論文
中低碳錳鐵冶煉工藝技術(shù)
更新時(shí)間：2022-03-08 關(guān)注：4304
生產(chǎn)中低碳錳鐵的原料有錳硅合金、錳礦石、石灰和螢石等，吹氧脫碳法采用的原料主要是高碳錳鐵。為了生產(chǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求的中低碳錳鐵，取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，所有的原料必須符合一定的質(zhì)量要求。中低碳錳鐵生產(chǎn)主要方法有電硅熱法、搖爐生產(chǎn)法、吹氧生產(chǎn)法、波倫法、烏達(dá)康轉(zhuǎn)爐法。
一、原料要求
1、硅錳合金
以電硅熱法和搖爐法為主的中低碳錳鐵生產(chǎn)都需要使用錳硅合金。由于錳硅合金中硅、碳兩種元素的含量具有互成反比的特點(diǎn)，中低碳錳鐵產(chǎn)品中碳元素的主要來源又是作為原料使用的錳硅合金，為了區(qū)別于向煉鋼廠提供的錳硅合金，各中低碳錳鐵生產(chǎn)廠結(jié)合實(shí)際情況，自行組織穩(wěn)定可靠的符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的中間產(chǎn)品錳硅合金貨源。在生產(chǎn)組織平衡過程中，最好將錳硅合金的錳含量控制在上限水平，因?yàn)閱渭円揽?中碳錳鐵的冶煉過程大幅度提高產(chǎn)品錳含量非常困難。比如，組織生產(chǎn)FeMn80C1.5牌號(hào)中碳錳鐵，對(duì)應(yīng)的中間產(chǎn)品錳硅合金錳含量就應(yīng)控制在69%左右。中間產(chǎn)品錳硅合金以液態(tài)或固態(tài)兩種形式提供給中低碳錳鐵冶煉工序。液態(tài)錳硅合金在熱兌之前要扒凈表面的爐渣，不允許遺留碳質(zhì)夾雜.固態(tài)錳硅合金宜采用出爐后鎮(zhèn)靜一段時(shí)間的底澆鑄 產(chǎn)品，破碎后的粒度應(yīng)不大于50㎜。
2、錳礦石
中低碳錳鐵生產(chǎn)對(duì)錳礦石提出的要求是錳鐵比要高，磷錳比要低，二氧化硅含量宜低。通常采用兩種或兩種以上的錳礦石相互搭配的方法來滿足各牌號(hào)中低碳錳鐵對(duì)入爐礦的綜合品質(zhì)要求。單純的中低碳錳鐵生產(chǎn)工序中，礦石中錳元素的入合金率與所執(zhí)行的工藝制度密切相關(guān)，工藝制度不同，礦石中錳元素的入合金率也表現(xiàn)出相應(yīng)的差異。入爐錳礦石的粒度應(yīng)不大于50㎜，水分含量應(yīng)小于6%，特別是直接應(yīng)用在搖爐或 轉(zhuǎn)爐中的錳礦石更必須焙燒、干燥后使用，以避免生產(chǎn)中人身設(shè)備事故的發(fā)生。采取搖爐預(yù)煉工藝，錳礦石的錳鐵比可以降低1.5-2.0。
3、石灰
冶煉中低碳錳鐵的石灰要求氧化鈣含量應(yīng)大于85%，入爐粒度 10-60㎜粒度的含有率在80%以上；石灰中不得夾雜煤炭塊等有害雜質(zhì)，生燒與過燒率的總和不得大于10%。在有條件的地方可以使用煅燒白云石代替部分石灰，以便提高渣中氧化鎂的含量， 這樣做有利于提高錳的回收率，降低產(chǎn)品電耗。
二、電硅熱法生產(chǎn)工藝及冶煉操作
