بررسی و محاسبه ارزش انواع سنگ معدن منگنز در تولید فروسیلیکومنگنز

مقدمه

تنوع انواع  سنگ معدن منگنز که در تولید فروآلیاژها مورد استفاده قرار می‌گیرند، منجر به توسعه و بهبود روش‌های ارزیابی متالورژیکی آن‌ها شده است. روش‌های محاسباتی برای این ارزیابی بر اساس ترکیب شیمیایی مواد خام انجام می‌شود. رایج‌ترین روش برای تعیین کیفیت سنگ‌های منگنز و کنسانتره‌ها به ترکیب شیمیایی آن‌ها وابسته است و همچنین محتوای منگنز، آهن و فسفر و مقدار و ترکیب ناخالصی‌ها را در نظر می‌گیرد. این رویکرد به ما این امکان را می‌دهد تا میزان احیاء منگنز را با استفاده از فرمول‌های آماری که برای تولید فروسیلیکومنگنز و فرومنگنز کربن بالا استخراج شده‌اند، تخمین بزنیم.

مواد اولیه و روش‌ها

برای ارزیابی متالورژیکی، چند نوع کانی معدنی منگنز را از معادن مختلف در روسیه، اوکراین و آفریقای جنوبی انتخاب کردیم (جدول ۱).

ارزیابی متالورژیکی انجام‌شده بر اساس روش آماری نشان می‌دهد که این مواد می‌توانند برای تولید فروسیلیکومنگنز و هم فرومنگنز با کربن بالا استفاده شوند. شاخص‌های اصلی کیفیت که شامل KS  نشان‌دهنده محتوای فسفر موجود در سنگ معدن، RO مقدار و ترکیب ناخالصی‌ها و MF محتوای آهن در سنگ معدن می باشند.

هرچه ضریب KS بالاتر باشد، دسترسی مواد خام از نظر محتوای فسفر بیشتر خواهد بود و مقدار بیشتری از مواد خام منگنز فسفر دار باید به این مواد اضافه شود. علامت منفی قبل از این شاخص نشان می‌دهد که بدون افزودن مواد خام با کیفیت بالا و محتوای پایین فسفر، نمی‌توان آلیاژ مناسبی با این سطح از فسفر تولید کرد.

جدول ۱. محتوای عناصر و اکسیدهای اصلی در مواد خام سنگ معدن منگنز (%) و شاخص‌های کیفیت محاسبه‌شده به صورت آماری برای تولید فروسیلیکومنگنز با کربن بالا

شماره	ماده	Mn	Fe	P	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	P.P.P.	⟨P⟩ / ⟨Mn⟩	⟨SiO2⟩ / ⟨Mn⟩	KS	RO	MF
۱	کنسانتره اکسیدی درجه ۱ (اوکراین)	۴۳.۶	۱.۵۱	۰.۲۴۶	۱۲.۲۶	۲.۹۷	۰.۸۶	۱.۷۲	۱۳.۳۲	۰.۰۰۵۶	۰.۲۸۱۲	۰.۲۲۵	۴۰.۹۷	۲۳.۰۰
۲	کنسانتره اکسیدی درجه ۱B (اوکراین)	۴۱.۹	۱.۶۹	۰.۱۸۹	۱۲.۶۲	۳.۷۹	۰.۹۴	۱.۸۶	۱۴.۳۴	۰.۰۰۴۵	۰.۳۰۱۲	۰.۳۷۷۵	۴۰.۱۴	۱۹.۶۶
۳	کنسانتره اکسیدی درجه ۲ (اوکراین)	۳۴.۷	۲.۳۴	۰.۱۸	۲۶.۶۲	۳.۱۲	۰.۷۸	۲.۰۴	۱۲.۱۴	۰.۰۰۵۲	۰.۷۶۷۱	۰.۱۹۶۴	۱۳.۹۹	۱۰.۴۸
۴	کنسانتره اکسید-کربنات (اوکراین)	۲۷.۱	۲.۵۱	۰.۱۶۴	۱۸.۴۲	۱۰.۵	۱.۱۹	۱.۶۹	۲۴.۶	۰.۰۰۶۱	۰.۶۷۹۷	۰.۰۸۳۶	۲۷.۶۵	۷.۸۰
۵	اگلومره پورژینسک (روسیه)	۳۸.۷	۷.۷	۰.۲۳	۱۳.۵	۱.۴	۰.۵	۷	۰	۰.۰۰۵۹	۰.۳۴۸۸	۰.۱۷۰۶	۲۷.۳۰	۳.۹۴
۶	سنگ معدن RSA شماره ۱	۳۹	۴.۵	۰.۱	۵.۶	۱۳.۵	۳.۹	۰.۳	۱۳.۵	۰.۰۰۲۶	۰.۱۴۳۶	۰.۶۵۸۷	۶۰.۵۳	۷.۱۳
۷	سنگ معدن RSA شماره ۲	۳۷.۵	۶.۹	۰.۰۲۲	۵.۷	۱۴.۹	۲.۹	۰.۸	۱۵.۹	۰.۰۰۰۶	۰.۱۵۲۰	۰.۹۲۱۸	۶۰.۳۶	۴.۴۶
۸	سنگ معدن RSA شماره ۳	۴۳.۹	۱۲.۹	۰.۰۳۵	۵.۹	۸.۶	۰.۷	۱.۳	۳.۷	۰.۰۰۰۸	۰.۱۳۴۴	۰.۸۹۴۱	۴۹.۴۱	۲.۸۰

