تولید فرومنگنز بر اساس احیاء کانی های اکسیدی پر عیار منگنز توسط کربن در درجه حرارتهای بالا میباشد. این فرآیند با تولید سرباره همراه بوده و نسبت سرباره به محصول با توجه به کیفیت مواد اولیه و روش تولید بین 5/1–5/0 در نوسان است.
مواد اولیه تولید فرومنگنز
مواد اولیه مورد نیاز فرآیند تولید فرومنگنز عبارتند از سنگ منگنز پر عیار کک، متالورژی و زغالسنگ به عنوان عوامل احیاء کننده و آهک یا دولومیت به عنوان روانساز .(flux) در صورت پائین بودن درصد آهن در سنگ منگنز استفاده از گندله سنگ آهن و یا پوسته اکسیدی و براده آهن توصیه شده است. با توجه به حلالیت کربن در منگنز محصول خروجی از کربن اشباع است و سرباره نیز حاوی MgO,Cao,SiO2,Mn0و غیره میباشد.
مواد اولیه ابتدا با بکارگیری مکانیزمهای معمول انتقال مواد با درصدهای وزنی مشخص با هم مخلوط شده و مخلوط مواد اولیه پس از انتقال به قیفهای شارژ، در نهایت از طریق لولههای شارژ به کوره منتقل می شوند.
فلز منگنز به صورت خالص در طبیعت یافت نمیشود و سنگ معدن آن عمدتاً حاوی اکسیدهای مختلف (MnO2، Mn2O3و MnO) در کنار اکسیدهای سیلیسیم می باشد. این سنگ ها حاوی ناخالصی هایی نظیر ناخالصیهای فلزی، گانگ، مواد فرار و مواد غیر فلزی میباشد.
واکنش اصلی فرآیند احیای منگنز توسط کربن به صورت میباشد و بدلیل آنکه امکان احیاء اکسیدهایی نظیر SiO2,MgO,Al203,CaO وجود ندارد، این اکسیدها تشکیل فاز سرباره میدهند. با این وجود امکان احیاء مقدار کمی از این اکسیدها وجود دارد و به همین دلیل فرومنگنز همواره حاوی Mg،Ca،Al، Siمیباشد.
از سوی دیگر مقداری از منگنز نیز بصورت اکسید منگنز MnO با سیلیکاتهای MnO.SiO2 در سرباره حل میشود، به همین دلیل تلفات منگنز نیز در فاز سرباره همواره مطرح میباشد. به دلیل حلالیت نسبتاً زیاد کربن در منگنز (بصورت تشکیل کاربید منگنز)، این عنصر تا حد اشباع در فرومنگنز حل میشود، از این رو فرومنگنز تولید شده، عمدتا حاوی تا هفت درصد کربن میباشد. حضور سیلیسیم، حلالیت کربن را در فرومنگنز کاهش میدهد و این ویژگی نقطه عطف تولید فرومنگنز کم کربن میباشد.
احیاء منگنز درون کوره، با توجه به درجه حرارتهای متناوب، در مراحل مختلفی انجام میپذیرد، الکترود در داخل بستر کک قرار دارد و فاز مذاب و سرباره در کف کوره تجمع مییابد. مخلوط شارژ نیز از بستر کک تا لبه کوره موجود بوده که هر چه به سطح کوره نزدیک تر شویم، درجه حرارت مخلوط شارژ کمتر میشود. در تولید فرومنگنز تا قبل از رسیدن به درجه حرارت °C۱۴۲۰، امکان تشکیل منگنز وجود ندارد. به عبارت دیگر تا وقتی که فاز مایع برقرار نشود، منگنز فلزی در سیستم ظاهر نمیشود و احیاء منگنز حین عبور تدریجی این فاز مایع از بستر کک انجام می پذیرد.
باید دانست که با توجه به درجه حرارت بالای انجام واکنشهای احیایی، احیاء اکسیدهای فلزی نظیر CaO,MgO,Al2O3,SiO2 در فرآیند تولید فرومنگنز امکان پذیر نیست و این اکسیدها پس از ذوب، تشکیل فاز سربارهای میدهند. وجود این اکسیدها در کنار Feo,MgO باعث تشکیل یک سری محلولهای پیوسته جامد و مایع میشود. این محلولها شامل دو نوع سیلیکات منگنز هستند که باعث حل شدن مقداری MnO در سرباره میشود. وجود این سیلیکاتها احیاء MnO از سرباره را مشکل میسازد و در نتیجه مقدار MnO محتوی در سرباره تا بیش از ۴۰ درصد محتمل است، برای کاهش MnO محتوی در سرباره لازم است MnO به عنوان بنیان سیلیکات با Cao یا Mgo جایگزین شود.
با توجه به اهمیت تولید فرومنگنز دو شیوه تولید برای فرومنگنز مطرح است: روش سرباره کم منگنز (یا سرباره بازی) و سرباره غنی از منگنز (یا سرباره اسیدی)
در روش سرباره بازی، با استفاده از مواد افزودنی بازی نظیر آهک و دولومیت، Cao و MgO محتوی در این مواد جایگزین MnO موجود در سرباره میشود، در نتیجه مقدار منگنز محتوی در سرباره از۴۰-30درصد به ۲۰-10 درصد کاهش مییابد. این ویژگی یکی از عوامل مهم کنترل بازیسته سرباره می باشد.