為了提高錳的回收率，降低冶煉電耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家經(jīng)過不懈努 力，對(duì)原有的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了大膽改革，取得了顯著的效果，使電硅熱法生產(chǎn)中低碳錳的技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新水平。
1、熱裝法生產(chǎn)中低碳錳鐵
該法由日本新瀉廠最先采用，故又名新瀉法。,采用礦熱爐與旋轉(zhuǎn)式精煉爐相配合，用礦熱爐生產(chǎn)的錳硅合金熱兌入精煉爐生產(chǎn)中低碳錳鐵，副產(chǎn)的中錳渣冷凝后破碎用于錳硅合金生產(chǎn)。實(shí)際操作中為了保護(hù)好爐襯，提高電熱能利用效率，上一爐出鐵完畢爐眼堵實(shí)后，就要旋轉(zhuǎn)爐體，迅速搗除爐墻周邊結(jié)料。然后調(diào)控好轉(zhuǎn)速，開動(dòng)給料機(jī)向爐內(nèi)布料，布向爐墻邊緣的爐料以石灰為主，布向中心區(qū)域的爐料以錳礦為主。布料結(jié)束后，電極與爐墻之間的料面應(yīng)呈凹形環(huán)。在等待液態(tài)錳硅合金對(duì)入的時(shí)間里，利用爐體余熱預(yù)熱爐料。待到液態(tài)錳硅合金稱量后，就旋轉(zhuǎn)爐體，對(duì)入合金液使合金液在凹形環(huán)中對(duì)流均 勻。然后放下電極送電，補(bǔ)加入調(diào)整料，待極心圓附近爐料基本熔清后，再次旋轉(zhuǎn)爐體， 在外加的機(jī)械攪拌作用下加速周邊爐料的熔化，加速脫硅反應(yīng)；待周邊爐料基本熔清后， 取樣判斷合金含硅量，認(rèn)定合格后出爐。中錳渣的爐渣堿度宜控制在1.1-1.3，此時(shí)的渣中含錳量在22%左右。
與冷裝法相比，熱裝法具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：冶煉時(shí)間縮短，冶煉電耗降低。由于錳硅合金以液態(tài)形式對(duì)入，省去了重熔錳硅合金所需要的時(shí)間，通過預(yù)熱爐料又減少了爐料升溫所需要的電能，熱裝法相比于冷裝法縮短冶煉用電時(shí)間 15分鐘以上，降低冶煉電耗50%左右。爐臺(tái)日產(chǎn)量提高。采用熱裝法后每一爐的冶煉周期縮短，日出爐次數(shù)增加，日產(chǎn)量可比冷裝法提高 25%左右。采用液態(tài)錳硅合金熱裝入爐，簡(jiǎn)化了錳硅合金出爐后的推渣、澆鑄、精整、加工等工序，提高了錳硅合金的金屬收得率，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)成本。熱裝法的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，不足之處是不能解決渣中殘錳量高的問題，即使采用高堿度爐渣操作，入渣錳也在12-18左右。通常采用略低的爐渣堿度，副產(chǎn)不粉化的中錳渣應(yīng)用于錳硅合金生產(chǎn)。
2、冷裝法生產(chǎn)中低碳錳鐵
