Nghiên cứu công nghệ sản xuất ferro mangan từ quặng mangan vùng Hà Giang

i

BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN




BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ
“NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT FERRO MANGAN
TỪ QUẶNG MANGAN VÙNG HÀ GIANG”

Cơ quan chủ quản : Tổng công ty thép Việt Nam
Cơ quan chủ trì: Viện Luyện kim đen
Chủ nhiệm đề tài: Th.S Đinh Văn Tâm


7688
05/02/2010



Tháng 12 – 2009

ii

BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM

VIỆN LUYỆN KIM ĐEN



BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ
“NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT FERRO MANGAN
TỪ QUẶNG MANGAN VÙNG HÀ GIANG”




VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
VIỆN TRƯỞNG


Đinh Văn Tâm


Tháng 12 – 2009

iii

NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

TT Họ và tên Học vị Cơ quan công tác
1 Đinh Văn Tâm Thạc sĩ Viện luyện kim đen
2 Nguyễn Quang Dũng Thạc sĩ Viện luyện kim đen
3 Nguyễn Hồng Phúc Kỹ sư Viện luyện kim đen

iv

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT FERRO
MANGAN
3
I. PHÂN LOẠI VÀ SỬ DỤNG 3
II. FERRO MANGAN 4
1. Khái niệm và công dụng 4
2. Phân loại 5
III. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT FERRO MANGAN 8
1. Căn cứ theo thiết bị 8

1.1 Phương pháp lò cao
8
1.2 Phương pháp lò điện
9
1.3 Phương pháp lò thổi ô xy
11
2. Căn cứ theo nguồn nhiệt 12
2.1Phương pháp nhiệt các bon
13
2. 2. Phương pháp nhiệt điện
13
2.3 Phương pháp nhiệt điện silíc
13
2.4 Phương pháp nhiệt kim
13
3. Căn cứ theo công nghệ 13
IV. NGUYÊN LÝ LUYỆN FERRO MANGAN 13
CH ƯƠNG II: QUẶNG MANGAN 20
1. Các loại quặng Mangan 20
2. Quặng Mangan ở Việt Nam 21
3. Quặng Mangan ở Hà Giang 23
4. Tuyển quặng Mangan Hà Giang 25
CHƯƠNG III: SẢN XUẤT FERRO MANGAN 29
I. CHẤT HOÀN NGUYÊN 29
II. ĐIỆN CỰC VÀ SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC 31
1. Yêu cầu đối với điện cực 31
2. Phân loại điện cực 31
3. Tính năng của các loại điện cực 32
4. Chế tạo điện cực tự thiêu 33
III. SẢN XUẤT FERRO MANGAN CÁC BON BẰNG PHƯƠNG LÒ

ĐIỆN
36
1. Phương pháp sản xuất 36

v

2. Nguyên liệu 37
3. Công nghệ luyện 37
IV. SẢN XUẤT FERRO MANGAN TỪ QUẶNG MANGAN HÀ GIANG 38
1. Tính toán phối liệu luyện fero mangan cácbon cao 39
1.1 Thành phần nguyên liệu 39
1.2 Các thông số nấu luyện 39
1.3 Tính toán phối liệu 40
2. Nấu luyện thí nghiệm và kết quả 42
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45
1. Kết luận 45
2. Kiến nghị 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO 47
PHẦN PHỤ LỤC 48


- 1
-

MỞ ĐẦU

Ferro là hợp kim của một hay nhiều nguyên tố kim loại hoặc phi
kim loại với sắt nên gọi là hợp kim sắt. Nó được dùng làm nguyên liệu để
khử ô xy và hợp kim hoá nhằm cải thiện cơ, lý tính và nâng cao chất
lượng của vật liệu gang và thép. Từ sản xuất những loại thép thông

