硅锰合金的冶炼要点.docx
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硅锰合金的冶炼要点
关于硅锰合金的冶炼方式和方法
邓绍鑫、邓元华
内容摘要:
硅锰合金是炼钢中常用的复合脱氧剂,因此,世界上对于硅锰合金的冶炼都十分的重视。
本文通过对硅锰合金的冶炼过程进行剖析阐述,客观上总结了国内外硅锰合金冶炼的技术手段和方法。
关键词:
硅锰合金复合脱氧剂冶炼
硅锰合金是炼钢常用的复合脱氧剂,又是生产中,低碳锰铁和电硅热法生产金属锰的还原剂。
硅锰合金可在大中小型矿热炉内采取连续式操作进行冶炼。
目前,世界上硅锰合金电炉正向大型化、全封闭的方向发展,南非1975年投产了一台88000KVA的大型硅锰合金电炉。
表1-1某厂冶炼中低碳锰铁自用硅锰合金牌号及成分
牌号
Si%
Mn%
C%
P%
适用范围
汉字
代号
不小于
不大于
特一类
SiMn-0
23,0
65.0
0.3
0.19
FeMn83C0.4
一类硅锰
SiMn-1
20.0
66.0
0.5
0.19
FeMn80C0.7
二类硅锰
SiMn-2
19.0
67.0
0.8
0.19
FeMn78C1.0
三类硅锰
SiMn-3
17.0
68.0
1.3
0.19
FeMn75C1.5
生产硅锰合金的原料有锰矿、富锰渣、硅石、焦炭。
生产硅锰合金可使用一种锰矿或几种锰矿(包括富锰渣)的混合矿。
为保证炼出合格产品,矿石中的锰铁比和锰磷比应满足一定要求,见表1-2所示。
所用的锰矿含锰越高,
表1-2
炼制合金
要求
Mn%≥
Mn/Fe≥
P/Mn≤
SiMn-0
37
7
0.0020
SiMn-1
35
6
0.0025
SiMn-2
33
5.5
0.0025
SiMn-3
31
5.0
0.0025
Mn60Si20
31
4.5
0.0025
Mn60Si17
30
4.5
0.0030
Mn60Si14
30
3.5
0.0035
图1-1
各项指标越好,图1-1为锰矿品位对硅锰合金技术经济指标的影响。
锰矿中二氧化硅含量通常不受限制。
采用含二氧化硅较高的锰矿(30~40%SiO2)来冶炼硅锰合金在技术上是允许的,在资源利用上是合理的。
锰矿中的杂质P2O5要低,P2O5使合金中磷含量升高。
锰矿粒度一般为10~80mm,小于10mm不超过总量的10%。
对于硅石的要求,SiO2≥97%,P2O5<0.02,粒度10~40mm,不带泥土及杂物。
对于焦炭的要求,固定碳≥84%,灰分≤14%,焦炭粒度,一般中小电炉使用3~13mm,大电炉使用5~25mm。
对于石灰的要求与碳素锰铁对石灰的要求相同。
为了改善硅的还原,炉料中必须有足够的SiO2使在酸性渣中进行冶炼,渣中SiO2过高,会使排渣困难,通常冶炼硅锰合金的炉渣成分:
(SiO2)=34~42%,
CaO+MgO
=0.6~0.8Mn<8%
SiO2
锰的高价氧化物不稳定,受热后容易分解和被CO还原成低价的氧化物MnO,在1373K~1473K的温度区间,锰的高价氧化物已经分解或还原成MnO。
MnO较稳定,只能用碳直接还原,由于炉料中SiO2较高,MnO在没开始还原时就与它反应成硅酸盐,富锰渣中的硅锰也是硅酸盐的形式存在,因此从MnO中还原锰的反应,实际上是液态炉渣的硅酸盐中进行还原的。
由于锰与碳组成稳定的化合物Mn3C,用碳还原MnO得到的不是纯锰,而是锰的化合物Mn3C。
MnO·SiO2+
4
C=
1
Mn3C+SiO2+CO
3
3
炉料中的氧化铁比氧化锰容易还原,还原出来的铁与锰组成共熔体,大大改善了MnO的还原条件。
温度升高,硅也被还原出来,其反应式是:
SiO2+2C=Si+2CO
由于硅与锰生成比Mn3C更稳定地化合物MnSi,当硅遇到了Mn3C时,Mn3C中的碳被排挤出来,使合金含碳量下降,其反应式为:
