高炉－精炼炉法冶炼中低碳锰铁新工艺

摘要

本发明公开了一种高炉－精炼炉法冶炼中低碳锰铁新工艺，精炼炉熔池温度控制在1650℃－1750℃，其特征在于高炉锰铁液热送进混铁炉升温至1450℃－1550℃后，兑入精炼炉吹氧脱碳，前期供氧强度为2.5－3.0m3(min·t)－1，中期氩氧混合吹炼，供氧强度为0.8－1.0m3(min·t)－1，后期关氧吹氩还原操作，终点温度控制在1750℃－1800℃。本发明可以充分利用贫锰矿资源组织生产，实现热送热装，能耗低，生产效率高，锰的收得率高。

说明书

本发明涉及冶金行业的中低碳锰铁生产工艺，尤其涉及一种高炉—精炼炉法冶炼中低碳锰铁新工艺。

现有的中低碳锰铁生产方法主要有电硅热法、摇炉法和吹氧法三种。电硅热法冶炼中低碳锰铁工艺是把富锰矿、锰硅合金和石灰加入电炉中，主要靠电热使炉料熔化，并对锰硅进行精炼脱硅而得。摇炉法又称摇包法，是将矿热电炉冶炼的液态锰硅合金和液态的中锰渣兑入摇包，在摇包中进行强烈的混合搅拌，使锰硅合金中的硅与渣中氧化锰发生反应，进行脱硅和锰的还原，然后，将脱掉部分硅的液态锰硅合金再兑入电炉与预热的富锰矿、石灰一起冶炼中低碳锰铁。这两种方法都存在能耗大、成本高、生产效率低的问题。转炉吹氧法冶炼中低碳锰铁是将电炉冶炼出来的液态高碳锰铁(含碳6.0-7.5％)热兑到转炉中，通过顶吹氧枪吹入氧气或顶吹氧气底吹氩气去除高碳锰铁中的碳，同时加入适量的造渣剂或冷却剂，当碳脱到符合标准(C≤2.0％)要求时，得到的合金即为中碳锰铁。该方法生产中碳锰铁，锰的吹损量大，锰的收得率低，也存在能耗大、成本高、生产效率低的问题，并且必须采用富锰矿，无法利用贫锰矿资源。

本发明的目的是提供一种能耗低、生产效率高，锰的收得率高，成本低，能充分利用贫锰矿资源的高炉—精炼炉法冶炼中低碳锰铁新工艺。

我国生产高碳锰铁的方法有高炉法和电炉法两种，它们的主要差别见表1。

                              表1

冶金工业出版社1991年5月第一版由本溪冶金专科学校李春德主编的《铁合金冶金学》P93页介绍了锰铁熔池吹氧时，各元素的氧化反应有：

                   ΔF°＝-195100+42.44T    (1)

                   ΔF°＝-113800+23.64T    (2)

                     ΔF°＝-56400-40.32T     (3)

                    ΔF°＝-223800+46.08T    (4)

                    ΔF°＝-226500+47.50T    (5)

  ΔF°＝-221000+47.90T    (6)

               ΔF°＝-7100+3.00T       (7)

                    ΔF°＝5630-3.66T        (8)

(1)、(2)、(3)、(4)、(6)反应的自由能与温度的关系如图1。

从图1看出，Fe、Mn、Si等元素形成的ΔF°负值随温度升高而减小，而C生成氧化物ΔF°负值随温度升高而增大。当温度超过1410℃时，碳可以还原FeO和MnO；当温度超过1600℃时，碳可以还原(MnSiO₃)、(MnO)、(FeO)；当温度在1670℃以上时，碳可以将SiO₂、Mn SiO₃、MnO、FeO还原成元素[Si]、[Mn]和[Fe]。这就证明当温度高于1600℃时，碳的氧化反应优先于(1)、(6)式反应，即可保护锰不受氧化—这就是选择性氧化原理。以上是在标准状态下的氧化反应情况。而实际的中低碳锰铁生产中，各组元素互成熔液，活度不等于1，各元素氧化反应的ΔF值可由下式求出：