thường đến những thép hợp kim, thép chuyên dùng, thép đặc biệt đều cần
phải sử dụng đến ferro.
Từ cuối thế kỷ 20 công nghệ sản xuất ferro đã phát triển và có
nhiều tiến bộ, sản xuất ngày càng hiệu quả hơn. Quá trình sản xuất ferro
đã theo lưu trình khép kín, ứng dụng lò thổi, lò điện một chiều, lò plasma,
kỹ thuật chân không vv và tinh luyện nâng cao chất lượng, tạo ra nhiều
loại ferro và hợp kim mới, giảm giá thành sản xuất, giải quyết được vấn
đề xử lý môi trường luyện kim.
Ở nước ta sản xuất ferro bắt đầu từ năm 1977 khi ra đời xưởng hợp
kim sắt - Công ty gang thép Thái nguyên. Sản phẩm chủ yếu là FeMn,
FeSi, FeCr với hàm lượng các bon cao. Tuy nhiên quy mô công suất nhỏ
lò điện lớn nhất là 3500 kVA. Ngoài ra cũng có một số đơn vị khác như
Nhà máy hợp kim sắt Nhà Bè, Công ty TNHH Vạn Lợi vv cũng đã sản
xuất nhưng sản lượng thấp, quy mô nhỏ.
Sản xuất ferro mangan ở Việt nam đến nay cũng chỉ sản xuất được
ferro mangan các bon cao và chủ yếu từ quặng mangan Cao Bằng có hàm
lượng mangan > 40 % và hàm lượng Fe < 7%. .
Quặng mangan ở nước ta có ở nhiều nơi như Cao Bằng, Tuyên
Quang, Hà Giang, Nghệ An, Quảng Bình. Nhưng khai thác đưa vào sản
xuất ferro mangan thì đến nay chủ yếu là sử dụng quặng mangan Cao
Bằng, còn quặng mangan ở các địa phương khác được sử dụng rất ít.
Quặng mangan Hà Giang có đặc điểm nằm trải rộng các huyện Quản Bạ,
- 2
-
Vị Xuyên, Bắc Quang và có hàm lượng mangan thấp từ 15 - 38%, hàm
lượng sắt cao từ 7 - 15 % , tỷ lệ Mn/Fe thấp do đó hiện nay chưa có nơi
nào sử dụng để sản xuất ferro mangan. Trừ một số điểm quặng có hàm
lượng mangan cao nhưng rất ít. Việc nghiên cứu sử dụng quặng mangan
Hà Giang để sản xuất ferro mangan có ý nghĩa rất lớn vì có thể tận dụng
được một lượng lớn quặng mangan và sản xuất ferro mangan mang lại lợi

ích lớn từ nguồn tài nguyên của đất nước góp phần thúc đẩy công nghiệp
sản xuất ferro cũng như sản xuất thép của Việt Nam.
Cũng từ mục tiêu đó, Bộ công thương đã giao cho Viện Luyện kim
đen nghiên cứu công nghệ sản xuất Ferro Mangan từ quặng Mangan vùng
Hà Giang. Tập thể nhóm tác giả nghiên cứu cũng xin chân thành cảm ơn
Vụ Khoa học Công nghệ, Bộ Công thương, Tổng công ty Thép Việt
Nam, Sở Công thương, Sở Tài nguyên Môi trường - tỉnh Hà Giang, Viện
nghiên cứu Mỏ - Luyện kim đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành nhiệm vụ
nghiên cứu khoa học này.














- 3
-
Chương I
TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ
SẢN XUẤT FERRO MANGAN

I. PHÂN LOẠI VÀ SỬ DỤNG

Ferro là hợp kim giữa sắt với các nguyên tố hợp kim như Si, Mn,
Cr … để tạo thành ferrosilic (FeSi), ferro mangan (FeMn), ferrocrom
(FeCr). Mỗi loại ferro lại có nhiều mác như FeMn có FeMn các bon cao,
FeMn các bon trung bình, FeMn các bon thấp.
Ferro sử dụng trong luyện thép chủ yếu để khử ô xy và hợp kim
hoá. Quá trình ô xy hoá trong luyện thép phải cung cấp ô xy để khử bỏ
tạp chất có trong liệu kim loại. Khi nhiệm vụ khử tạp chất hoàn thành thì
phải khử ô xy dư thừa trong nước thép để có được thỏi thép đạt yêu cầu,
đảm bảo chất lượng của vật liệu thép. Chất khử ô xy thường dùng trong
luyện thép là FeSi, FeMn, SiMn, Al …
Chất hợp kim hoá là những hợp kim có nguyên tố kim loại hoặc
phi kim loại cần thiết cho vào nước thép để tạo ra thành phần hoá học nước
thép đúng yêu cầu quy định. Các chất hợp kim hoá là các loại ferro như
FeSi, FeMn, FeCr, FeW … Như ta đã biết hàm lượng của các nguyên tố
hợp kim có trong thép quyết định đặc tính của loại thép. Ví dụ cho vào
thép một số nguyên tố Mn, Cr, Si … có thể làm tăng giới hạn bền, giới hạn
đàn hồi, thay đổi nhiệt độ chẩy của thép và còn tăng khả năng chống ô xy
hoá ở nhiệt độ cao. Thép hợp kim thấp (chứa 1,6% Mn, 0,25%Mo, 0,06%
Nb) có độ bền cao, tính hàn tốt, dùng để sản xuất đường ống dẫn khí vùng
cực Bắc giá lạnh.
Nguyên tố Nb cho vào thép không gỉ austenit Cr-Ni, thép Cr, thép
Cr-Mn và một số thép khác tạo thành NbC hạn chế sự phân huỷ của
austenit và tiết các bit của Cr ở vùng tinh giới, nguyên nhân gây nên ăn
- 4
-
mòn tinh giới và biến giòn của thép làm việc ở nhiệt độ 700 – 910
0
K .
Hợp kim của Nb với Ni, Co, Cr, Mo, Ti, Al được dùng để chế tạo động

