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


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

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

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

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

- 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


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



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

≤
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


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

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.

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



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


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

= - + 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

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

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.

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

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