بریکت سازی کنسانتره منگنز با هدف تولید فرومنگنز

چکیده:

فرومنگنز در فولادسازی به عنوان گوگردزدا، افزایش دهنده مقاومت و سختی و احیاکننده مورد استفاده قرار میگیرد به دلیل عدم ثبات کیفیت در کلوخه طبیعی سنگ معدن منگنز و به تبع آن افزایش مصرف الکتریسیته در کوره قوسی فرومنگنز، ساخت بریکت این مواد با ساختار یکنواخت و مقاومت بالا ضروری است. در این تحقیق از کنسانتره منگنز معدن و نارج قم با عیار 5/41 % منگنز و 5/6 % آهن با دوسطح دانه بندی 600- میکرون و 10-  ميلي متر برای تولید بریکت استفاده شده است. تعیین شرایط بهینه پارامترهای غلظت چسب، نوع چسب، میزان آب مصرفی و مدت و میزان فشار اعمالی در دستگاه پرس به عنوان اصلی ترین اهداف این پروژه مورد بررسی قرار گرفت. بهترین نتایج به ازای 80 گرم کنسانتره منگنز با استفاده از سیلیکات سدیم بعنوان چسب به میزان 4 گرم اعمال فشار 180 بار در 5 دقیقه و استفاده از 2 گرم آب حاصل شد. استحکام بریکت هاي تهيه شده در این شرایط با تست سقوط تعیین شد که به استحکام سقوط بیش از 10 مرتبه رسید. در پایان در ارتباط با مکانیزم اتصال بحث شده است.

مقدمه :

عنصر منگنز به عنوان گوگردزدا، افزایش دهنده استحکام و سختی، بهبود دهنده رفتار حرارتی، جدا کننده اکسیژن زائد، احیا کننده و تمیزکننده در فولاد مذاب مورد استفاده قرار می گیرد. فرومنگنز معمولاً بهترین محصول براي افزودن منگنز به فولاد در کنورتورهاي اکسيژني و براي توليد فولادهاي با محتوای منگنز بالا مي باشد. همچنین فرومنگنز مهمترین فروآلیاژی است که در صنایع فولادسازی کاربرد دارد و بیشترین کاربرد آن نیز در این حوزه است. در حال حاضر گرایش به سمت استفاده بیشتر از فروآلیاژهای منگنز مخصوصاً (فروسيليکومنگنز که ارزان تر است) به جاي استفاده مستقيم سنگ معدن و کنسانتره منگنز در تولید فولاد است. فرومنگنز محصولي است که در هر کوره قوس الكتريكي و کوره ذوب قابل تولید است.

واژه بریکت یا خشته معمولاً به مواد فشرده شده و قالب گیری شده اطلاق می گردد. چنانچه کنسانتره منگنز به صورت کلوخه به کوره قوسی فرومنگنز خوراک دهی شود، به علت عدم ثبات در کیفیت کلوخه ها و نفوذپذیری نامناسب آنها مصرف الکتریسیته به شدت افزایش خواهد یافت. به دلیل موارد فوق و نیز براساس ویژگیهای متالورژیکی کوره قوسی فرومنگنز و تحلیل های تئوریک انجام شده اثبات شده است که به منظور صرفه جویی در مصرف انرژی ناگزیر به ساختن بریکت کنسانتره منگنز می باشیم. همچنین بریکت سازی موجب افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون، افزایش دانسیته، کاهش سطح ویژه، کاهش قابلیت جذب رطوبت، حمل و نقل و انبارداری راحت تر، سهولت شارژ به کوره و ایجاد گرد و غبار کمتر می شود. همه موارد فوق در فرآیندهای فولادسازی به روش احیای مستقیم یک مزیت محسوب می شود.

در حال حاضر در جهان بریکت سازی به دو روش گرم و سرد انجام میگیرد. در پرس سرد مواد با یک چسب مخلوط و سپس پرس می شوند. در روش گرم مواد بدون چسب و به صورت گرم پرس می شوند و عامل اتصال در این حالت سرامیکی است. گاهی در پرس سرد، مواد پرس می شوند ولی بعداً تحت عملیات دیگری مثل (سینتر کردن) برای مستحکم کردن بریکت قرار می گیرند. بریکت منگنز ساخته شده باید دارای ساختار یکنواخت استحکام و دوام بالا، کاهش پذیری خوب، هزینه ساخت پایین و فرآیند تولید ساده باشد. شكل 1 فلوشیت فرآیندی ساخت بریکت مرکب (همراه با کک) کانسنگ منگنز را نشان می دهد چنانچه هدف ساخت بریکت کانسنگ منگنز بدون کک باشد، در این صورت تنها مرحله اختلاط کانسنگ با کک حذف می گردد.