cơ phản lực, tên lửa, tuabin khí …
Ferro còn được dùng nhiều trong công nghệ đúc để cải thiện tính
đúc và tính cơ học của vật đúc.
FeSi còn dùng làm chất hoàn nguyên để sản xuất FeMo, FeV,
SiMn để sản xuất FeMn chứa các bon thấp các loại.
Ngoài ra, ferro còn được dùng làm chất phụ gia cho luyên kim
mầu, làm chất huyền phủ trong tuyển khoáng ( bột FeSi) và công nghiệp
hoá chất.

II. FERRO MANGAN
1. Khái niệm và công dụng
Ferro mangan là hợp kim của mangan và sắt. Đây là sản phẩm trung
gian và là nguyên liệu quan trọng của luyện thép và sản xuất thép đúc nó
dùng để khử ô xy và hợp kim hoá để cải thiện tính năng cơ học và hoá lý,
nâng cao chất lượng của vật liệu gang, thép.
FeMn là một trong những loại ferro được sử dụng nhiều nhất, sản
lượng FeMn chiếm trên 50% tổng sản lượng các loại ferro vì trong hầu
hết các loại gang, thép đều chứa một hàm lượng nhất định mangan.
Không thể sản xuất thép mà không có ferro mangan. Do đó tốc độ phát
triển sản xuất ferro mangan đồng hành với phát triển sản xuất thép nói
chung cũng như sản xuất thép hợp kim có mangan. Ferro mangan còn
được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc để cải thiện tính đúc và cơ tính
của vật đúc.
FeMn dùng làm chất khử ô xy, khử sunfua và hợp kim hoá, là chất
khử ô xy không thể thiếu được trong quá trình luyện thép. Mangan trong
thép có thể làm nhỏ mịn hạt tinh thể thép, nâng cao độ thấm tôi. Mangan
thường dùng làm nguyên tố hợp kim để nâng cao độ bền của thép, cứ
- 5
-
tăng 1% Mn thì nâng giới hạn bền lên 9,8.10

5
Pa, đồng thời nâng cao cả
giới hạn dẻo. Khi hàm lượng Mn > 10% thì khả năng chống ăn mòn của
khí quyển tăng lên rất mạnh. Mn còn làm giảm tác hại của ô xy và lưu
huỳnh, nâng cao khả năng cán và rèn của thép. Thép với hàm lượng
mangan cao làm tăng khả năng chịu mài mòn của thép đặc biệt như mác
thép chứa 12 - 14% Mn được sử dụng rộng rãi trong chế tạo máy ở các bộ
phận đào đất, chi tiết thiết bị nghiền đập. Thường bình quân lượng sử
dụng Mn và hợp kim Mn chiếm khoảng 1% sản lượng thép và sản lượng
ferro mangan dùng cho luyện gang thép chiếm khoảng 95%.

2. Phân loại

Ferro mangan là hợp kim của sắt và mangan. Trong ferro còn có
chứa các nguyên tố khác như C, Si, P … Căn cứ vào hàm lượng các bon
trong ferro mà chia thành FeMn chứa các bon cao, trung bình, thấp.
FeMn chứa các bon cao còn gọi là ferro mangan các bon. Ngoài ferro
mangan còn có mangan kim loại và silico mangan. Tiêu chuẩn các loại
Ferro mangan của các nước ở các Bảng 1, Bảng 2, Bảng 3 sau:

- 6
-
Bảng 1: Ký hiệu và thành phần hoá học FeMn
của Trung Quốc (GB3795-87)

Phân
loại

Ký hiệu
Thành phần hoá học, %

Mn
C S P S
I II I II
≤
FeMn
cacbon
thấp
FeMn85C0,2 85,0-90,0

0,2 1,0 2,0 0,10

0,30

0,02

FeMn80C0,4 80,0-85,0

0,4 1,0 2,0 0,15

0,30

0,02

FeMn85C0,7 80,0-85,0

0,7 1,0 2,0 0,20

0,30

0,02

FeMn
cacbon
trung
bình
FeMn80C1,0 80,0-85,0

1,0 0,7 1,5 0,20

0,30

0,02

FeMn80C1,5

80,0
-
85,0

1,5

1,0

1,5

0,20

0,30

0,02

FeMn78C1,0 78,0-85,0

1,0 1,5 2,5 0,20

0,33

0,03

FeMn75C1,5 75,0-82,0

1,5 1,5 2,5 0,20

0,33

0,03

FeMn75C2,0 75,0-82,0

2,0 1,5 2,5 0,20

0,40

0,03

FeMn
cacbon
cao
FeMn79C7,5 79,0-85,0

7,5 1,2 1,2 0,20

0,30

0,03

FeMn79C7,5A

75,0-<79 7,5 1,2 1,2 0,20

0,30

0,03

FeMn79C7,5B

75,0
-
<79

7,5

1,5

2,5

0,20

0,33

0,03

FeMn70C7,0 70,0-75,0

7,0 2,0 3,0 0,20

0,38

0,03

FeMn65C7,0 65,0-70,0

7,0 2,5 4,5 0,20

0,40

0,03

- 7
-
Bảng 2: Ký hiệu và thành phần hoá học FeMn
của Nhật bản (JIS G2301 – 1978)


