論文
中低碳錳鐵冶煉工藝技術(shù)
更新時間：2022-03-08 關(guān)注：4303
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)準要求的中低碳錳鐵，取得良好的技術(shù)經(jīng)濟指標(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，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)合實際情況，自行組織穩(wěn)定可靠的符合企業(yè)標(biāo)準要求的中間產(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，因為單純依靠 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牌號中碳錳鐵，對應(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中低碳錳鐵對入爐礦的綜合品質(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)濟效益，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家經(jīng)過不懈努 力，對原有的生產(chǎn)工藝進行了大膽改革，取得了顯著的效果，使電硅熱法生產(chǎn)中低碳錳的技術(shù)達到了一個新水平。
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)。實際操作中為了保護好爐襯，提高電熱能利用效率，上一爐出鐵完畢爐眼堵實后，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，開動給料機向爐內(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)錳硅合金對入的時間里，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，對入合金液使合金液在凹形環(huán)中對流均 勻。然后放下電極送電，補加入調(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，認定合格后出爐。中錳渣的爐渣堿度宜控制在1.1-1.3，此時的渣中含錳量在22%左右。
與冷裝法相比，熱裝法具有以下一些優(yōu)點：冶煉時間縮短，冶煉電耗降低。由于錳硅合金以液態(tài)形式對入，省去了重熔錳硅合金所需要的時間，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間 15分鐘以上，降低冶煉電耗50%左右。爐臺日產(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，減輕了工人勞動強度，降低了生產(chǎn)成本。熱裝法的優(yōu)點顯而易見，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， 即傾動式的石墨電極精煉爐。中低碳錳鐵的冶煉過程分補爐、引弧、加料、精煉和出爐澆 鑄五個環(huán)節(jié)。前一爐鐵出完，堵好出鐵口，補完爐后，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，冶煉進入精煉期。為了加速脫硅，縮短精煉時間，需要對熔池進行攪拌，并定時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)驗依靠肉眼觀察進行，當(dāng)含硅量大于2%時，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，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)晶顆粒細小，含硅量越低，這些特征越明顯。如果對試樣判斷的把握性仍然不大，應(yīng)立即送爐前化 驗室做快速分析。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 水包時與爐渣沖兌形成的良好動力學(xué)條件進一步脫硅，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)靜降溫一段時間后再進行澆鑄；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 減少快速降溫時過大的內(nèi)部熱應(yīng)力造成產(chǎn)品嚴重碎裂，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因降溫過慢，凝固偏析造成雜質(zhì)富集，嚴重時造成產(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，用電負荷可以相應(yīng)提高，直至用滿負荷。當(dāng)爐料基本化清，開始露弧時，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)幾個廠家先后進行工業(yè)性試驗，取得了顯著效果。在總結(jié)各廠家試 驗經(jīng)驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，由北京鋼鐵設(shè)計研究總院設(shè)計了一條搖爐 -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，搖架搖動時搖爐作偏心圓周運動，達到一定轉(zhuǎn)速時，包內(nèi)液體在搖爐的帶動下形成海波浪運動，上下翻騰，產(chǎn)生強烈的混合攪拌作用，使渣鐵之間的反應(yīng)界面擴大，反應(yīng)物和生成物的擴散速度提高，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)中錳渣對入搖爐，在搖爐中進行強烈的混合、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，預(yù)煉時還可加入部分干燥錳礦，使合金中的 硅降得更低，這對后續(xù)的精煉爐精煉更加有利。
2、搖爐-電爐法冶煉特點
大量生產(chǎn)實踐證明，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：精煉爐內(nèi)脫硅任務(wù)減輕，用電硅熱法生產(chǎn)時，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行冶煉，進一步加快脫硅速度。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，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
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)動爐體，同時將錳礦、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，讓爐料在爐內(nèi)預(yù)熱。將精煉爐排出的溫度在1350-1400℃的爐渣計量后對入搖爐。將來自還原爐的約1300℃的液態(tài)錳硅合金扒渣、取樣、稱量后對入搖爐，與爐渣沖混。啟動搖爐旋轉(zhuǎn)機構(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，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時間。搖爐搖動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，即可降低轉(zhuǎn)速直至停止搖動。傾倒搖爐，運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、計量后運至精煉爐熱兌，同時取樣快速分析含硅量，據(jù)此補配入調(diào)整料。液態(tài)錳硅合金往精煉爐熱兌時爐體應(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)，送電進行精煉。當(dāng)爐料熔化至70-80%啟動爐體旋轉(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。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)準要求時，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
補爐。吹煉時爐渣對爐襯的侵蝕嚴重，出完爐后，需要用鎂砂、鹵水拌合料補爐， 補爐要做到高溫快速。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，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。終點判斷。準確的終點判斷是控制產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品合格率的一個重要手段。通常根據(jù)火焰和耗氧量來進行判斷：觀察吹氧時爐內(nèi)逸出的煙氣火焰。在一定溫度下，火焰的長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。實踐中發(fā)現(xiàn)吹氧的消耗量與高碳錳鐵的鐵水含碳量對應(yīng)關(guān)系很強， 憑借經(jīng)驗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。必要時，可以取樣用快速分析方法進行碳含量的測定。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、吹煉品種進行計 算。通常，錳硅合金加入量約為入爐鐵水及補加的錳鐵總量的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，利用傾倒時的強烈攪拌作用，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間降溫后，再進行蓋渣澆鑄，以保護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 "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，在900-1000℃的回轉(zhuǎn)窯中焙燒，將燒好的球團礦倒入的傾動式電爐中熔化， 待球團礦完全熔化后，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)與另一個鐵水包相互倒包沖對攪拌，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)了一臺容量8噸的烏達康轉(zhuǎn)爐，轉(zhuǎn)爐下部裝有2500KW溶溝式感應(yīng)器。生產(chǎn)時先將還原爐生產(chǎn)的液態(tài)錳硅合金對入爐內(nèi)，以氮氣為載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，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，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。烏達康轉(zhuǎn)爐投產(chǎn)后一直平穩(wěn)運行，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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