مقاومت فشاری، استحکام سقوط و مقاومت ویژه از جمله پارامترهایی هستند که می توان برای سنجش خواص فیزیکی بریکت به کار برد. استحکام سقوط بیانگر تعداد دفعاتی است که بریکت از ارتفاع 1 متری بر روی صفحه فولادی 3 میلیمتری سقوط میکند تا بشکند. زمانی که مقاومت فشاری بیش از حدود 5/6 مگاپاسکال یا استحكام سقوط بیش از 7 بار باشد همه ملزومات حمل، انبار کردن و ذوب در کوره قوسی و به طور کلی همه ملزومات صنعتی فراهم خواهد شد.

 معروفترین چسب هایی که در حال حاضر استفاده می شوند عبارتند از: سیلیکات سدیم، چسب های آلی (اسید هیومیک) بنتونیت، سیمان پوزولانی، آهک، قیر و نفت، ملاس و نشاسته. برخی محققان استفاده دو یا چند چسب با نسبت های معلوم را پیشنهاد کرده اند. استفاده از چسب های طبیعی مثل شیره گلوکز، نشاسته ذرت، ملاس چغندر و… امکان پذیر است اما فرآیند احیای مستقیم این مواد عناصر مضری به داخل کوره وارد می کنند که برای فرآیند ذوب زیان آور است. ضمن اینکه مقاومت کافی را به بریکت نخواهد داد [7] استفاده از سیمان پرتلند یا سرباره ذوب آهن پودر شده به عنوان چسب نیز به دلیل لزوم عملیات بخارپزی نسبتاً گران است. استفاده از رزین ها و اسید هیومیک با وجود مزایای قابل توجه غیر اقتصادی است.

 سیلیکات سدیم (آب شیشه) نوعی چسب معدنی است که اتصال آن با ذرات کنسانتره از نوع فیلمی (نه اتصال شبکه ای) است در این نوع اتصال، در واقع چسب ذرات را با یک پوشش نازک فرا می گیرد. چنانچه سیلیکات سدیم با دی اکسید کربن، آهک هیدراته یا کلرید کلسیم مخلوط شده باشد تولید اتصال شیمیایی می کند همچنین چسب سیلیکات سدیم بعد از خشک شدن یا سینتر کردن حرارتی (پختن) بریکت به شکل شیشه درآمده و کاملاً ضد آب می گردد و موجب کاهش قابلیت جذب رطوبت در بریکت میشود.

 نوع و میزان چسب استفاده شده برای ساخت بریکت یکی از مهمترین فاکتورها است. چرا که تأثیر مستقیم و قابل توجهی بر روی مقاومت بریکت و هزینه تمام شده ساخت آن دارد.

اهداف تحقیق و روش انجام آزمایشها

در مورد آگلومراسیون کانسنگ منگنز معمولاً، مواد با دانه بندی 10- 2+ میلی متر تنها سینتر می شوند. مواد با دانه بندی 2- 045/0+ میلی متر تحت بریکت سازی قرار می گیرند و موادی که غالباً ریزتر از 45 میکرون اند گندله سازی می شوند. بریکت سازی ساده ترین و ارزان ترین روش آگلومراسیون کانسنگ منگنز است.

هدف از مطالعه حاضر تولید بریکت از کنسانتره دانه ریز (2- میلی متر) منگنز با ساختار یکنواخت، خواص مقاومتی کافی، به روش سرد و به منظور خوراک دهی به کوره قوسی فرومنگنز است. جدول 1 ویژگی های عمومی یک کنسانتره منگنز مورد استفاده در تولید فرومنگنز را نشان می دهد.

در این تحقیق از سنگ منگنز پرعیار شده معدن و نارج قم به عنوان خوراک استفاده شده است. این کنسانتره با عیار 5/41 % منگنز و  5/6 % آهن در دو سطح دانه بندی 600- میکرون و 10- ميلي متر تحت بریکت سازی قرار گرفته است جدول 2 آنالیز شیمیایی کنسانتره مورد استفاده را نشان می دهد.