Phân loại

Ký hiệu

Thành phần hoá học, %
Mn

C

Si

P

S

≤
FeMn cacbon cao Số 0 FMnH
0
78-82 7,5 1,2 0,40 0,20
Số 1 FMnH
1
73-78 7,3 1,2 0,40 0,20
FeMn cacbon
trung bình
Số 0 FMnM
0
80-85 1,5 1,5 0,40 0,20
Số 2 FMnM
2
75-80 2,0 2,0 0,40 0,20
FeMn cacbon
thấp
Số 0 FMnL
0
80-85 1,0 1,5 0,35 0,20
Số 1 FMnL
1
75-80 1,0 1,5 0,40 0,20

Bảng 3: Ký hiệu và thành phần hoá học FeMn
của Nga ( ΓOCT4755-1980)

Phân loại

Ký hiệu

Thành phần hoá học, %
Mn C Si P S
≥ ≤
FeMn cacbon thấp ΦM
H
0,5 85,0 0,5 2,0 0,30 0,03

FeMn cacbon trung
bình
ΦM
H
1,0A

85,0 1,0 1,5 0,10 0,03
ΦM
H
1,0

85,0 1,0 2,0 0,30 0,03
ΦM
H
1,5

85,0 1,5 2,5 0,30 0,03
ΦM
H
2,0

75,0 2,0 2,0 0,35 0,03


FeMn cacbon
ΦM
H
78A 78,0 7,0 2,0 0,05 0,03
ΦM
H
78K 78,0 7,0 1,0 0,35 0,03
ΦM
H
78 78,0 7,0 2,0 0,35 0,03
ΦM
H
75K 75,0 7,0 1,0 0,45 0,03
ΦM
H
75 75,0 7,0 2,0 0,45 0,03
- 8
-
Ngoài ra còn có FeMn chứa nitơ FeMn80CN
2
( Mn ≥ 80,0; 0,1< C
≤ 0,5; Si ≤ 2,0; P ≤ 0,15; S ≤ 0,03; 1,5 < N ≤ 2,5 ).

III. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT FERRO MANGAN

Trên thế giới hiện nay có nhiều phương pháp sản xuất ferro nói
chung và ferro mangan nói riêng. Tuỳ thuộc vào đặc điểm nguyên nhiên

vật liệu ở mỗi nơi và nhu cầu chủng loại ferro mà người ta có phương
pháp sản xuất ferro phù hợp, nhưng nói chung có thể có các phương pháp
sản xuất ferro mangan chủ yếu sau đây:

1. Căn cứ theo thiết bị
Căn cứ theo thiết bị có các phương pháp sản xuất fero mangan sau
đây: phương pháp lò cao, lò điện, ngoài lò, lò thổi.

1. 1 Phương pháp lò cao
Lò cao cũng là một thiết bị quan trọng dùng để sản xuất ferro.
Phương pháp sản xuất ferro trong lò cao giống như sản xuất gang trong lò
cao. Hiện nay phương pháp lò cao chủ yếu sản xuất FeMn các bon ( chỉ
FeMn chứa các bon cao). Nguyên liệu sản xuất FeMn các bon trong lò
cao là quặng mangan, than cốc và chất trợ dung, cùng với thổi không khí
hoặc không khí giầu ô xy để đốt nhiên liệu. Chất liệu từ đỉnh lò, thổi
không khí nóng từ mắt gió phía dưới đốt cháy than cốc tạo ra khí hoàn
nguyên nhiệt độ cao hoàn nguyên quặng. Kim loại và xỉ nóng tích tụ ở
đáy, định kỳ tháo ra ferro và xỉ ra theo 2 lỗ riêng nhau. Sản xuất theo quá
trình liên tục liệu chất phía trên, sản phẩm và xỉ ra phía dưới.
Phương pháp lò cao cho sản lượng cao, giá thành hạ nhưng vì nhiệt
độ lò không cao nên ô xit mangan khó hoàn nguyên không thể hoàn
- 9
-
nguyên triệt để do đó sản xuất ferro mangan chất lượng cao, các bon
trung bình và các bon thấp không thể sản xuất bằng lò cao