 

جدول ۲. مصرف ویژه مواد برای تولید فرو منگنز پرکربن (کیلوگرم بر تن پایه)

شماره*	سنگ معدن منگنز (کیلوگرم)	سنگ آهک (کیلوگرم)	کوارتزیت (کیلوگرم)	کک ریز (کیلوگرم)	کل شارژ (کیلوگرم)
1	۲۲۲۸.۷	۳۵۵.۰	۰	۳۸۸.۷	۲۹۷۲.۴
2	۲۳۳۲.۵	۳۵۵.۰	۰	۳۹۱.۵	۳۰۷۹.۰
3	۳۴۲۹.۵	۱۲۳۶.۴	۰	۵۰۱.۲	۵۱۶۷.۱
4	۳۹۰۶.۱	۵۰۲.۴	۰	۴۵۴.۷	۴۸۶۳.۲
5	۲۳۹۱.۸	۵۵۸.۹	۰	۳۵۷.۸	۳۳۰۸.۶
6	۲۶۰۳.۹	۰	۲۲۸.۵	۴۱۵.۹	۳۲۴۸.۳
7	۲۷۱۸.۲	۰	۲۷۶.۲	۴۴۷.۶	۳۴۴۱.۹
8	۲۰۸۶.۸	۰	۵۲.۸	۴۷۶.۵	۲۶۱۶.۱

*شماره‌ها مطابق با شماره مواد اولیه سنگ معدن منگنز در جدول ۱ هستند.

به طور خلاصه و ساده این که :

• تنوع مواد خام: سنگ‌های منگنز مختلفی در تولید فروآلیاژها وجود دارند که به ما کمک می‌کنند روش‌های بهتری برای ارزیابی آن‌ها پیدا کنیم.
• روش‌های ارزیابی: برای ارزیابی کیفیت این مواد، ما به ترکیب شیمیایی آن‌ها نگاه می‌کنیم. یکی از بهترین روش‌ها این است که مقدار منگنز، آهن و فسفر را اندازه‌گیری کنیم و همچنین نوع ناخالصی‌ها را بررسی کنیم.
• احیای منگنز: با استفاده از این اطلاعات، می‌توانیم تخمین بزنیم که چه مقدار منگنز می‌توانیم با استفاده از فرمول‌های خاص، برای تولید آلیاژهای مختلف به دست بیاوریم.
• استفاده از مواد معدنی: ارزیابی‌ها نشان می‌دهد که می‌توان از این مواد برای تولید دو نوع آلیاژ، یعنی فروسیلیکومنگنز و آلیاژهای منگنز با کربن بالا، استفاده کرد.
• نقش محتوای فسفر: هرچه مقدار فسفر در مواد خام بیشتر باشد، باید مقدار بیشتری از این مواد به آلیاژ اضافه کنیم. اگر محتوای فسفر زیاد باشد، برای تولید آلیاژ با کیفیت خوب، باید مواد خام دیگری که محتوای فسفر کمی دارند، اضافه کنیم.

تحلیل شاخص‌های مواد اولیه

ضریب RO: ضریب RO نشان‌دهنده مجموع اکسیدهای اصلی (و اکسیدهای منگنز تبدیل شده به منگنز) بر حسب جرم خشک مواد اولیه سنگ معدن منگنز است. مواد اولیه با RO کمتر از ۳۵ برای تولید سیلیکومنگنز مناسب هستند. مواد اولیه با RO بیشتر از ۵۵ برای تولید فرومنگنز بدون استفاده از فلاکس مناسب‌اند. همچنین، مواد اولیه با RO بین ۳۵ تا ۵۵ برای تولید سیلیکومنگنز و فرومنگنز با استفاده از روش‌های همراه با فلاکس مناسب‌اند (این فرآیند باعث مصرف بیشتر انرژی برق و مواد فلاکس می‌شود).