冷裝法是生產(chǎn)中低碳錳鐵的傳統(tǒng)方法，它采用的精煉爐多由煉鋼電弧爐改造而成， 即傾動(dòng)式的石墨電極精煉爐。中低碳錳鐵的冶煉過程分補(bǔ)爐、引弧、加料、精煉和出爐澆 鑄五個(gè)環(huán)節(jié)。前一爐鐵出完，堵好出鐵口，補(bǔ)完?duì)t后，借助爐內(nèi)殘留的渣鐵液引弧，然后將混合料加入爐內(nèi)，用滿負(fù)荷熔化爐料。待爐料熔化60-70%后，用工具將爐墻四周末熔化的 爐料推到爐心及電極周圍，待爐料基本熔清后，冶煉進(jìn)入精煉期。為了加速脫硅，縮短精煉時(shí)間，需要對(duì)熔池進(jìn)行攪拌，并定時(shí)從熔池中取樣判斷合金含硅量，待合金合格后即可出爐。含硅量的判斷通常憑經(jīng)驗(yàn)依靠肉眼觀察進(jìn)行，當(dāng)含硅量大于2%時(shí)，試樣冷凝速度較慢，表面光滑，表皮黑斑易脫落，斷面發(fā)亮，結(jié)晶顆粒粗大呈玻璃狀。當(dāng)含硅量小于2%時(shí)，試樣冷凝速度快，表面皺折明顯，黑皮斑塊不脫落，斷面陰暗呈灰白色，結(jié)晶顆粒細(xì)小，含硅量越低，這些特征越明顯。如果對(duì)試樣判斷的把握性仍然不大，應(yīng)立即送爐前化 驗(yàn)室做快速分析。出爐接鐵采用容積較大的鐵水包，將爐渣和鐵水一次全部裝入，利用鐵水后倒入鐵 水包時(shí)與爐渣沖兌形成的良好動(dòng)力學(xué)條件進(jìn)一步脫硅，降低產(chǎn)品硅含量。爐內(nèi)渣鐵不要出凈，應(yīng)留一部分，以方便下一爐用電引弧，起到保護(hù)爐底耐火磚襯的作用。剛出爐不久的鐵水液溫度較高，立刻澆鑄容易燒壞錠模，需要鎮(zhèn)靜降溫一段時(shí)間后再進(jìn)行澆鑄；由于中低碳錳鐵冷卻過程中有多次的固態(tài)相變和相應(yīng)的真密度變化，為了 減少快速降溫時(shí)過大的內(nèi)部熱應(yīng)力造成產(chǎn)品嚴(yán)重碎裂，需要采用蓋渣方式澆鑄；澆鑄用錠模深度不宜超過300㎜，否則中心部位的合金將會(huì)因降溫過慢，凝固偏析造成雜質(zhì)富集，嚴(yán)重時(shí)造成產(chǎn)品判廢。冶煉用的爐渣堿度多與入爐錳礦的品位相關(guān)。 在每一爐的冶煉前期，化料是主要任務(wù)，為了減少電極對(duì)合金的滲碳，在較大的范圍內(nèi)盡快熔化爐料，宜采用較高的二次電壓。隨著熔化料的增多，用電負(fù)荷可以相應(yīng)提高，直至用滿負(fù)荷。當(dāng)爐料基本化清，開始露弧時(shí)，宜降低二次電壓，使電極端頭埋入渣中，保持半露弧狀態(tài)，以便提高熔池溫度，減少熱損，減少錳的揮發(fā)損失。冶煉過程用電負(fù)荷變化情況如圖所示。
三、搖爐生產(chǎn)工藝的冶煉操作
該法是我國在借鑒國外“新瀉法（”熱裝）和“波倫法（”熱兌）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的中低碳錳鐵生產(chǎn)新工藝。國內(nèi)幾個(gè)廠家先后進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，取得了顯著效果。在總結(jié)各廠家試 驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，由北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院設(shè)計(jì)了一條搖爐 -電爐法中低碳錳鐵生產(chǎn) 線，并于1990年在遵義鐵合金廠建成投產(chǎn)。
1、搖爐預(yù)煉的工藝原理