1.2 Phương pháp lò điện
Phương pháp sản xuất lò điện là phương pháp sản xuất ferro chủ
yếu hiện nay, chiếm trên 70% sản lượng ferro. Lò điện bao gồm lò điện
hoàn nguyên (lò hồ quang phủ kín dưới lớp liệu) và lò điện tinh luyện (lò

điện hồ quang hở).
a) Lò điện hoàn nguyên
Nguyên liệu quặng, chất hoàn nguyên và chất trợ dung trộn đều rồi
chất vào từ miệng lò, điện cực vùi sâu trong lớp liệu. Nhiệt sinh ra bao
gồm nhiệt hồ quang và nhiệt điện trở do dòng điện đi qua lớp liệu. Xỉ và
kim lại tập trung ở đáy lò, định kỳ thao ra qua các lỗ ở phía dưới. Đây
cũng là quá trình sản xuất liên tục. Lò điện có thể sản xuất được ferro
mangan các bon cao, các bon trung bình và các bon thấp. Tuy nhiên để
sản xuất ferro mangan các bon trung bình và thấp trong lò điện ngoài
quặng mangan cần sử dụng thêm SiMn.


- 10 -



Hình 1: Lò điện hoàn nguyên

1. Cơ cấu lò so thuỷ lực; 2. Cơ cấu truyền động thuỷ lực; 3.
Má đồng dẫn điện; 4 Nắp lò làm nguội bằng nước; 5. máy
khoan lỗ; 6. Cơ cấu quay nồi lò; 7. Nồi lò; 8. Áo lò; 9. Hệ
thống hút khí lò; 10. Hệ thống nước làm nguội;
11. Máy biến áp; 12. Mạch ngắn.


b) Lò điện tinh luyện
Đặc điểm lò điện tinh luyện là dùng hợp kim Si làm chất hoàn
nguyên để sản xuất ferro mangan chứa các bon thấp và trung bình. Nguồn
nhiệt bao gồm nhiệt hồ quang và nhiệt hoá học của phản ứng khử bởi
silíc.

Liệu lò được chất qua cửa lò hoặc đỉnh lò, quá trình luyện chia làm
các giai đoạn: nhóm hồ quang, chất liệu, nóng chẩy, tinh luyện, ra ferro.
Xác định thời gian luyện căn cứ vào hàm lượng si líc còn lại trong ferro.
Quá trình sản xuất từng mẻ, không liên tục.

- 11 -



Hình 2: Lò điện tinh luyện có nắp

1. Điện cực; 2. Máng ra ferro; 3. Nồi lò; 4. Cửa lò


1.3 Phương pháp lò thổi ô xy
Phương pháp sản xuất ferro bằng lò thổi ô xy có nhiều ưu điểm:
Vốn đầu tư thấp, giá thành hạ, sản lượng cao, tiêu hao ít điện. Phương
pháp này được sử dụng để sản xuất ferro mangan các bon trung bình. Dựa
vào phương thức thổi ô xy có thổi sườn, thổi đỉnh, thổi đáy và thổi phức
hợp. Xu hướng dùng thổi phức hợp ( thổi đỉnh, đáy ) đang được nhiều
nước chú ý phát triển.
Nguyên liệu là ferro mangan, ô xy, chất làm nguội, chất tạo xỉ. Nạp
ferro lỏng vào trong lò, dùng vòi phun khí ô xy ở áp lực cao tiến hành
thổi luyện. Dựa vào nhiệt hoá học của phản ứng khử các bon. Quá trình
luyện giống như luyện thép lò thổi và sản xuất từng mẻ một.
Ngoài ra còn căn cứ vào đặc điểm công nghệ mà còn có phương
pháp luyện ferro mangan có trợ dung, không có trợ dung và kết hợp cả 2
phương pháp trên; Căn cứ vào phương pháp gia nhiệt mà người ta có
- 12 -

phương pháp nhiệt các bon, phương pháp nhiệt điện, phương pháp nhiệt
kim và phương pháp nhiệt điện silíc để luyện ferro mangan.

Hình 3 : Lò thổi ô xy


2. Căn cứ theo nguồn nhiệt
Căn cứ vào nguồn nhiệt chia ra: phương pháp nhiệt các bon,
phương pháp nhiệt điện, phương pháp nhiệt kim và phương pháp nhiệt
điện silíc.

