論文
中低碳錳鐵冶煉工藝技術
更新時間：2022-03-08 關注：3114
生產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。為了生產符合標準要求的中低碳錳鐵，取得良好的技術經濟指標，所有的原料必須符合一定的質量要求。中低碳錳鐵生產主要方法有電硅熱法、搖爐生產法、吹氧生產法、波倫法、烏達康轉爐法。
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，為了區別于向煉鋼廠提供的錳硅合金，各中低碳錳鐵生產廠結合實際情況，自行組織穩定可靠的符合企業標準要求的中間產品錳硅合金貨源。在生產組織平衡過程中，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品錳含量非常困難。比如，組織生產FeMn80C1.5牌號中碳錳鐵，對應的中間產品錳硅合金錳含量就應控制在69%左右。中間產品錳硅合金以液態或固態兩種形式提供給中低碳錳鐵冶煉工序。液態錳硅合金在熱兌之前要扒凈表面的爐渣，不允許遺留碳質夾雜.固態錳硅合金宜采用出爐后鎮靜一段時間的底澆鑄 產品，破碎后的粒度應不大于50㎜。
2、錳礦石
中低碳錳鐵生產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要求。單純的中低碳錳鐵生產工序中，礦石中錳元素的入合金率與所執行的工藝制度密切相關，工藝制度不同，礦石中錳元素的入合金率也表現出相應的差異。入爐錳礦石的粒度應不大于50㎜，水分含量應小于6%，特別是直接應用在搖爐或 轉爐中的錳礦石更必須焙燒、干燥后使用，以避免生產中人身設備事故的發生。采取搖爐預煉工藝，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，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，降低產品電耗。
二、電硅熱法生產工藝及冶煉操作
為了提高錳的回收率，降低冶煉電耗，提高經濟效益，國內外生產廠家經過不懈努 力，對原有的生產工藝進行了大膽改革，取得了顯著的效果，使電硅熱法生產中低碳錳的技術達到了一個新水平。
1、熱裝法生產中低碳錳鐵
該法由日本新瀉廠最先采用，故又名新瀉法。,采用礦熱爐與旋轉式精煉爐相配合，用礦熱爐生產的錳硅合金熱兌入精煉爐生產中低碳錳鐵，副產的中錳渣冷凝后破碎用于錳硅合金生產。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，就要旋轉爐體，迅速搗除爐墻周邊結料。然后調控好轉速，開動給料機向爐內布料，布向爐墻邊緣的爐料以石灰為主，布向中心區域的爐料以錳礦為主。布料結束后，電極與爐墻之間的料面應呈凹形環。在等待液態錳硅合金對入的時間里，利用爐體余熱預熱爐料。待到液態錳硅合金稱量后，就旋轉爐體，對入合金液使合金液在凹形環中對流均 勻。然后放下電極送電，補加入調整料，待極心圓附近爐料基本熔清后，再次旋轉爐體， 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；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點：冶煉時間縮短，冶煉電耗降低。由于錳硅合金以液態形式對入，省去了重熔錳硅合金所需要的時間，通過預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。爐臺日產量提高。采用熱裝法后每一爐的冶煉周期縮短，日出爐次數增加，日產量可比冷裝法提高 25%左右。采用液態錳硅合金熱裝入爐，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，降低了生產成本。熱裝法的優點顯而易見，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，副產不粉化的中錳渣應用于錳硅合金生產。
2、冷裝法生產中低碳錳鐵
冷裝法是生產中低碳錳鐵的傳統方法，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 鑄五個環節。前一爐鐵出完，堵好出鐵口，補完爐后，借助爐內殘留的渣鐵液引弧，然后將混合料加入爐內，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驗依靠肉眼觀察進行，當含硅量大于2%時，試樣冷凝速度較慢，表面光滑，表皮黑斑易脫落，斷面發亮，結晶顆粒粗大呈玻璃狀。當含硅量小于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條件進一步脫硅，降低產品硅含量。爐內渣鐵不要出凈，應留一部分，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相變和相應的真密度變化，為了 減少快速降溫時過大的內部熱應力造成產品嚴重碎裂，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，凝固偏析造成雜質富集，嚴重時造成產品判廢。冶煉用的爐渣堿度多與入爐錳礦的品位相關。 在每一爐的冶煉前期，化料是主要任務，為了減少電極對合金的滲碳，在較大的范圍內盡快熔化爐料，宜采用較高的二次電壓。隨著熔化料的增多，用電負荷可以相應提高，直至用滿負荷。當爐料基本化清，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，以便提高熔池溫度，減少熱損，減少錳的揮發損失。冶煉過程用電負荷變化情況如圖所示。
三、搖爐生產工藝的冶煉操作
該法是我國在借鑒國外“新瀉法（”熱裝）和“波倫法（”熱兌）的基礎上發展起來的中低碳錳鐵生產新工藝。國內幾個廠家先后進行工業性試驗，取得了顯著效果。在總結各廠家試 驗經驗數據的基礎上，由北京鋼鐵設計研究總院設計了一條搖爐 -電爐法中低碳錳鐵生產 線，并于1990年在遵義鐵合金廠建成投產。
1、搖爐預煉的工藝原理
搖爐爐體坐于一搖架上，搖架搖動時搖爐作偏心圓周運動，達到一定轉速時，包內液體在搖爐的帶動下形成海波浪運動，上下翻騰，產生強烈的混合攪拌作用，使渣鐵之間的反應界面擴大，反應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得以快速進行。
