응은 다음과 같습니다.

(MnO) + C =Mn + CO (g)

(SiO2) + 2C =Si + 2CO (g)

괄호는 슬래그에 존재하는 종을 나타내고 밑줄은 합금에 종을 나타냅니다. C는 합금 또는 고체, 즉 코크스에 용해될 수 있는 탄소원입니다.

완전한 슬래그/합금/가스 평형은 두 반응에 대한 평형의 동시 설정을 필요로 합니다. 두 반응 모두 시스템의 온도와 CO 압력에 크게 의존합니다. 더 높은 온도는 Si-Mn 합금에서 Si의 더 높은 평형 함량을 제공하고 생성된 슬래그에서 더 낮은 MnO 함량을 제공합니다. 낮은 CO 가스 압력은 또한 Si-Mn 합금에서 더 높은 Si 함량을 선호하고 슬래그에서 더 적은 MnO를 선호합니다. 일반적으로 CO 가스 압력은 잠긴 아크로에서 1기압에 매우 가깝습니다. 위의 두 반응의 조합은 다음 반응으로 표현되는 부분 슬래그/합금 평형 반응을 제공합니다.

2(MnO) + Si =2만 + (SiO2)

이 반응은 온도에 거의 의존하지 않으며 기체 상의 압력 및 조성과 무관합니다.

3상 16MW Si-Mn 용광로의 굴착은 용광로의 반응 구역에서 상 분포에 대한 정보를 제공합니다. 노 내부는 일반적으로 두 개의 주요 영역, 즉 (i) 장입물 성분이 여전히 고체인 예열 및 예환 영역과 (ii) 광석, 슬래그 및 플럭스가 용융되는 코크스 베드 영역으로 나뉩니다. 이 노에서 Mn 산화물은 코크스 베드 상부의 Fe-Mn 슬래그와 Mn 광석으로부터 거의 완전히 환원되는 것으로 관찰되었다. 이것은 위에서 언급한 16MW 용광로의 굴착을 기반으로 한 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 규소-망간 용광로의 구역

용광로의 굴착은 금속 수조 위 약 600mm의 전극 끝 위치가 양호한 작동에 적합하다는 것을 나타냅니다. 광석의 MnO2는 초기에 Mn2O3로 분해되지만 CO 가스 또는 열분해에 의한 Mn3O4로의 추가 환원은 미미합니다. 중요한 MnO로의 사전 환원은 전하 미분에서만 관찰됩니다. MnO가 풍부한 Fe-Mn 슬래그는 Mn 광석 용융의 실질적인 환원이 시작되기 전에 최종 Si-Mn 슬래그 조성으로 거의 환원된다. MnO의 거의 모든 환원은 코크스 베드 상단에서 완료됩니다. 석영의 용해 및 환원은 Mn 산화물의 주요 환원이 완료된 후 코크스 베드 영역에서 분명히 발생했습니다. 아마도 합금에서 Si의 '수집'은 매우 빠르며 액체 금속이 코크스 베드를 통해 액체 합금 수조를 향해 흘러내리면서 발생합니다.

가장 높은 Mn 산화물(MnO2)의 환원은 4단계로 발생합니다. MnO2에서 Mn2O3로의 1차 환원 단계는 450℃ 이상 ~ 500℃의 온도에서, Mn2O3에서 Mn3O4로의 2차 환원 단계는 900℃ 이상 ~ 950℃에서 달성되며 둘 다 환원제 없이 실현될 수 있고, 열분해에 의해서만. 열분해의 두 단계는 Mn 산화물의 안정성 범위를 보여줍니다. Mn3O4를 MnO로 환원시키는 것은 CO 가스 또는 고체 C에 의해서만 가능합니다. 대기압에서 탄소에 의한 MnO 환원은 1410℃ 이상의 온도에서만 가능합니다. 완전한 환원을 달성하려면 온도가 훨씬 더 높아야 합니다. 여기서 문제는 Mn의 높은 증기압과 그로 인한 강한 증발입니다. 다양한 환원 단계를 갖는 Mn 생산 공정의 경우, MnO는 먼저 슬래그 상에 용해되어 Mn이 고체 C에 의해 환원되어 금속 상으로 이동한다. 여기에서 슬래그 및 합금의 비이상적인 솔루션이 매우 중요합니다. 최신 열역학적 방법을 사용하여 질량 균형을 기반으로 위상 및 에너지 균형을 결정해야 합니다.