- 13 -

2.1 Phương pháp nhiệt các bon
Nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình chủ yếu là do đốt cháy than cốc,
đồng thời dùng than cốc làm chất hoàn nguyên để hoàn nguyên ô xít
quặng như phương pháp lò cao.
2. 2 Phương pháp nhiệt điện
Nguồn nhiệt chủ yếu trong quá trình luyện do điện năng cung cấp,
dùng các bon làm chất hoàn nguyên để hàon nguyên quặng.
2.3 Phương pháp nhiệt điện silíc
Dùng silíc làm chất hoàn nguyên để hoàn nguyên ô xít quặng, nhiệt
lượng của phương pháp này một phần do nhiệt hoá học của o xy hoá silíc
còn phần lớn do điện năng cung cấp. Sản xuất tiến hành trong lò hồ
quang hở, luyện gián đoạn từng mẻ.
2.4 Phương pháp nhiệt kim
Nguồn nhiệt chủ yếu cung cấp cho quá trình luyện là nhiệt hoá học
của phản ứng hoàn nguyên như silíc hoặc nhôm hoàn nguyên tinh quặng.
Sản xuất ngoài lò hay trong lò ống.
3. Căn cứ theo công nghệ
Căn cứ theo công nghệ có thể chia ra: kiểu liên tục và kiểu gián
đoạn; phương pháp có trợ dung và không có trợ dung.

IV. NGUYÊN LÝ LUYỆN FERRO MANGAN

Đặc điểm của phản ứng hoá học luyện fero là dùng chất hoàn
nguyên để hoàn nguyên o xít của một nguyên tố trong quặng và thu được
nguyên tố đó. Phương trình tổng quát như sau:
MeO + X = Me + XO
MeO ô xít hữu ích có trong quặng;
X chất khử.
- 14 -

Như vậy, chỉ khi X có ái lực hoá học với ôxy lớn hơn ái lực hoá
học của Me với ôxy hay nó cách khác áp xuất phân ly của XO nhỏ hơn áp
suất phân ly của MeO thì phản mới xẩy ra được. Bởi vậy căn cứ vào áp
suất phân ly hoặc năng lượng tự do để lựa chọn chất hoàn nguyên (chất
khử) cho phù hợp. Quan hệ giữa năng lượng tự do với nhiệt độ của các ô
xít như trên Hình 4

Hình 4: Quan hệ giữa năng lượng tự do
với nhiệt độ của các ô xít

- 15 -

1) Tính ổn định của các ô xít hầu như đều giảm khi nhiệt độ tăng,
trừ CO thì ngược lại, cho nên chỉ cần ở nhiệt độ đủ cao là hầu như có thể
dùng các bon để hoàn nguyên bất kỳ ô xít nào.
2) Tính ổn định của các ô xít có hoá trị cao thấp hơn tính ổn định
của ô xít đó có hoá trị thấp. Hiệu quả của hoàn nguyên một nguyên tố
được quyết định bởi tính ổn định của ô xít hoá trị thấp của nguyên tố đó.
Nên khi chọn chất khử chú ý điểm này.
Ví dụ: khi hoản nguyên quặng mangan có các ô xít MnO
2
, Mn
2
O
3
,
MnO thì MnO có tính ổn định nhất và hoàn nguyên khó nhất.
Quá trình luyện fero mangan trong lò điện là một quá trình phân
giải nhiệt của ô xít có hoá trị cao và hoàn nguyên ô xít có hoá trị thấp.
Trong lò điện, chất quặng vào nhiệt độ tăng dần lên, ô xít có hoá trị cao
trở nên không ổn định lần lượt bị phân giải thành ô xít có hoá trị thấp

theo các bước sau:

Ở nhiệt độ 430 – 600
0
C bắt đầu phân giải MnO
2
:
2MnO
2
→ Mn
2
O
3
+ ½ O
2
∆ H
0
298
= 82,46 kJ/mol
Tiếp đến ở nhiệt độ 920 – 1060
0
C:
3Mn
2
O
3
→ Mn
3
O
4

+ ½ O
2
∆ H
0
298
= 108,84,46 kJ/mol
Ở nhiệt độ 1177
0
C :
Mn
3
O
4
→ 3MnO + ½ O
2
∆ H
0
298
= 231,28 kJ/mol
Ô xít mangan MnO là ô xít tương đối ổn định, áp suất phân giải có
thể tính theo phương trình sau:
40800
lgP’’
O2
= - + 8,0
T
Còn áp suất phân giải ở thể lỏng tính theo công thức:
38975,8
lgP’’
O2

= - + 7,921
T
- 16 -

Từ công thức trên tính kết quả ở 5000
0
K, P
O2
= 101 kPa ( = 1at).
Cho nên trong điều kiện lò điện, MnO không thể phân giải được. Trong
điều kiện lò điện, khí CO thoát lên cũng có thể hoàn nguyên ô xít hoá trị
cao theo các phản ứng sau:
2MnO
2
+

