一种以矿石为原料的铁碳锰直接合金化方法

摘要

一种以矿石为原料的铁碳锰直接合金化方法，属于铸造领域。首先将铁锰矿和固体碳与铁矿石、粘结剂和碳酸钙混匀并制备球/块，干燥后加入专用感应电炉。球/块各组分为：铁锰矿25～65％，铁矿石25～60％，固体碳5～45％，粘结剂0.5～15％，碳酸钙0.5～35％。炉料熔化后合金和炉渣以液态排出。感应电炉电源为中频或高频感应电源，坩埚材质为耐热金属或石墨。水冷线圈置于坩埚外部，总高度小于坩埚。坩埚上部有集尘器，自动给料机安装于二者之间，用于加入球/块；球/块可单独或与金属炉料共同加入。本发明直接使用矿石，采用专用感应电炉，通过1次加热生产铁碳锰合金直接用于铸造，无需使用锰铁或金属锰、无需重复加热，生产流程短、原料来源广泛、生产成本低。

说明书

技术领域

本发明属于铸造领域，一种以矿石为原料的铁碳锰直接合金化方法。

技术背景

随着工业化程度日益提高，铁碳锰合金(高锰钢和中、高锰铸铁)已经广泛 用于多种铸造产品。典型的铁碳锰合金生产方式为：首先以优质锰矿石为主要原 料用电炉(或高炉)生产锰铁(Mn含量>60％)或以电解法生产金属锰，再将锰 铁或金属锰与废钢混合重熔生产含Mn7～35％的铁碳锰合金。该生产方式的特点 为：以优质锰矿石、废钢为主要原料；先后使用电炉(或高炉)和中频炉进行2 次加热；生产流程相对较长、炉料成本相对较高。与此同时，国内外大量存在的 廉价铁锰矿因为含铁量高而不能被利用。本发明可在一次加热的基础上以廉价铁 锰矿和铁矿石为主要原料通过1次加热直接生产含Mn7～35％的铁碳锰合金，生 产流程短、原料成本低。

中国发明专利CN1818085A公开了一种废硅铁、锰铁屑熔炼铸铁的工艺方 法。该发明以废硅铁和废锰铁的铁屑为主要原料，先将废硅铁屑和废锰铁屑与水 玻璃、电石渣等按一定比例复配并制成块料。干燥后按一定比例送入熔炼炉中按 常规方法熔炼出铸铁。中国发明专利CN1554792A公开了一种高炉-精炼炉法冶 炼中低碳锰铁新工艺。该发明以高炉锰铁热液为原料，将高炉锰铁液热送进混铁 炉升温至1450～1550℃后，兑入精炼炉中，前期吹氧脱碳、中期氧氩混合吹炼、 后期关氧吹氩还原，终点温度控制在1750～1800℃。中国发明专利CN1584095A 公开了一种利用中频炉重熔生产低碳锰铁合金的方法。该发明以金属锰为原料， 先将金属锰投入中颇炉并通电熔化成液体，然后向液态金属锰中加入废钢，质量 为金属锰质量的5～30％，熔化后除去炉渣；待钢包内的含金溶液冷却后，破碎 成客户要求的块状锰铁。

中国发明专利CN1584089A公开了一种应用于冶金炼钢及机械铸造使用锰 含金的生产工艺。将Mn含量>20％的锰矿配加还原剂、发热剂、催化剂分别破 碎研磨成颗粒粉料后按比例混匀再加入粘结剂制成复合锰合金球团。将复合锰矿 球团经竖炉或冲天炉熔化成液态含锰渣料后直接转入电弧炉或感应炉配加电渣 炉中，在电弧炉电极或感应线圈和电渣炉电极加热下，配制不同的渣系形成有利 于含锰液渣还原的气氛，将含锰液渣中的锰还原成金属成为锰铁。

中国发明专利CN101319289A公开了一种高锰钢铸件的冶炼方法，该发明 使用废钢、锰铁、铬铁为原料，用中频感应电炉冶炼高锰钢。首先加废钢，熔化 后添加锰铁和铬铁，温度升到1590～1610℃停炉，出炉温度1470～1490℃之间。

发明内容

本发明提供了一种以矿石为原料的铁碳锰直接合金化方法，可以利用矿石生 产铁碳锰合金(高锰钢或高锰铸铁)。铁矿石、铁锰矿、固体炭和添加剂混匀后 再造球，在感应电炉中还原和直接合金化形成铁碳锰合金用于铸造生产，生产流 程短、生产成本低。

一种基于直接合金化的铁碳锰合金生产方法，其特征在于：采用感应电炉直 接使用以铁锰矿、铁矿石、粘结剂、固体碳为主要原料制备的含炭球/块生产铁 碳锰合金，不需要使用锰铁或者高锰渣，不需要重复加热。

含炭球/块铁锰矿质量分数为25～65％，全铁品位>35％的铁矿石或含铁固体 废弃物质量分数24～60％，固体碳质量分数5～35％，粘结剂质量分数0.5～15％， 添加剂质量分数0.5～25％；其中，涉及的铁锰矿含铁8～35％；铁矿石包括含铁固 体废弃物，含铁35～70％；固体碳包括煤、石油焦、兰炭、焦炭及其混合物，固 定碳>35％。

球/块可单独或与金属炉料共同加入到感应电炉之中。

球/块与金属炉料还原熔化后以金属液和液态炉渣形式排出，出炉温度为 1250～1650℃。

感应电炉由电源、水冷线圈、炉壳、坩埚、冷却塔、集尘器和自动给料机构 成；其电源为中频或高频感应电源，通过电缆与水冷线圈相连；坩埚置于水冷线 圈内部，但水冷线圈总高度小于坩埚30～85％，故坩埚上缘高于水冷线圈；炉体 下部坩埚与水冷线圈之间及上部坩埚与炉壳之间添加有氧化镁、莫来石纤维等保 温隔热材料；炉壳包覆于水冷线圈外部；集尘器悬于坩埚上部，自动给料机介于 二者之间，用于向坩埚中加料；炉壳、集尘器、给料机其材质均为不导磁不锈钢。