Si-Mn 합금과 다성분 MnO-SiO2-CaO-Al2O3-MgO 슬래그 사이의 Si 분포는 주로 공정 온도, 슬래그의 SiO2 함량 및 (CaO + MgO)로 정의되는 R-비율에 의해 결정됩니다. Al2O3. 예를 들어, Si-Mn 합금에서 Si의 평형 함량은 온도가 일정하고 SiO2 함량이 있는 경우 R-비가 2에서 1로 감소하면 약 6% 증가합니다. 온도의 영향도 상당합니다. Si의 평형 함량은 1550 deg C ~ 1700 deg C의 온도 범위에서 50 deg C당 약 6% 증가합니다. Si-Mn 슬래그에서 MnO의 평형 함량은 우선 온도에 따라 달라지고 두 번째로 SiO2 함량에 따라 달라집니다. 슬래그의. 1600℃에서 MnO의 평형 함량은 SiO2 포화 상태에서 약 9%에서 SiO2 함량이 약 40%에서 45%로 감소할 때 최소 약 3%에서 4%로 감소합니다.

온도 외의 Mn 회수율에 영향을 미치는 인자는 (i) 슬래그 염기도[(CaO + MgO)/SiO2], (ii) CaO/MgO 비율, (iii) 슬래그의 Al2O3 함량이다. 온도가 증가하면 열역학적으로나 동역학적으로 흡열 환원 반응이 유리합니다. Mn 산화물의 환원에 대한 슬래그 화학의 영향은 더 복잡합니다. Mn 회수율은 기본 슬래그에서 더 높은 MnO 활성 계수로 인해 기본 슬래그에 대해 더 높습니다. 원료 혼합물에 석회를 첨가하면 MnO 포화 농도가 감소하고 동일한 MnO 함량에 대해 슬래그에서 MnO 활성이 증가합니다. 그 결과 슬래그의 평형 MnO 농도가 감소하고 감소율이 증가합니다. 슬래그 염기도가 1.1 이상으로 증가하면 Mn 회수에 덜 중요한 영향을 미칩니다. 훨씬 더 높은 CaO 및 MgO 함량은 Mn의 환원을 약화시키는 더 높은 슬래그 점도를 초래합니다. Al2O3도 슬래그 점도를 증가시켜 Mn의 환원 반응을 늦출 수 있습니다. 슬래그가 잘 흐르도록 유지하려면 슬래그의 Al2O3 농도가 20%를 초과하지 않아야 합니다.

Si-Mn을 제련하는 동안 장입물에 백운석이나 방해석을 첨가하면 슬래그 염기도가 증가하여 슬래그 유동성이 향상되고 슬래그에서 MnO의 환원이 촉진됩니다. Si-Mn 슬래그의 일반적인 SiO2 함량은 35%~45%입니다. 이 슬래그는 슬래그 조성에 따라 섭씨 1300도에서 1380도 사이의 액상선 온도를 갖는다. 슬래그의 온도 또는 SiO2 함량을 높이고 (CaO + MgO) /Al2O3 비율을 낮추면 모두 Si 금속-슬래그 분배 계수가 증가합니다.

슬래그 유동성 향상을 위해서는 슬래그의 MgO 함량이 7%를 초과할 필요가 있다. 슬래그의 MnO 함량의 상당한 감소는 슬래그에서 MgO의 비율을 증가시켜 달성할 수 있습니다. 이것은 차례로 Mn의 회복을 향상시킵니다.

Si-Mn의 생산은 Mn 광석, Fe-Mn 슬래그, 석영 및 제련, 환원 및 슬래그 형성 동안 플럭스의 거동에 따라 달라집니다. 이러한 과정은 다음 세 단계로 나눌 수 있습니다.