CO = Mn
2
O
3
+ CO
2
ΔH
0
298
= - 250,16 kJ /mol CO
3Mn
2
O
3

+

CO = 2Mn
3
O
4
+ CO
2
ΔH
0
298
= - 117,86 kJ /mol CO
Mn
3
O
4
+

CO = 3 MnO

+ CO
2
ΔH
0
298
= - 73,69 kJ /mol CO

Ô xít MnO là ô xit ổn định, chỉ có thể có C tồn tại thì mới có thể
hoàn nguyên được MnO. Cho nên MnO giống như SiO
2

chỉ có thể bị C
hoàn nguyên theo phản ứng sau:
2MnO + 2C = 2Mn + 2CO (1) ΔG
0
= 575.266,32 – 339,78T
T
bđ
= 1693 K
2MnO + 8/3C = 2/3Mn
3
C + 2CO (2) ΔG
0
= 510.789,6 – 340,8T
T
bđ
= 1499 K
Như vậy ta có thể nhận ra ngay khi có C tồn tại, xẩy ra phản ứng
(2) tức là tạo ra Mn
3
C dễ dàng hơn, cho nên luyện FeMnC dễ chứa hàm
lượng C cao.
Tất nhiên trong quặng khi MnO bị C hoàn nguyên các o xít khác
của Fe, Si, P cũng bị C hoàn nguyên, trong khi đó FeO và P
2
O
5
càng dễ bị
hoàn nguyên hơn MnO.
2/5P
2

O
5
+ 2C = 4/5P + 2CO ; ΔG
0
= 396.071,28 – 382,13T
T
bđ
= 1036,5 K
2/5P
2
O
5
+ 2Mn = 4/5P + 2MnO ; ΔG
0
= -179.195,04 – 42,37T

P bị hoàn nguyên thì khoảng 70% vào ferro, còn 30% bị bay hơi mất.
FeO + C = Fe + CO ΔG
0
= 148.003,38 – 150,31 T
T
bđ
= 985 K
- 17 -

Fe bị hoàn nguyên sẽ kết hợp với Mn tạo thành FeMn, như vậy
càng tạo điều kiện cho phản ứng C hoàn nguyên MnO.
Nhiệt độ chẩy của FeMnC khoảng 1250
0
C, quá nhiệt đến 1350

0
C –
1370
0
C thì tính lỏng rất tốt; Như đã trình bầy ở trên Mn rất dễ bay hơi,
cho nên khi luyện FeMnC khó tránh khỏi nhiệt độ nồi lò cao hơn nhiệt độ
cần thiết cho phản ứng tiến hành làm cho Mn bay hơi càng nhiều.
Ở nhiệt độ này một phần nhỏ SiO
2
trong liệu bị hoàn nguyên còn
đa số cũng giống như các ô xít Mg, CaO, Al … đều đồng thời vào xỉ.
Trong liệu lò không có vôi thì xỉ chỉ có MnO và SiO
2
. Xỉ có 32 % SiO
2
+
68% MnO có nhiệt độ chẩy thấp nhất, 1240
0
C như ở hình dưới đây.
So sánh với nhiệt độ hoàn nguyên của MnO có thể thấy khi SiO
2
là
thành phần đất chay chủ yếu trong quặng Mn, thì sau khi thành xỉ phần
lớn MnO vẫn bị hoàn nguyên.
(MnO) kết hợp với (SiO
2
) tạo thành (MnO.SiO
2
) làm cho hoàn
nguyên MnO khó khăn.

Để giảm tổn thất Mn vào xỉ, có thể chất thêm vào liệu vôi hoặc đá
vôi để tách (MnO):
2(MnO.SiO
2
) + (CaO) = (CaO.SiO
2
) + (MnO)
2(MnO.SiO
2
) + 2(CaO) = (2CaO.SiO
2
) + (2MnO)
Như vậy hàm lượng (MnO) tự do tăng lên cải thiện điều kiện hoàn
nguyên. Mối quan hệ giữa hàm lượng Mn trong xỉ và độ kiềm ( CaO)/
(SiO
2
) như Hình 3

- 18 -


Hình 5: Quan hệ giữa hàm lượng Mn trong xỉ và độ kiềm

Như vậy có thể thấy hàm lượng Mn trong xỉ giảm khi độ kiềm
trong xỉ tăng đến một giới hạn nhất định (CaO)/ (SiO
2
) = 1,4 thì dù độ
kiềm có tăng hàm lượng Mn trong xỉ cũng giảm không đáng kể. Bởi vì
lúc đó giảm Mn trong xỉ không phải là (CaO) thay thế cho (MnO) mà chỉ
là kết quả cải thiện điều kiện hoàn nguyên (MnO) do vôi làm loãng xỉ.