شاخص MF: شاخص MF نشان‌دهنده میزان آهن است. برای تولید سیلیکومنگنز با محتوای منگنز ≥۷۳%، این شاخص باید بیشتر از ۱۲ باشد. برای تولید فرومنگنز با محتوای منگنز ≥۷۸%، این شاخص باید بیشتر از ۷.۵ باشد. بنابراین، مواد شماره ۱ و ۲ (مطابق جدول ۱) می‌توانند بدون نیاز به افزودن مواد اولیه سنگ معدن منگنز برای تولید هر دو نوع فرومنگنز پرکربن و سیلیکومنگنز استفاده شوند. مواد شماره ۳ و ۴ برای تولید فرومنگنز پرکربن بدون نیاز به شارژ اضافی مناسب‌اند. مواد شماره ۵ تا ۸ نیاز به شارژ اضافی مواد اولیه غنی از منگنز با محتوای کم آهن دارند.

محتوای فسفر:از نظر محتوای فسفر، همه موارد می‌توانند برای تولید فرومنگنز پرکربن با استفاده از روش همراه با فلاکس به‌کار گرفته شوند.

به طور خلاصه اینکه:

• ضریب RO:
  • RO < 35 → مناسب برای سیلیکومنگنز.
  • RO > 55 → مناسب برای فرومنگنز بدون فلاکس.
  • RO بین 35 تا 55 → مناسب برای سیلیکومنگنز و فرومنگنز با فلاکس.
• شاخص MF:
  • MF ≥ 12 → مناسب برای سیلیکومنگنز با منگنز ≥73%.
  • MF ≥ 7.5 → مناسب برای فرومنگنز با منگنز ≥78%.
• مواد اولیه:
  • مواد ۱ و ۲ → مناسب برای هر دو (فرومنگنز و سیلیکومنگنز) بدون نیاز به شارژ اضافی.
  • مواد ۳ و ۴ → مناسب برای فرومنگنز پرکربن بدون شارژ اضافی.
  • مواد ۵ تا ۸ → نیاز به شارژ اضافی مواد غنی از منگنز با آهن کم.

نتایج آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌ها

برای انجام محاسبات تکنولوژیکی جهت تعیین مصرف انرژی الکتریکی و مواد، نیازمند داده‌هایی درباره میزان احیای منگنز در آلیاژ ηMn هستیم.

در یک مقاله تحقیقاتی، نشان داده شد که برای سنگ‌های معدنی با تفاوت‌های زیاد، می‌توان میزان احیای منگنز را با استفاده از محاسبات ترمودینامیکی در فرآیند تولید فروآلیاژها از طریق روش کربوترمیک پیش‌بینی کرد.

برای شبیه‌سازی‌های ترمودینامیکی، از نرم‌افزار HSC Chemistry 5.0 استفاده شد که مخصوص احیای کربوترمیک در دمای ۱۶۲۰ درجه سانتی‌گراد طراحی شده است. برای محاسبه ηMn از روش آماری و شبیه‌سازی ترمودینامیکی، از شارژهایی با نسبت CaO/SiO2 = 1.1 استفاده کردیم.

داده‌های ترمودینامیکی به‌دست‌آمده، نشان‌دهنده درجه تئوریک احیای منگنز است که به دلیل مشکلات مختلفی مثل ضایعات، بازگشت‌ها، تبخیر در حین ریخته‌گری و دیگر خسارات غیرقابل پیش‌بینی، معمولاً بالاتر از میزان واقعی احیا در کوره‌های الکتریکی است. این خسارات بین ۳ تا ۷ درصد برآورد شده و ما به‌طور متوسط ۵ درصد خسارت ناشی از مواد اولیه را در نظر گرفتیم.

جدول ۲، مقدار مواد لازم برای تولید فروسیلیکومنگنز با کربن بالا را نشان می‌دهد. مصرف مواد برای ذوب ۱ تن FMn78 از کنسانتره اکسید درجه ۲ (اوکراین) به‌طور چشمگیری بیشتر از سایر مواد معدنی است. این موضوع به مصرف بیشتر انرژی الکتریکی و همچنین احیای کمتر منگنز از این ماده خام مربوط می‌شود.

شکل ۱ درجات احیای منگنز برای تولید فروسیلیکومنگنز با کربن بالا را، که با روش‌های آماری و ترمودینامیکی به‌دست‌آمده‌اند، نشان می‌دهد. نتایج هر دو روش با یکدیگر مطابقت دارند و می‌توانند برای محاسبات فنی مورد استفاده قرار گیرند. اختلافات جزئی در مواد ۳، ۵ و ۸ احتمالاً به دلیل نسبت بالای بازیسیته (در ماده ۸) و یا پایین بودن آن (در مواد ۳ و ۵) است که این مواد نیاز به افزودنی‌های اصلاحی مانند سنگ آهک یا کوارتزیت دارند تا سنگ معدن را رقیق کنند.