感应电炉使用具有感应加热能力的金属或石墨坩埚；感应电炉对球/块的加 热功率为0.15～1.5kW·kg^-1；坩埚总高度大于水冷线圈15～85％；水冷线圈由下至 上分为2～6组，分别感应电源连接，独立控制。

本发明直接使用矿石，采用专用感应电炉，通过1次加热生产铁碳锰合金直 接用于铸造，无需使用锰铁或金属锰、无需重复加热，生产流程短、原料来源广 泛、生产成本低。与现有铁锰矿利用技术的差别主要体现在：

(1)原料。现有技术需要先生产锰铁或金属锰，再向锰铁或金属锰中配入 废钢重熔生产铁碳锰合金，与本发明所述的以铁锰矿和铁矿石为原料的生产方式 不同；

(2)加热次数。现有技术生产铁碳锰合金需要在生产锰铁或金属锰过程中 进行1次加热、在锰铁或金属锰与废钢重熔的过程中再进行1次加热，至少经过 2次加热才能制备出锰碳铁合金，与本发明所述只需要1次加热的生产方式不同；

(3)熔炼设备。现有技术在锰铁或金属锰与废钢重熔过程中也需要使用中 频炉等感应电炉，但这种常规感应电炉只能对导电性强的金属炉料加热，不能直 接用于加热导电性较差的矿石原料。本发明涉及的感应电炉是经过重新设计的专 用熔炼设备，与现有的常规设备在结构、材料和外型参数上均有较大差别。

综上，本发明与现有的铁碳锰合金生产技术相比较，在原料、加热次数和工 艺方法方面都不同，是一种以矿石为主要原料的全新铁碳锰合金生产工艺。

本发明的技术方案如下：

(1)首先将固体碳、铁锰矿破碎至-5mm并与铁矿石、粘结剂、添加剂混匀。 其中，铁锰矿25～65％，铁矿石25～60％，固体碳5～45％，粘结剂0.5～15％，碳 酸钙0.5～35％；粘结剂包括膨润土、水玻璃、消石灰、水泥、羧甲基纤维素钠等。

(2)将-5mm铁锰矿、固体碳与铁矿石、粘结剂和碳酸钙的混匀并造块，料 块的形状为球或者其他块状集合体；

(3)将干燥后的球/块单独或者与金属炉料共同投加于专用感应电炉熔炼、 还原和直接合金化；

(4)炉料熔化后，合金以金属液形式排出感应电炉，炉渣以机械方式排出。

附图说明

图1(a)为单独使用含炭球/块制备铁碳锰合金的生产过程；图1(b)为含炭球/ 块与废钢或生铁共用制备铁碳锰合金的生产过程。

图2为本发明专用感应电炉结构图，

1为电源、2为水冷线圈、3为炉壳、4为坩埚、5为冷却塔、6为集尘器、 7为自动给料机。

具体实施方式

以下实例用于说明本发明的实施过程，但不用来限制本发明的使用方法和适 用范围。

实例1：

制备感应电炉用含炭球/块，其原料为广西某铁锰矿、河北某铁矿石和山西 某烟煤，铁锰矿主要成分为：MnO₂27.17％，TFe15.21％，SiO₂29.86％，Al₂O₃8.16％，CaO3.22％，MgO2.77％，粒度组成-0.074mm占63％；烟煤灰分16.67％， 水分3.62％，挥发分13.16％，固定碳66.55％；铁矿石TFe61.91％，SiO₂3.11％， Al₂O₃3.26％，粒度组成-0.074mm占63.92％。

制备和使用过程：

(1)破碎和混匀。将无烟煤破碎至-2mm；取铁锰矿100kg，加入铁矿石 100kg，无烟煤45kg，膨润土10kg，碳酸钙6kg，水15L混合并搅拌；

(2)成型。使用摩擦压机造块，将混匀后的物料制成直径50mm块状体， 成球压力约为40kN；

(3)球/块烘干。将球置于65℃箱式干燥机中烘干；

(4)使用。将350kg球/块单独投加至专用感应电炉中熔炼，采用扒渣机扒 出炉渣；出炉温度1410℃，直接将金属液用于铸造中锰球墨铸铁。

实例2：

制备感应电炉用含炭球/块，其原料为云南某铁锰矿、河北某铁矿石和山西 某烟煤，铁锰矿主要成分为：MnO₂19.36％，TFe25.37％，SiO₂24.13％，Al₂O₃7.45％，CaO3.17％，MgO2.22％，粒度组成-0.074mm占55.27％；烟煤灰分16.67％， 水分3.62％，挥发分13.16％，固定碳66.55％；铁矿石TFe61.91％，SiO₂3.11％， Al₂O₃3.26％，粒度组成-0.074mm占63.92％。

制备和使用过程：

(1)破碎和混匀。将无烟煤破碎至-2mm；取铁锰矿100kg，加入铁矿石60kg， 无烟煤25kg，膨润土12kg，水12L混合并搅拌；

(2)成型。使用对辊压球机造球，将混匀后的物料制成直径22mm球团， 成球压力约为10kN；

(3)球/块烘干。将球置于280℃干燥窑中烘干；

(4)使用。取235kg球/块与65kg铸造生铁同时投加至感应电炉中熔炼， 扒渣机扒出炉渣；出炉温度1550℃，直接用于铸造高锰钢。