ΔF＝ΔF°+RTln[πa(生成物)/πa(反应物)]式中：π-乘积

根据高炉锰铁生产工艺和锰铁吹氧过程选择性氧化原理，本发明的技术方案是：精炼炉熔池温度控制在1650℃-1750℃，吹炼过程炉渣碱度CaO/SiO₂控制在1.0-4.0，终渣碱度为1.1-1.2，其特征在于：高炉锰铁液热送进混铁炉升温至1450℃-1550℃后，兑入浸入式侧吹精炼炉吹氧脱碳，前期供氧强度为2.5-3.0m³(min·t)^-1，中期氩氧混合吹炼，氩氧比为1∶1，供氧强度降为0.8-1.0m³(min·t)^-1，后期当碳降至2.0％以下，锰铁水终点温度达到1750℃-1800℃时，氩氧枪中心管O₂全部切换成Ar气，还原气氛操作，加入液态锰硅合金，供氩强度为0.50-0.80m³(min·t)^-1。其生产工艺流程见图2。

本发明与现有技术相比，其优点是：

1、采用高炉代替电炉冶炼高碳锰铁，可以利用贫锰矿资源组织生产，使我国日益贫化的锰矿资源得到充分利用，并且锰的回收率高，冶炼成本低。

2、根据锰铁吹氧过程选择性氧化原理，提高锰铁液入精炼炉温度，有利于脱碳保锰，减少锰的氧化损失，提高锰的收得率。

3、中期采用氩氧混合吹炼，通过混合Ar气降低CO分压，有利于脱碳反应的进行。

4、高炉、精炼炉分别以焦炭、氧气为主要能源，代替电能，能耗低。

5、高炉→精炼炉冶炼周期短，生产效率高。

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。

根据现有技术，高炉锰铁生产时，炉料(矿石、焦炭、熔剂)从炉顶装入，下部风口鼓入热风。燃料中的炭在热风中发生燃烧反应，产生具有很高温度的还原性气体CO、H₂，气流在上升过程中，将下降的炉料加热，并与矿石发生还原反应。高温气流中CO、H₂与部分炽热固定碳夺取了矿石中的氧，使锰还原出来，积聚在高炉下部，定期从铁口排出，其产品即为高碳锰铁。又根据锰铁吹氧过程选择性氧化原理，提高高炉锰铁液的温度，有利于脱碳保锰，减少锰的氧化。因此，高炉锰铁液热送进入混铁炉升温至1450℃-1550℃，然后兑入浸入式侧吹精炼炉。兑锰铁水前，氩氧枪中心管氧气压力调到0.2MPa，环缝Ar气或N₂气压力调到0.20MPa，以保证锰铁水不会堵住氩氧枪。兑锰铁水结束后，逐渐将氩氧枪中心管压力调至0.45-0.50MPa，同时将环缝Ar气或N₂气压力调至0.30-0.35MPa，加大冷却强度，以保护氩氧枪，进行正常吹炼。吹炼过程中，不断进行测温、取样、加渣料(石灰、萤石和锰矿等)操作。吹炼分前期、中期、后期三个阶段进行，前期氩氧枪中心管全部吹氧，压力为0.45-0.50MPa，环缝Ar气或N₂气压力为0.30-0.35MPa，即供氧强度2.5-3.0m³(min·t)^-1，温度控制在1650℃-1750℃，加入石灰，CaO/SiO₂炉渣碱度控制在1.0-1.2，碳从6.0-7.5％降至2.5-3.5％；中期氩氧枪中心管吹入O₂与Ar气的混合气体，进行氩氧混合吹炼，氩氧比例为1∶1，通过混合Ar气降低CO分压，有利于脱碳反应的进行，供氧强度降为0.8-1.0m³(min·t)^-1，供氩强度也为0.8-1.0m³(min·t)^-1，总压力仍然保持0.45-0.50MPa，温度仍然控制在1650℃-1750℃，再加入石灰、萤石，炉渣CaO/SiO₂碱度控制在4.0以下，继续脱碳；后期当碳降至2.0％以下，锰铁水达到终点温度1750℃-1800℃时，将氩氧枪中心管O₂全部切换成Ar气，压力为0.20-0.30MPa，环缝Ar气压力为0.20-0.30MPa，即供氩强度为0.50-0.80m³(min·t)^-1，炉内进入还原期，加入液态的锰硅合金，进行还原。还原反应结束后，终渣碱度为1.1-1.2。将炉内的渣与锰铁液一起倒入铁水包内，经过镇静冷却降温，再进行浇注，出锰铁温度为1510℃-1530℃，浇注温度为1430℃-1450℃。