 براي ساخت آزمایشی بریکت ها، قالبی با ابعاد طول 53، عرض 33 و ضخامت 25 میلی متر ساخته شد. همچنین برای فشردن نمونه از دستگاه پرس استفاده شد. فشار اعمالی در پرس در سه سطح 100، 160 و 200 بار و با ثابت نگه داشتن دیگر متغیرها مورد بررسی قرار گرفت. مدت اعمال فشار در دستگاه پرس برای سه آزمایش اول 10 دقیقه و برای بقیه آزمایشها 5 دقیقه منظور شد.

استفاده از بنتونیت، آهک، روغن موتور و سیلیکات سدیم به عنوان چسب بررسي شد. در پایان هر آزمایش بریکت ها از قالب خارج و در خشک کن در دمای 105 درجه سلسیوس کاملاً خشک شد. برای سنجش خواص فیزیکی بریکت های ساخته شده استحکام سقوط به عنوان معیار منظور شد.

جدول 1 – ویژگیهای عمومی يك كنسانتره منگنز برای استفاده در تولید فرومنگنز

Mn%	Fe	SiO2%	P %	S %	Zn%	Mn/Fe
40 <	< 7	% 15-20	0/15	0/2 >	1 >	7-6

جدول 2- آنالیز شیمیایی کنسانتره منگنز و نارج قم مورد استفاده در این مطالعه

Mn %	Fe2O3%	SiO2 %	S%	K20 %	Na20 %	P2O5 %
41/35	9/37	15/54	≥ 0/01	0/27	0/16	0/06
Cu (pmm)	Pb(ppm)	As(ppm)	P	Fe %	Zn(ppm)
307/0	2689/0	400	0/03	6/56	337

بررسی نتایج و بحث

آزمایش های تهیه بریکت برروی کنسانتره منگنز با دو دانه بندي 10- ميلي متر و 600-  میکرون انجام شد. در ادامه نتایج حاصل براي دو دانه بندي بطور جداگانه ارائه می شود. نمونه اولیه مورد استفاده داراي ابعاد ریزتر از 10 ميلي متر بوده و برای تهیه نمونه ریزتر از 600 میکرون بخشي از ماده اولیه که درشت تر از این ابعاد بود توسط آسیای گلوله اي آزمايشگاهي تا ابعاد ریزتر از 600 میکرون خرد شده است.

الف – نمونه کنسانتره ریز دانه

شرایط آزمایشات بریکت سازی بر روی نمونه با ابعاد 600- میکرون در جدول 3 آمده است. با افزایش فشار اعمالی در هنگام پرس کردن بریکت و افزایش میزان مصرف چسب، استحکام سقوط افزایش می یابد. اعمال فشار 200 بار استحکام کافی را ایجاد خواهد نمود. البته تأثیر مقدار چسب بر عدد سقوط قابل توجه است به نحوی که علیرغم افزایش فشار تا 200 بار، با کاهش مقدار چسب عدد سقوط هم کاهش می یابد. نمودار شکل 2 نشان دهنده تأثیر دو عامل فشار و مقدار چسب با عدد سقوط است.

عملکرد چسب های سیلیکات سدیم، آهک، بتونیت و روغن موتور برای حصول استحکام بیشتر مورد بررسی قرار گرفت. سیلیکات سدیم و آهک در پرس سرد بریکت نتایج قابل قبول داشته اند و استفاده از سیلیکات سدیم بهترین نتیجه را در برداشته است. عملکرد بهتر سیلیکات سدیم در مکانیزم اتصال فیلمی آن و تطابق ایجاد این اتصال با روش سرد است.

نمودار شكل 3 تغييرات عدد سقوط را نسبت به نوع چسب مصرفی نشان می دهد. در شرایط استفاده از سیلیکات سدیم با افزایش میزان مصرف چسب به مقدار 3 درصد وزني خوراك، استحكام بریکت نیز حدود 30 درصد افزایش یافته است. در مرحله اختلاط کنسانتره سنگ آهن و چسب نیاز به استفاده حداقلی از آب و رطوبت بعنوان روان ساز براي بهبود شرایط اختلاط و جریان مواد تحت فشار پرس است. ضمن آنکه آب نیز خود می تواند بعنوان ماده اي براي چسباندن ذرات بهم بکار برود. نتایج حاصله نشان میدهد که افزایش بیش از اندازه آب مصرفي سبب کاهش مشخصات مكانيكي بريكت می شود. در مورد سیلیکات سدیم تنها استفاده از 5/2% آب به عنوان رقیق کننده توصیه می شود.