搖爐爐體坐于一搖架上，搖架搖動(dòng)時(shí)搖爐作偏心圓周運(yùn)動(dòng)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，包內(nèi)液體在搖爐的帶動(dòng)下形成海波浪運(yùn)動(dòng)，上下翻騰，產(chǎn)生強(qiáng)烈的混合攪拌作用，使渣鐵之間的反應(yīng)界面擴(kuò)大，反應(yīng)物和生成物的擴(kuò)散速度提高，使渣中的氧化錳與合金中的硅之間的還原氧化反應(yīng)得以快速進(jìn)行。
搖爐預(yù)煉示意圖
搖爐-電爐法就是將液態(tài)錳硅合金和液態(tài)中錳渣對(duì)入搖爐，在搖爐中進(jìn)行強(qiáng)烈的混合、攪拌，使錳硅合金中的硅與渣中的氧化錳發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)行脫硅和錳的還原，然后將脫掉部分硅后的液態(tài)錳硅合金再對(duì)入精煉爐中與預(yù)熱的錳礦、石灰一起冶煉生產(chǎn)中低碳錳鐵；經(jīng)過搖爐處理的爐渣錳含量大大降低，變成貧渣，可用于錳硅合金冶煉，全部代替白云石、部分代替硅石，或者水淬后用于生產(chǎn)建筑材料。經(jīng)過搖爐預(yù)煉后，合金中的錳含量提高，硅含量降低，這為減輕精煉爐冶煉中的脫硅任務(wù)，縮短冶煉時(shí)間，降低產(chǎn)品單位電耗，創(chuàng)造了有利條件。
為了充分發(fā)揮搖爐脫硅效率高的優(yōu)勢(shì)，預(yù)煉時(shí)還可加入部分干燥錳礦，使合金中的 硅降得更低，這對(duì)后續(xù)的精煉爐精煉更加有利。
2、搖爐-電爐法冶煉特點(diǎn)
大量生產(chǎn)實(shí)踐證明，相比于傳統(tǒng)的電硅熱法，搖爐電爐法生產(chǎn)中低碳錳鐵具有如下優(yōu)點(diǎn)：精煉爐內(nèi)脫硅任務(wù)減輕，用電硅熱法生產(chǎn)時(shí)，需將錳硅合金中的硅從18%降到2%以下，經(jīng)搖爐預(yù)煉后，在精煉爐中只需將合金中的硅含量從6-12%降到2%以下。由于脫硅量減少，在精煉爐中生成的二氧化硅數(shù)量和配加的錳礦及石灰量相應(yīng)減少， 隨之渣量、電耗及渣中含錳量減少。采用搖爐預(yù)煉配合后，對(duì)精煉爐中的爐渣含錳量可以適當(dāng)放寬，可以用過量的錳礦進(jìn)行冶煉，進(jìn)一步加快脫硅速度。搖爐預(yù)煉后的液態(tài)錳硅合金帶有大量的物理顯熱，省去了再次用電熔化的時(shí)間及其相應(yīng)的耗電量，爐料中錳元素的揮發(fā)損失也隨之減少。精煉電爐中排出的爐渣通過搖爐預(yù)煉處理，到排棄時(shí)，渣中錳含量由12-18%降低6%以下，極大提高了錳的回收率。
3、操作要點(diǎn)
操作過程為：前一爐鐵出完并堵好眼后，將電極提起，然后轉(zhuǎn)動(dòng)爐體，同時(shí)將錳礦、石灰加入爐 內(nèi)，使?fàn)t料在爐內(nèi)呈雙峰形分布，爐料加完后，停止?fàn)t體轉(zhuǎn)動(dòng)，讓爐料在爐內(nèi)預(yù)熱。將精煉爐排出的溫度在1350-1400℃的爐渣計(jì)量后對(duì)入搖爐。將來自還原爐的約1300℃的液態(tài)錳硅合金扒渣、取樣、稱量后對(duì)入搖爐，與爐渣沖混。啟動(dòng)搖爐旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逐漸提高轉(zhuǎn)速至55-60轉(zhuǎn)每分，待爐內(nèi)熔液波浪至最大時(shí)，可通過加料斗向爐內(nèi)加入適量的干燥錳礦及石灰，并根據(jù)爐內(nèi)溫度條件靈活控制搖動(dòng)時(shí)間。