به منظور بررسی بازیسیته سرباره و با توجه به این که سرباره عمدتاً حاوی CaO,SiO2,MnO میباشد، بطور کلی سرباره بازی دارای نقطه ذوب بالاتری از سرباره اصلی میباشد. سرباره بازی گرمتر، انجام واکنش میان سرباره و کک و در نتیجه احیای منگنز را تسریع میکند. به عبارت دیگر بازیسیته سرباره تا حد مشخصی تنظیمکننده درجه حرارت و مقدار منگنز محتوی در سرباره است.
افزایش میزان CaO در سرباره علاوه بر افزایش درجه حرارت سرباره باعث افزایش واکنشپذیری MnO نیز خواهد شد. به طور کلی و بر اساس تجارب حاصله برای حصول به سرباره ای با 40-30 درصد منگنز، بازیسیته 6/0-75/0 درصد مناسب است. در مقادیر کمتر از 6/0 درصد، سرباره سرد بوده و احیای MnO بسیار مشکل است. سربارههای اسیدی با بازیسیته کمتر از 55/0 همواره حاوی مقادیر زیادی MnO خواهند بود. برای کاهش میزان منگنز در سرباره با استفاده از مواد روان کننده سرباره (آهک دولومیت)، بازیسیته سرباره به 2/1 و بیشتر افزایش داده میشود وجود CaO در سرباره از تشکیل MnOSiO2 جلوگیری کرده و همچنین مانع از احیاء SiO2 میشود و در مجموع میزان منگنز محتوی در سرباره را کاهش می دهد.
کاهش منگنز محتوی با افزایش بازیسیته محدودیت دارد، به عبارت دیگر با رسیدن به مرز مشخصی حتی افزایش بازیسیته نیز نمیتواند باعث کاهش درصد منگنز در سرباره شود. افزایش بازیسیته از نظر کاهش منگنز محتوی در سرباره مفید میباشد ولی به دلیل افزایش درجه حرارت ذوب و احیاء، تلفات منگنز به صورت تبخیر را افزایش میدهد، هر چند نقطه جوش منگنز°C۲۰۳۶ است، ولی باید بخاطر داشت که حصول چنین دماهایی در کوره قوس امکان پذیر بوده و از طرف دیگر هر گونه افزایش دما، باعث افزایش فشار بخار می گردد.
استفاده از روش سرباره بازی تلفات منگنز در سرباره را کاهش داده ولی تلفات منگنز را به صورت بخار و در گازهای خروجی کوره افزایش میدهد، بنابراین میزان بازیابی منگنز در محصول میتواند در هر دو حالت یکسان باشد و تنها تابع شرایط سرباره نیست.
در حالت سرباره اسیدی تلفات در گاز خروجی کم شده است ولی تلفات سربارهای زیاد میباشد. با این حال در مجموع بازیابی Mn در محصول بیشتر است. افزایش تلفات Mn به صورت تبخیر در حالت بازی باعث افزایش مصرف انرژی و همچنین مصرف مواد کربنی میشود.
جهت تخلیه مذاب و سرباره تولیدی، کوره مجهز به دهانه بارگیری بوده که در فواصل زمانی مناسب توسط روشهای معمول اعم از دریل مکانیکی قوس الکتریکی و دمش اکسیژن باز شده و مذاب و سرباره کوره به داخل پاتیل تخلیه میشود. بدلیل اختلاف چگالی سرباره و مذاب فرومنگنز تولیدی جهت جدایش سرباره و مذاب از روش ثقلی استفاده میشود و پاتیلهای فلز و سرباره بصورت پلکانی چیده میشود، تا بر اثر اختلاف دانسیته جدایش مذاب و سرباره صورت پذیرد.
پس از پر شدن پاتیل مذاب، دهانه بارگیری توسط توپی بسته شده و پاتیلهای مذاب و سرباره بصورت مجزا به محل ریخته‌گری در نظر گرفته شده منتقل میشود. انتقال پاتیل توسط جرثقیل سقفی انجام میشود. مذاب در بستر ریخته‌گری ریخته شده و پس از سرد شدن، خرد، دانه بندی و بسته بندی میشود.
سخن آخر
همانگونه که اشاره شد فرآیند ذوب و احیاء سنگ منگنز، با تولید غبار همراه است که همراه با گازهای خروجی از دودکش خارج میشوند. به منظور حفظ محیط زیست خط تولید میبایست مجهز به سیستم غبارگیر باشد. گازهای خروجی از کوره پس از خنک شدن به ساختمان غبارگیر هدایت شده و پس از غبارگیری وارد محیط می شوند و غبار جمع آوری شده در سیلو ذخیره میشود.
همچنین در این فرآیند، به منظور حفاظت تجهیزات کوره از درجه حرارت زیاد داخل کوره، تجهیزات حساس کوره، جهت خنک سازی بصورت آبگرد طراحی میشوند. آب مورد نیاز سیستم پس از تصفیه در یک مدار بسته به گردش درآمده و پس از خنک کردن تجهیزات به یک مبدل حرارتی منتقل می شود.
مطالب مرتبط