شكل -2 تغییرات استحکام سقوط در برابر فشار پرس اعمالی و مقدار چسب مصرفي (سيليكات سدیم)

جدول – شرایط آزمایشات بریکت سازی و نتایج برای کنسانتره منگنز با دانه بندی 600 میکرون

آزمایش	وزن نمونه (گرم)	رطوبت (%)	نوع چسب	چسب		فشار (بار)	اعمال فشار (دقیقه)	عدد سقوط
				گرم	(%)
1	116	8.6	سیلیکات سدیم	8	6.9	160	10	1(تخریب نمونه)
2	115	9.6	سیلیکات سدیم	8	6.96	100	10	1(دو تکه شد)
3	116	8.6	سیلیکات سدیم	8	6.9	200	10	7
4	80	12.5	بنتونیت	8	10	180	5	3
5	80	10	آهک	8	10	180	5	9
6	80	10	روغن موتور	8	10	180	5	2
7	80	2.5	سیلیکات سدیم	8	10	180	5	بیش از 10 سقوط نشکست

شكل 3- تغییرات استحکام سقوط بر اساس نوع چسب مصرفی (نمونه 600 میکرون)

ب – نمونه کنسانتره درشت دانه

 مجموعه آزمایشاتی با هدف امکانسنجی حذف مرحله پرهزینه خردایش کنسانتره منگنز تا ابعاد زیر 600 میکرون و تأثیر آن بر فرآیند بریکت سازی انجام شد. نتایج نشان داد می توان با کنسانتره درشت دانه ( 2- میلی متر) نیز بریکت هایی با استحکام کافی تولید نمود و حذف مرحله خردایش امکان پذیر است. شرایط آزمایشات بریکت سازی بر روی کنسانتره منگنز با دانه بندی 2- میلیمتر در جدول 4 آمده است.

جدول -4 شرایط آزمایشات بریکت سازی و نتایج برای کنسانتره منگنز با دانه بندی 10- ميلي متر

آزمایش	وزن نمونه (گرم)	رطوبت (%)	نوع چسب	چسب		فشار (بار)	عدد سقوط
				(گرم)	(%)
1	80	10	آهک	8	10	200	2
2	80	10	آهک	4	5	200	1
3	80	10	بنتونیت	8	10	200	1
4	80	2.5	سیلیکات سدیم	8	10	200	>10
5	80	2.5	سیلیکات سدیم	4	5	200	>10

در مورد این نمونه نیز عملکرد بنتونیت، آهک و سیلیکات سدیم به عنوان چسب مورد بررسی قرار گرفت که استفاده از سیلیکات سدیم بهترین نتایج را در بر داشت. آهک و بنتونیت عملکرد مناسبی در ساخت بریکت درشت دانه نداشته اند. به علت عملکرد مناسب چسب آهک در کنسانتره ریزدانه، عمده ترین دلیل این ضعف عملکرد در کنسانتره درشت دانه، نقصان مکانیزم اتصال به علت درشتی دانه ها است. کاهش درصد مصرفی سیلیکات سدیم از 10 به 5 درصد وزنی تأثیری در استحکام سقوط بریکت نداشته و می توان بدون کاهش کیفیت بریکت درصد سیلیکات سدیم مصرفی را به 5 درصد وزني کاهش داد. حضور ذرات ریز در بین ذرات درشت سبب اتصال این ذرات بهم و نیاز به مصرف کمتر چسب در شرایط یکسان شده است با درشت تر شدن نمونه، بریکت تهیه شده از تخلخل کافي برخوردار خواهد بود و شرایط مناسب تري براي خروج گازهاي توليدي در کوره تولید فرومنگنز فراهم می شود.

نتیجه گیری

مطالعه انجام شده نشان داد که امکان تهیه بریکت با ویژگی لازم از بخش غیر کلوخه ای و ریزدانه کنسانتره منگنز میسر می باشد و به این ترتیب از هدر رفتن این بخش از کنسانتره جلوگيري مي شود.

• استفاده از سیلیکات سدیم بعنوان چسب در میان ترکیبات دیگر بهترین نتیجه را بهمراه داشت.
• در تهیه بریکت از نمونه درشت دانه تر در شرایط یکسان مقاومتي ضمن حذف مرحله پرهزینه نرم کنی با آسیا میزان کمتری از چسب استفاده شد.