Tiếp tục tăng (CaO)/(SiO
2
) tuy chỉ làm giảm hàm lượng Mn trong xỉ đi
một chút nhưng thực tế lượng xỉ tăng lên làm tăng Mn trong xỉ. Ngoài ra
tăng độ kiềm của xỉ làm cho nhiệt độ chẩy của xỉ tăng lên làm cho
FeMnC quá nhiệt làm cho Mn bốc hơi và tổn thất tăng lên.
Tóm lại với phương pháp luyện FeMnC có trợ dung nên khống chế
độ kiềm của xỉ (CaO)/(SiO
2
) trong phạm vi 1,3 – 1,5 là tốt, xỉ sẽ có thành
phần sau: SiO
2
:

25 – 32%, Al
2
O
3
: 8 – 13% , CaO: 35 – 43%, MgO: 3 –
- 19 -

5%. Trong xỉ một phần (CaO) có thể thay thế bằng (MgO) nên có xưởng
đã dùng đôlômít thay cho vôi để nâng hàm lượng (MgO) 5 – 10%.
Luyện FeMnC có trợ dung phân bổ Mn có thể như sau: 70 - 75%
Mn vào ferro, 10 – 15% vào xỉ, 10 – 12% bay hơi.
(P
2
O
5
) rất không ổn định trong điều kiện luyện FeMnC, rất dễ bị

hoàn nguyên. Một phần P hoàn nguyên bốc hơi thoát ra khỏi lò, một phần
lớn đi vào ferro làm giảm chất lượng ferro. Phân bố của P khi luyện
FeMnC như sau: 60 – 68% vào ferro, 5 – 10 % vào xỉ và 20 – 25% bốc
hơi. Để hạn chế (P
2
O
5
) hoàn nguyên là rất khó, cho nên giảm P trong
ferro chỉ bằng cách giảm P trong liệu lò, chủ yếu nâng cao chất lượng
quặng Mn.
Phương pháp không trợ dung thì điều kiện hoàn nguyên MnO kém.
Lượng P vào xỉ rất ít, nên khống chế lượng chất hoàn nguyên thích hợp
để không những ngoài luyện được FeMnC ra còn thu được xỉ giầu Mn(38
– 42% và chứa ít P ( 0,015 – 0,03%) dùng làm nguyên liệu luyện SiMn
chứa P thấp.
Nguồn gốc của S trong ferro chủ yếu là từ than cốc. Nếu có S hữu
cơ thì sẽ bốc hơi, còn muối sunfat tạo thành MnS hoặc CaS hoà tan vào
xỉ. Quá trình luyện ferro mangan thường có 1% S vào ferro còn lại là đi
vào xỉ và bay hơi nên không cần có biện pháp gì sử lý đặc biệt mà có thể
luyện được FeMnC chứa S < 0,03%.
Các yếu tố quyết định hàm lượng Si vào ferro là độ kiềm của xỉ,
lượng dư chất hoàn nguyên và nhiệt độ lò. Nếu nhiệt độ nồi lò (bụng lò)
không cao phần lớn SiO
2
trong xỉ hình thành hợp chất (MnO.SiO
2
) hoặc
(CaO.SiO
2
) nên mức độ hoàn nguyên của Si không cao, thông thường có

thể khống chế trong phạm vi không quá 1,5 – 2,0%.



- 20 -

CHƯƠNG II
QUẶNG MANGAN

1. Các loại quặng Mangan
Quặng mangan và các sản phẩm chế biến từ quặng mangan được
sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Hiện nay trên thế giới
trên 90% lượng mangan được sử dụng trong ngành công nghiệp thép.
Mangan được dùng như một thành phần hợp kim để luyện ra nhiều mác
thép đặc biệt có độ cứng, độ chịu mài mòn cao cung cấp cho công nghiệp
cơ khí, giao thông vận tải, xây dựng và công nghiệp quốc phòng.
Hàm lượng Mn trong vỏ trái đất chiếm 0,09%, có trong hơn 150
chủng loại khoáng vật mangan. Người ta ước tính trữ lượng quặng
mangan trên thế giới khoảng 15,4 tỷ tấn ở thềm lục địa và ở đáy đại
dương khoảng 175 tỷ tấn. Quặng đã thăm dò khai thác ở thềm lục địa chủ
yếu ở Nam Phi, Nga, Australia, Ấn Độ, Braxin.
Quặng mangan là nguyên liệu chính để sản xuất FeMn. Dựa theo tổ
chức khoáng vật chia ra quặng mangan mềm, quặng mangan nâu, quặng
mangan đen, quặng mangan cacbonat ….
Trong thành phần quặng mangan ngoài khoáng vật mangan còn
chứa một số ô xit khác như SiO
2
, Al
2
O

3
, CaO, MgO, FeO … Trong quặng
mangan có chứa khá nhiều P, trong quá trình luyện phần lớn P đi vào
ferro ảnh hưởng rất xấu đến chất lượng, S hầu như không đi vào ferro nên
ảnh hưởng của nó đến chất lượng ferro không lớn. Dưới đây là các loại
quặng mangan phổ biến sử dụng để sản xuất ferro mangan.