1/3Mn3C+Si=MnSi+1/3C
被还原出来的硅越多,碳化物破坏得越彻底,合金的含碳量就越低。
用碳还原炉料中的硅和锰生产硅锰合金,其总反应式:
MnO·SiO2+3C=MnSi+3CO△Fo=3821656.6-2435.67T
由于还原出来的硅与锰结合生成MnSi,从而改善了还原条件。
合金中的含硅量越低,SiO2的开始还原温度越低,例如,冶炼硅锰20时,SiO2开始还原温度为1763K,冶炼硅锰14时为1748K。
生产硅锰合金的工艺与生产碳素锰铁基本相同,但在炉况的掌握上比生产碳素锰铁要难些。
为此在操作上更要求做到精心细致,正确的判断炉况和及时处理。
正常炉况的标志是电极插入深度合适,炉料均匀下沉,炉口冒火均匀,成分稳定和各项技术经济指标良好。
准确的配料比是保证得到正常炉况的关键。
配料比中的主要问题是配碳量问题。
当炉料中还原剂过多时,炉料导电性增强,电流上涨电极上抬,坩埚缩小,疵火塌料现象增多,炉口的外观和炼硅铁时的还原剂过多时有些相同,由于炉料中有过多的还原剂,二氧化硅还原较多因而合金中硅高。
若还原剂过剩量太大,电极上抬很严重,炉底温度低,合金中硅含量反而下降。
当炉料中还原剂不足时,电极下插深,炉口火焰低,发暗,由于还原剂不足,渣中二氧化硅高,渣发粘,出铁时铁渣不分,合金中硅低碳高。
配碳量是根据公式计算出来的,但要把炉上的一些实际情况考虑进去。
例如炉渣碱度大渣稀,出铁带走的生料多,配料量可以大些,又如旧的出铁口炉眼大,出铁时带走的焦炭多,配碳量也要大一些。
炉渣的碱度对硅锰合金的冶炼也有很大的影响。
碱度过高,成渣温度大大下降,炉内温度提不高,加之CaO与SiO2结合成硅酸盐,这些都使SiO2的还原困难,合金含硅量上不去。
此外,碱度过高,炉渣过稀,出铁时带走的生料多,出铁口也容易烧坏,炉眼也不好堵,因此碱度太高是不好的。
碱度太低,渣发粘,排渣困难,排渣不彻底,容易引起翻渣,碱度太低,电阻大,炉渣的导电性大大下降,常常给不满负荷,因而炉温低,坩埚缩小,化料速度慢,生产率低。
由于炉温低和渣发粘,SiO2还原发生困难,合金中硅低碳高,渣中跑锰多。
生产中可根据渣量和渣的流动性来判断炉渣碱度,正常冶炼时,每炉的渣量和铁量在一定范围内波动。
若出渣过多,出铁较少,说明碱度高;若渣量少,流不出来,出铁口挂渣,说明碱度低。
炉渣的流动性和碱度直接相关,渣稀,碱度就高、渣粘、碱度就低。
二氧化硅是较难还原的氧化物,它的还原程度与还原剂的用量特别是与炉温有关。
因此,冶炼硅含量较高的硅锰合金除适当增加还原剂的用量外,关键是怎样提高炉内的温度。
我们知道,在连续冶炼法中,炉渣的熔点对炉温有很大的影响。
在冶炼硅锰合金时,因为炉渣中的SiO2和MnO在12400C会组成低熔点的共晶体,而从MnSiO3中还原得到含硅20%的开始还原温度为14900C,因此冶炼高硅硅锰合金的主要困难也是炉温问题。
锰矿的品位和块度对炉温是有影响的。
锰矿含锰越高,渣量就少,炉温容易上去。
锰矿块度大,透气性好,整个炉口冒火,料层均匀下沉。
原料预热好,落入下部反应区时带入较多的热量,同时块度大,熔化很慢,成渣温度也高,这都有助于炉温的提高。
提高合金的含硅量,还要有一个合适的炉渣成分。
生产实践指出,当碱度(CaO/SiO2)在0.5~0.7之间,合金含硅量高。
此外,炉渣中含有少量的(5~7%)MgO能大大改善炉渣的流动性,又利于炉温的提高,这都能促进SiO2的还原。
电极工作端的长度对炉温是有直接影响的。
9000~12500KVA的电炉冶炼硅锰合金时电极的正常埋入深度为1.2~1.4米,工作电压为130~145V;3000~6000KVA的电炉冶炼硅锰合金时电极的正常埋入深度为600~800mm。