搖爐預煉示意圖
搖爐-電爐法就是將液態錳硅合金和液態中錳渣對入搖爐，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生反應，進行脫硅和錳的還原，然后將脫掉部分硅后的液態錳硅合金再對入精煉爐中與預熱的錳礦、石灰一起冶煉生產中低碳錳鐵；經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建筑材料。經過搖爐預煉后，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，縮短冶煉時間，降低產品單位電耗，創造了有利條件。
為了充分發揮搖爐脫硅效率高的優勢，預煉時還可加入部分干燥錳礦，使合金中的 硅降得更低，這對后續的精煉爐精煉更加有利。
2、搖爐-電爐法冶煉特點
大量生產實踐證明，相比于傳統的電硅熱法，搖爐電爐法生產中低碳錳鐵具有如下優點：精煉爐內脫硅任務減輕，用電硅熱法生產時，需將錳硅合金中的硅從18%降到2%以下，經搖爐預煉后，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量和配加的錳礦及石灰量相應減少， 隨之渣量、電耗及渣中含錳量減少。采用搖爐預煉配合后，對精煉爐中的爐渣含錳量可以適當放寬，可以用過量的錳礦進行冶煉，進一步加快脫硅速度。搖爐預煉后的液態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的耗電量，爐料中錳元素的揮發損失也隨之減少。精煉電爐中排出的爐渣通過搖爐預煉處理，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，然后轉動爐體，同時將錳礦、石灰加入爐 內，使爐料在爐內呈雙峰形分布，爐料加完后，停止爐體轉動，讓爐料在爐內預熱。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。啟動搖爐旋轉機構逐漸提高轉速至55-60轉每分，待爐內熔液波浪至最大時，可通過加料斗向爐內加入適量的干燥錳礦及石灰，并根據爐內溫度條件靈活控制搖動時間。搖爐搖動8分鐘后，用鐵桿插入爐內取渣樣觀察，當鐵桿上粘渣呈玻璃絲狀，斷面呈淺咖啡色或白色時，即可降低轉速直至停止搖動。傾倒搖爐，運用過渡流槽分別將液態渣和鐵水倒入渣包和熱兌，搖后渣作為貧渣處理。預煉后的液態錳硅合金扒渣、計量后運至精煉爐熱兌，同時取樣快速分析含硅量，據此補配入調整料。液態錳硅合金往精煉爐熱兌時爐體應當旋轉，使合金熔液沿爐料面的峰谷呈一 環帶分布。合金熱兌完畢，爐體停止旋轉，送電進行精煉。當爐料熔化至70-80%啟動爐體旋轉，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部分。
搖爐電爐法生產中低碳錳鐵由于其冶煉周期短，生產效率高，電耗低，錳的回收率高等特 點。此法一經問世，便迅速在國內鐵合金廠推廣，現利用該法生產的中低碳錳鐵產量已占國內中低碳錳鐵總產量的一半左右，為充分利用錳礦資源，提高冶煉經濟效益開創了 一條新路。
四、吹氧法生產工藝及冶煉操作
吹氧脫碳法生產中低碳錳鐵是以還原電爐或高爐冶煉的液態高碳錳鐵為原料，熱兌 到轉爐中，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， 當合金中的碳脫低到符合標準要求時，其合金即為中低碳錳鐵。吹氧脫碳法生產中低碳錳鐵的優越性在于可以利用高爐錳鐵，拓寬了中低碳錳鐵生 產的途徑。但由于該法需要的冶煉溫度較高，錳的揮發損失較大，特別是生產低碳錳鐵， 冶煉溫度需要控制在1900℃以上，錳的揮發損失更大。因此，如何提高錳的回收率，是解決該法生產的關鍵。
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，為減少錳的揮發損失，吹煉中要盡量避免 1850℃以上的高溫，當溫度過高時，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品質量，提高產品合格率的一個重要手段。通常根據火焰和耗氧量來進行判斷：觀察吹氧時爐內逸出的煙氣火焰。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比較低，相應地吹氧脫碳效果也降低，爐口火焰顯現得飄搖無力，或縮于爐口以內。"氧氣消耗量。實踐中發現吹氧的消耗量與高碳錳鐵的鐵水含碳量對應關系很強， 憑借經驗可以從氧氣的消耗量判斷合金中碳的剩余量，是否已經到了吹煉終點。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入爐鐵水量、冷卻劑數量、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%。需要預熱到400-500℃以后再加入爐內。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的含硅35%錳的液態高硅錳硅合金；另用經過球磨的錳礦與焦粉相配合制取冷球團，在900-1000℃的回轉窯中焙燒，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高硅錳硅合金鐵水包中混合，反復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、烏達康轉爐法
1973年瑞典某鐵合金廠在其冶煉車間裝設了一臺容量8噸的烏達康轉爐，轉爐下部裝有2500KW溶溝式感應器。生產時先將還原爐生產的液態錳硅合金對入爐內，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，等待液態錳硅合金對入繼續下一爐的冶煉。從轉爐倒出的金屬液澆鑄冷凝破碎后即為中低碳錳鐵產品。烏達康轉爐投產后一直平穩運行，每生產一噸含錳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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