搖爐搖動(dòng)8分鐘后，用鐵桿插入爐內(nèi)取渣樣觀察，當(dāng)鐵桿上粘渣呈玻璃絲狀，斷面呈淺咖啡色或白色時(shí)，即可降低轉(zhuǎn)速直至停止搖動(dòng)。傾倒搖爐，運(yùn)用過渡流槽分別將液態(tài)渣和鐵水倒入渣包和熱兌，搖后渣作為貧渣處理。預(yù)煉后的液態(tài)錳硅合金扒渣、計(jì)量后運(yùn)至精煉爐熱兌，同時(shí)取樣快速分析含硅量，據(jù)此補(bǔ)配入調(diào)整料。液態(tài)錳硅合金往精煉爐熱兌時(shí)爐體應(yīng)當(dāng)旋轉(zhuǎn)，使合金熔液沿爐料面的峰谷呈一 環(huán)帶分布。合金熱兌完畢，爐體停止旋轉(zhuǎn)，送電進(jìn)行精煉。當(dāng)爐料熔化至70-80%啟動(dòng)爐體旋轉(zhuǎn)，并人工將爐墻周圍爐料推至電極周圍及爐心，促使其快速熔化。爐料完全熔化后，停止轉(zhuǎn)動(dòng)爐體，取樣判硅，合格后即可停電出爐。精煉過程中的爐況控制及出爐澆鑄參見電硅熱法的有關(guān)部分。
搖爐電爐法生產(chǎn)中低碳錳鐵由于其冶煉周期短，生產(chǎn)效率高，電耗低，錳的回收率高等特 點(diǎn)。此法一經(jīng)問世，便迅速在國內(nèi)鐵合金廠推廣，現(xiàn)利用該法生產(chǎn)的中低碳錳鐵產(chǎn)量已占國內(nèi)中低碳錳鐵總產(chǎn)量的一半左右，為充分利用錳礦資源，提高冶煉經(jīng)濟(jì)效益開創(chuàng)了 一條新路。
四、吹氧法生產(chǎn)工藝及冶煉操作
吹氧脫碳法生產(chǎn)中低碳錳鐵是以還原電爐或高爐冶煉的液態(tài)高碳錳鐵為原料，熱兌 到轉(zhuǎn)爐中，通過氧槍吹入氧氣，氧化高碳錳鐵中的碳；同時(shí)加入適量的造渣劑或冷卻劑， 當(dāng)合金中的碳脫低到符合標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，其合金即為中低碳錳鐵。吹氧脫碳法生產(chǎn)中低碳錳鐵的優(yōu)越性在于可以利用高爐錳鐵，拓寬了中低碳錳鐵生 產(chǎn)的途徑。但由于該法需要的冶煉溫度較高，錳的揮發(fā)損失較大，特別是生產(chǎn)低碳錳鐵， 冶煉溫度需要控制在1900℃以上，錳的揮發(fā)損失更大。因此，如何提高錳的回收率，是解決該法生產(chǎn)的關(guān)鍵。
1、操作要點(diǎn)
補(bǔ)爐。吹煉時(shí)爐渣對(duì)爐襯的侵蝕嚴(yán)重，出完?duì)t后，需要用鎂砂、鹵水拌合料補(bǔ)爐， 補(bǔ)爐要做到高溫快速。堿度控制。吹煉前期堿度控制在（二元堿度）1.1-1.2。中期堿度不超過2.后期堿度不超過 6，加還原劑后，爐渣堿度控制在 1.1-1.2。在保證迅速脫碳的前題下，為減少錳的揮發(fā)損失，吹煉中要盡量避免 1850℃以上的高溫，當(dāng)溫度過高時(shí)，可加入適量冷卻劑降溫，常用的冷卻劑有石灰、螢石、中碳錳鐵。終點(diǎn)判斷。準(zhǔn)確的終點(diǎn)判斷是控制產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品合格率的一個(gè)重要手段。