例1：

(1)高炉冶炼的液态高碳锰铁，测得温度1300℃，倒入混铁炉内升温到1500℃，兑入浸入式侧吹精炼炉内，取样测得成分为：C：6.25％，Mn：73.56％，Si：1.27％，S：0.006％，P：0.285％；兑锰铁水前，氩氧枪中心管氧气压力调到0.20MPa，环缝Ar气或N₂气压力调到0.20MPa，以保证锰铁水不会堵住氩氧枪。

(2)兑锰铁水结束后，逐渐将氩氧枪中心管压力调至0.45-0.50MPa，环缝Ar气或N₂气压力调至0.30-0.35MPa，进行正常吹炼，吹炼过程中，熔池温度控制在1650℃-1750℃，并不断进行测温、取样、加渣料、冷却剂等操作。

(3)吹炼分三个阶段进行，前期氩氧枪中心管全部吹氧，压力为0.45-0.50MPa，环缝Ar气或N₂气压力为0.30-0.35MPa，即供氧强度为2.5-3.0m³(min·t)^-1，温度控制在1650℃-1750℃，碳从6.25％降至2.76％，中期氩氧枪中心管吹入O₂与Ar气的混合气体，比例为1∶1，即氩、氧强度均为0.8-1.0m³(min·t)^-1，总压力仍然保持0.45-0.50MPa，温度保持不变，继续脱碳，后期当碳降至1.57％，锰铁水温度达到终点温度1760℃时，将氩氧枪中心管O₂全部切换成Ar气，压力为0.20-0.30MPa，环缝Ar气压力为0.20-0.30MPa，供氩强度为0.50-0.80m³(min·t)^-1，炉内进入还原期，加入液态的锰硅合金进行还原，当锰铁水温度降为1520℃，还原良好时，出锰铁浇铸，浇铸温度为1440℃。最后得到中碳锰铁测得成分为：C：1.38％，Mn：76.24％，Si：0.71％，S：0.006％，P：0.296％

若要得到低碳锰铁，则增加吹氧脱碳时间即可。

例2：高炉锰铁吹氧脱碳按上述工艺参数控制范围进行操作，任意抽取两组数据，吹炼前锰铁成分与吹炼后锰铁成分如下：

某次吹炼前高炉锰铁化学成分：

C：6.34％，Mn：72.80％，Si：1.13％

吹炼后中碳锰铁化学成分：

C：1.45％，Mn：75.84％，Si：0.84％，S：0.006％，P：0.324％

某次吹炼前高炉锰铁化学成分：

C：6.15％，Mn：74.28％，Si：1.24％，S：0.004％，P：0.281％

吹炼后低碳锰铁化学成分：

C：0.68％，Mn：76.53％，Si：0.96％，S：0.005％，P：0.315％

经比较，吹氧脱碳后，均达到了中低碳锰铁标准要求，实践证明本工艺可行。

本工艺冶炼的中低碳锰铁产品，表面光洁无气孔，气体及夹杂含量低，质量良好，锰的综合收得率达到91.2％，化学成分符合国家标准《锰铁》GB/T3795-1996标准中中低碳锰铁牌号要求。