此外,如出铁口处炉壁变薄,出铁口炉眼太大造成出铁时淌生料严重,也都影响炉温的提高,从而影响合金中硅含量的提高。
锰的回收率是生产硅锰合金的一项重要指标。
提高锰的回收率就是要减少进入炉渣和随同炉气逸出的锰。
炉渣中锰量与炉渣碱度有关。
生产统计中有如下关系,见表1-3。
表1-3
碱度(CaO/SiO2)
0.21~0.3
0.24~0.4
0.41~0.5
0.51~0.6
0.61~0.7
0.71~0.8
0.81~0.9
渣中含Mn量
10.3
9.6
8.35
8.41
7.25
5.76
4.88
碱度越高,渣中含锰量越低,但不应由此得出结论。
碱度越高锰的回收率越高。
因为碱度越高,渣量就越大,虽然渣中的锰的百分比下降,炉渣中总的跑锰量不一定下降。
生产经验认为:
碱度由0.2增大到0.7~0.8时,锰的回收率随着碱度的增加而提高,碱度再高,锰的回收率反而下降。
为了减少随炉气逸出的锰,就要避免高温区过于集中,减少锰的挥发。
因此,二次电压不能过高,电极插得深,料柱厚,炉气外逸时有比较长的行程,以便炉料吸收部分挥发的锰,可以减少锰的汽化损失。
封闭电炉炼硅锰合金时,判断炉况除根据原料情况(粒度、成分)电极位置、炉渣碱度、合金成分、渣量(同敞口炉)外,还要考虑炉气成分,炉膛各部分温度变化等情况对冶炼过程进行全面分析,综合判断,如:
(1)炉膛出口压力波动,炉盖温度局部升高说明炉膛内局部翻渣或刺火。
(2)炉气出口压力增大,炉盖温度未升高,二次电流下降,说明炉内有塌料现象。
(3)炉气出口压力增大,炉盖温度升高,电极波动,出炉压力显著下降,是炉膛内翻渣的象征。
(4)炉气分析中氢含量急剧上升,在原料湿度不变情况下,说明炉内设备有严重漏水现象,应立即停电处理。
如氧气含量增加,说明密封不好,应搞好密封。
近年来,俄罗斯有的工厂利用碱性铝代硅酸盐冶炼硅锰合金,使合金产量提高,单位电耗降低,锰和硅收得率提高。
如当用伟晶花岗岩代替石灰石及一部分硅石时。
按末渣中(Na2O+K2O)为5~7%计算,硅收得率从43.8%提高到48.4%,锰收得率则从73.1%提高到79.3%。
炉渣中合金珠的数量将减少5/6~6/7。
表1-4为利用伟晶花岗岩熔炼硅锰合金的技术经济指标。
伟晶花岗岩,碱性花岗岩这类材料均是电炉铁合金工业的新型溶剂。
普通工业炉渣的粘度在1773K时为0.5~1.0Pa·s,而在1723K时为0.8~2.0Pa·s。
当炉渣含7.4%(Na2O+K2O)时,其粘度应降低25%,而当炉渣含15.3%(Na2O+K2O)时,其粘度几乎降低50%,达0.4Pa·s。
表1-4利用伟晶花岗岩冶炼硅锰合金的主要指标
指标
炉料
采用伟晶花岗岩的炉料
普通炉料
PM3-16.5型炉子工作的昼夜数
9.0
9.0
炉子生产能力:
t/d
102.3
96.0
原料中平均锰含量:
%
43.87
43.91
原料单位消耗量:
Kg
锰原料
1730
1885
硅石
257
382
焦炭
420
454
石灰石
-
43
伟晶花岗岩
161
-
单位电耗:
kW·h
3820
4060
炉渣的平均化学成分:
%
MnO
22.2
21.2
SiO2
48.6
50.3
CaO
11.7
13.5
MgO
1.0
2.2
Al2O3
10.2
8.5
Na2O3+K2O
6.2
3.9
炉渣碱度:
(CaO+MgO)/SiO2
0.26
0.33
(Na2O+K2O)/SiO2比例
0.128
0.078
渣铁比
0.93
1.03
合金元素中各元素的回收率:
%
Mn
79.3
73.1
Si
48.4
43.8
P
88.1
80.8
俄罗斯有的铁合金厂,使用次石墨作还原剂冶
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