• 고체 상태에서의 가열 및 예비 환원 – 1100℃~1200℃ 사이의 온도에서 발생하는 이 단계에서 Mn 산화물은 MnO로 환원되고 산화철은 금속 철로 환원됩니다.
• 액체 슬래그 형성 및 산화 망간 환원 – 이 단계는 온도가 불확실한 코크스 베드 상단에서 완료되며 다음과 같이 평가할 수 있습니다. 10% ~ 25% 범위의 Fe-Mn(SiO2 환원 시작 전)과 함께 1500℃에서 슬래그의 평형 Mn 산화물 함량은 슬래그 조성에 따라 다릅니다. 노 굴착 동안 코크스 베드 상단에서 채취한 슬래그 샘플은 약 10% MnO를 함유했습니다. 슬래그 내 MnO의 이러한 낮은 함량은 1550℃보다 높은 온도에서 예상된다. 또한, 액체 슬래그는 코크스 베드를 통해 스며들기 위해 낮은 점도를 가져야 한다. 따라서 코크스 베드 상단의 온도는 섭씨 1550도에서 1600도 사이가 될 것으로 예상됩니다.
• 슬래그로부터 SiO2의 환원 및 MnO의 추가 환원 – 이 단계는 1550°C ~ 1650°C의 온도 범위에서 발생합니다. 코크스 베드에서 슬래그의 SiO2 함량은 40% 범위일 것으로 예상됩니다. 최종 슬래그에서와 동일한 45%까지. 이는 석영이 슬래그로 용해되는 속도가 슬래그로부터 SiO2가 환원되는 속도에 가깝고 슬래그 내 SiO2 농도를 비교적 일정하게 유지한다는 것을 나타냅니다. 슬래그의 MnO 함량은 약 5% ~ 10%로 추가로 감소합니다. 이 슬래그는 일반적으로 폐기됩니다.

노 내부의 기체상의 주요 성분은 CO입니다. 일산화규소(SiO)와 Mn 증기는 소량만 존재합니다. 용광로 상단 부근의 낮은 온도에서 가스에는 CO2와 수증기도 포함됩니다.

환원 반응은 광석 조성을 변화시켜 광석의 용융 온도 및 기타 특성을 변화시킵니다. 이러한 변화의 속도는 온도, 광석 조성 및 형태, 탄소질 재료의 특성 등과 같은 여러 매개변수의 영향을 받는 환원율에 따라 다릅니다.

Si-Mn 1톤당 슬래그의 양은 주로 광석/슬래그 비율에 의해 결정됩니다. Mn 광석을 희생시키면서 Fe-Mn 슬래그의 점유율이 증가하면 Si-Mn 생산 공정에서 더 큰 슬래그/금속 비율이 발생합니다. 많은 양의 슬래그는 에너지 소비를 증가시키고 아마도 최종 슬래그에서 Mn 개재물의 손실을 증가시킬 것입니다.

Si-Mn 제련의 경제성은 Mn이 슬래그에 용해되어 금속 개재물인 Mn의 손실을 최소화하고 Si 함량이 높고 C 함량이 낮은 합금을 생산함으로써 향상됩니다.

약 30% Si를 함유한 저탄소 Si-Mn은 Fe-Si 합금 산업에서 Si 폐기물을 추가하여 표준 합금을 업그레이드하여 생산됩니다.

Mn 광석, 높은 C Fe-Mn 슬래그 및 Si가 풍부한 금속 재용융물의 혼합물로부터 표준 Si-Mn 합금 생산을 위한 특정 전력 소비는 일반적으로 Si-Mn 톤당 3500kWh에서 4500kWh일 수 있으며 의존적입니다. 우선 피드에 추가된 금속의 양입니다. 소비 전력은 생산된 Si-Mn의 Si 함량과 Si-Mn 1톤당 슬래그의 양이 증가함에 따라 증가합니다. 슬래그 100kg을 추가로 생산할 때마다 추가로 약 50kWh의 전기 에너지를 소비합니다. Si-Mn 톤당 약 100kWh 및 일부 코크스는 제련 환원 구역에서 상승하는 CO 가스에 의해 장입물의 광석 분획이 MnO로 환원되는 경우 절약됩니다.