موضوع قابلیت استفاده از محاسبات ترمودینامیکی در احیای منگنز نیازمند تحقیقات و مقایسه‌های بیشتری با داده‌های صنعتی است.

بحث و تحلیل نتایج

مواد ۱، ۲، ۵ و ۸ بهترین مواد برای احیای منگنز هستند که با داده‌های آماری مطابقت دارد. همان‌طور که در مقالات مرتبط نیز نشان داده شده است، احیای منگنز در فروآلیاژ با افزایش میزان منگنز در ماده معدنی افزایش می‌یابد.

 

نمودار ۱: درصد بازیابی منگنز

شکل ۱. درصدهای احیای منگنز به‌دست‌آمده از روش‌های آماری و ترمودینامیکی (شماره‌های مواد اولیه مطابق با شماره‌های مرتب‌شده در جدول ۱ هستند).

نمودار ۲: مصرف ویژه انرژی الکتریکی

شکل ۲. مصرف انرژی الکتریکی به ازای تولید هر تن فرو منگنز (شماره‌های مواد اولیه مطابق با شماره‌های مرتب‌شده در جدول ۱ هستند).

 

به طور خلاصه اینکه:

1. ضریب RO (اکسیدهای اصلی):
   • کمتر از ۳۵: مناسب برای تولید سیلیکومنگنز.
   • بیشتر از ۵۵: ایده‌آل برای تولید فرومنگنز بدون نیاز به افزودنی.
   • بین ۳۵ تا ۵۵: قابل استفاده برای تولید هر دو آلیاژ سیلیکومنگنز و فرومنگنز با افزودنی (که مصرف برق و مواد افزایش می‌یابد).
2. شاخص MF (محتوای آهن):
   • سیلیکومنگنز (Mn ≥۷۳%): شاخص MF باید بیشتر از ۱۲ باشد.
   • فرومنگنز (Mn ≥۷۸%): شاخص MF باید بیشتر از ۷.۵ باشد.
   • مواد شماره ۱ و ۲: بهترین گزینه برای تولید هر دو نوع آلیاژ بدون نیاز به مواد اضافی.
   • مواد شماره ۳ و ۴: مناسب برای تولید فرومنگنز بدون افزودنی.
   • مواد شماره ۵ تا ۸: نیازمند افزودنی‌های غنی از منگنز و کم‌ آهن.
3. محتوای فسفر:
   • تمام مواد قابل استفاده برای تولید فرومنگنز پرکربن با روش همراه با فلاکس هستند.
4. مصرف انرژی و استحصال منگنز:
   • محاسبات ترمودینامیکی و آماری برای پیش‌بینی استحصال منگنز و مصرف انرژی دقیق ضروری هستند.
   • مواد ۱، ۲، ۵ و ۸ بالاترین استحصال منگنز و کمترین مصرف برق را دارند.

نهایتا:
مواد اولیه با شاخص‌های RO و MF مناسب می‌توانند بهره‌وری بالاتری در تولید آلیاژهای فرومنگنز و سیلیکومنگنز داشته باشند، و استفاده از شبیه‌سازی ترمودینامیکی به بهینه‌سازی فرآیند کمک می‌کند.

 

نتیجه‌گیری:

ارزش‌های متالورژیکی مواد خام منگنز از کشورهای روسیه، اوکراین و آفریقای جنوبی مورد بررسی و محاسبه قرار گرفت. همچنین، درجه احیای منگنز از این مواد برای تولید فروسیلیکومنگنز با کربن بالا، با استفاده از شبیه‌سازی ترمودینامیکی و روش آماری، محاسبه شد.

نتایج نشان داد که می‌توان از ترکیب شبیه‌سازی ترمودینامیکی تولید فروآلیاژهای کربوترمیک و روش‌های آماری، برای برآورد دقیق احیای منگنز استفاده کرد. بررسی‌ها حاکی از آن است که مواد شماره ۱، ۲، ۵ و ۸، با داشتن بالاترین شاخص‌های احیای منگنز و کمترین مصرف انرژی الکتریکی، به‌عنوان بهترین مواد برای تولید فروسیلیکومنگنز با کربن بالا شناخته می‌شوند.

 

مراجع:

این مقاله ترجمه و تحلیلی اجمالی بر مقاله روسی چاپ شده در مجله متالورژی روسیه می باشد. لینک و دانلود اصل مقاله