通常根據(jù)火焰和耗氧量來進(jìn)行判斷：觀察吹氧時(shí)爐內(nèi)逸出的煙氣火焰。在一定溫度下，火焰的長(zhǎng)度取決于燃燒生成的一氧化碳及二氧化碳的濃度，一氧化碳和二氧化碳的濃度又間接反映合金中碳的剩余量；吹煉后期，合金中的剩余碳已經(jīng)比較低，相應(yīng)地吹氧脫碳效果也降低，爐口火焰顯現(xiàn)得飄搖無力，或縮于爐口以內(nèi)。"氧氣消耗量。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)吹氧的消耗量與高碳錳鐵的鐵水含碳量對(duì)應(yīng)關(guān)系很強(qiáng)， 憑借經(jīng)驗(yàn)可以從氧氣的消耗量判斷合金中碳的剩余量，是否已經(jīng)到了吹煉終點(diǎn)。必要時(shí)，可以取樣用快速分析方法進(jìn)行碳含量的測(cè)定。添加錳硅合金還原劑。待到吹氧結(jié)束，合金中的錳約有20-30%被氧化入渣， 增大了錳元素的損耗，為了提高錳的回收率，需要向爐內(nèi)加入粒度小于20㎜的錳硅合金，以還原渣中的氧化錳。錳硅合金加入量根據(jù)入爐鐵水量、冷卻劑數(shù)量、吹煉品種進(jìn)行計(jì) 算。通常，錳硅合金加入量約為入爐鐵水及補(bǔ)加的錳鐵總量的20%。需要預(yù)熱到400-500℃以后再加入爐內(nèi)。出爐與澆鑄。待作為還原劑加入的錳硅合金全部熔化后出爐。將爐內(nèi)的渣液與鐵液一起傾倒入鐵水包中，利用傾倒時(shí)的強(qiáng)烈攪拌作用，還原渣中的氧化錳。合金液在澆鑄包或鎮(zhèn)靜盆中覆渣靜置一段時(shí)間降溫后，再進(jìn)行蓋渣澆鑄，以保護(hù)錠模不被高溫鐵水燒壞。
五、波倫法
法國電冶金公司吉弗爾鐵合金廠用一臺(tái) "自焙電極還原爐生產(chǎn)的含硅35%錳的液態(tài)高硅錳硅合金；另用經(jīng)過球磨的錳礦與焦粉相配合制取冷球團(tuán)，在900-1000℃的回轉(zhuǎn)窯中焙燒，將燒好的球團(tuán)礦倒入的傾動(dòng)式電爐中熔化， 待球團(tuán)礦完全熔化后，再將熔渣全部倒入裝有液態(tài)高硅錳硅合金鐵水包中混合，反復(fù)與另一個(gè)鐵水包相互倒包沖對(duì)攪拌，其間加入適量的石灰造渣，最后獲得的合金即為低碳錳鐵。
六、烏達(dá)康轉(zhuǎn)爐法
1973年瑞典某鐵合金廠在其冶煉車間裝設(shè)了一臺(tái)容量8噸的烏達(dá)康轉(zhuǎn)爐，轉(zhuǎn)爐下部裝有2500KW溶溝式感應(yīng)器。生產(chǎn)時(shí)先將還原爐生產(chǎn)的液態(tài)錳硅合金對(duì)入爐內(nèi)，以氮?dú)鉃檩d體向合金液中噴吹錳礦和石灰粉劑，待合金中硅含量降到 7%時(shí)，倒掉含氧化錳較低的熔渣，繼續(xù)噴吹錳礦和石灰粉劑，待合金中硅含量低于1%時(shí)，將金屬液倒出，熔渣仍然留在爐內(nèi)，等待液態(tài)錳硅合金對(duì)入繼續(xù)下一爐的冶煉。從轉(zhuǎn)爐倒出的金屬液澆鑄冷凝破碎后即為中低碳錳鐵產(chǎn)品。烏達(dá)康轉(zhuǎn)爐投產(chǎn)后一直平穩(wěn)運(yùn)行，每生產(chǎn)一噸含錳86%的中碳錳鐵消耗：含硅20%的錳硅合金663㎏，石灰 335㎏，電耗260度、錳回收率85%，硅的利用率在90%以上。
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