锰系铁合金冶炼工艺

第五章锰系铁合金1锰系铁合金简介2高碳锰铁冶炼原理与工艺3硅锰合金冶炼原理与工艺4中低碳锰铁冶炼原理与工艺三大类锰系产品（1）锰系铁合金高碳锰铁、中低碳锰铁、锰硅合金、氮化锰铁、金属锰、电解金属锰和氮化锰；（2）锰的氧化物二氧化锰、四氧化三锰；（3）锰盐钢铁工业是最重要的应用领域，用锰量占90～95％1锰系铁合金简介锰系合金用量平均8kg/吨湖南某钢厂吨钢合金消耗统计05101520253020GCr1542CrMo13Cr钢种消耗量（kg）低铬高铬高锰硅钙硅钙线铝锭铝粒铝线硅锰硅铁中锰碳化硅脱氧剂硅铁粉IronmakingSteelmakingContinuouscastingRollingMainproductsHotmetalMoltensteelBilletsScrapPigironproducedinBlastFurnace(BF)BOFEAFSectionmillWire-rodmillPlatemillHotstripmillSeamlesspipemillRailSheetpileShapeBarWirerodPlateHRcoilandsheetCRcoilandsheetWeldedpipeSeamlesspipeetc.ProductsIronoreLimestoneCokeHCFeMn3.34kgRefFeMn0.93kgSiMn5.44kg9.71kgofManganesealloyspertonneofsteelCrudesteelproducedinbasicoxygen(BOF)orelectricarc(EAF)furnacesBFBilletsproducedbycontinuouscasting2010年我国铁合金总产量2436万吨，其中锰系铁合金800多万吨。中低碳锰铁高碳锰铁硅锰合金6锰铁牌号中碳锰铁FeMn80FeMn78FeMn75高碳锰铁FeMn78FeMn74FeMn68低碳锰铁FeMn85FeMn800.2-0.71.0-2.00.1-0.30.021.0-2.00.7-2.50.2-0.40.027.0-7.52.5-4.50.33-0.40.03CSiPS⑴碳锰铁合金7锰铁牌号(2)锰硅铁合金Mn+SiCPSFeMn68Si18831.50.210.02FeMn64Si27870.40.210.02MnCJMn97970.08JMn95950.15JMn93930.20(3)金属锰瑞典锰合金中其他化学元素的最大含量(%)产品名称标准其他化学元素的最大含量CrNiCuPbAsSn高碳锰铁Ss146042/0.20.20.05/0.02中碳锰铁Ss1460440.20.20.20.0500.0500.01低碳锰铁Ss1460460.20.20.20.020.050.01美国锰硅铁合金标准中对某些杂质元素的要求产品标准补充化学成分/%AsSnPbCrNiMo≤ANSI/ASTMA99－820.300.0200.0500.500.150.0100.0500.500.100.0100.0200.50ANSI/ASTMA483－(64)800.100.0100.0300.500.200.10锰矿资源简介锰矿资源简介年份国别中国乌克兰挪威日本法国印度韩国俄罗斯西班牙美国2007663.45150.24108.85109.0567.8542.6966.0169.7334.3160.202008757.12300.34123.28110.6187.6982.5880.8073.8868.3450.40世界锰矿主要进口国家年份世界出口量总计国别5国锰矿出口合计5国出口占世界总量/%南非澳大利亚加蓬巴西加纳20071533.18357.20487.10285.4130.60106.301366.6089.1420081786.4552.53400.20275.68180.8105.931515.1484.82世界锰矿主要出口国家12锰矿按其工业上的用途可分为化工用锰矿和冶金用锰矿两大类。锰矿石分类锰矿石化工用锰矿——电池氧化锰，高锰酸钾氧化锰矿（铁合金）碳酸锰矿（电解锰）冶金用锰矿矿物化学式颜色密度/g·cm-3晶体结构硬度(莫氏)软锰矿MnO2黑色4.8~5.6立方2~5硬锰矿4MnO2·2H2O钢灰色3.9单斜4~6褐锰矿Mn2O3黑棕色4.7~4.9四方6~6.5黑锰矿Mn3O4黑色4.7~4.8四方5水锰矿Mn2O3·3H2O钢灰色4.2~4.4斜方4.2~4.3菱锰矿MnCO3玫瑰红-暗红色3.3三斜3.5~4.6锰方解石(Ca,Mn)CO3白、灰白带微红2.7~3.1三方3.5~4.5蔷薇辉石MnO·SiO2淡红色3.5~3.7三斜6锰橄榄石MnSiO4淡红色4.04斜方5.5~6硫锰矿MnS绿棕色3.9~4.1立方3.5~4方锰矿MnO翠绿色5.4八面体5.6主要的含锰矿物我国冶金用锰矿石分类标准类亚类要求矿石的用途锰铁比磷铁比冶金用锰矿石1.低磷低铁锰矿石50.003可直接用于冶炼电炉或高炉锰铁合金2.中磷中铁锰矿石3-50.003-0.005可用于冶炼高碳锰铁或配矿冶炼锰合金3.高磷高铁锰矿石30.005不能直接用于冶炼锰铁合金，往往采用二步冶炼。(1)炼制成低磷低铁富锰渣(2)再冶炼锰质合金。我国锰矿资源量大，但锰品位较低。锰矿的评价1含锰量30%2一定的锰铁比取决于锰铁牌号和锰回收率3磷含量要低4脉石含量越低越好5钾、钠等碱性物质越低越好6熔化性能、化学反应性能等2高碳锰铁生产原理与工艺矿热炉法（1）熔剂法（2）无熔剂法高碳锰铁生产方法（1）高炉法（2）矿热炉法17高碳锰铁冶炼工艺（熔剂法）冶炼原理：(MnO)渣+C=[Mn]+CO主反应(FeO)渣+C=[Fe]+COMn4+Mn3+Mn2+Mn3C直接还原C的直接还原CO间接还原(P2O5)渣+5C=2[P]+5CO(SiO2)渣+CaO或MgO=(CaO或MgO)n·(SiO2)m※MnO·SiO2+CaO=CaO·SiO2+MnO副反应18高碳锰铁冶炼工艺（熔剂法）冶炼原理：FeO+CO=Fe+CO2△G°＝－49324＋40.13TT始=1229K(956℃)MnO+CO=Mn+CO2△G°＝－412664＋172.16TT始=2396K(2123℃)MnO+C=Mn+CO△G°＝575266－339.78TT始=1693K2MnO+8/3C=2/3Mn3C+2CO△G°＝510789.6－340.8TT始=1499K(软熔带)间接还原直接还原高碳锰铁矿热炉炉膛结构示意图1.松散的烧结料；2.软熔带；3.渣焦混合物；4.焦炭层；5.渣层（有焦炭）；6.渣层；7.金属；8.死料区；9.电极碎块；10.电极；11.碳砖；12.出渣口；13.出铁口20熔剂法生产高碳锰铁工艺制订原则1)混合配矿中的Mn/Fe比：FeMn78C8.0产品Mn/Fe=7.89FeMn74C7.5产品Mn/Fe=5.1FeMn68C7.0产品Mn/Fe=3.42)混合矿中的碱度控制：配加石灰或白云石炉渣碱度与渣中含锰量的关系22为什么碱度并非愈高愈好？碱度提高1渣量增大2炉渣熔点提高3粘度提高，不利于相分离4电阻降低，不利于热分配23无熔剂法生产高碳锰铁条件：①矿石中Mn/Fe比远高于碳锰产品中的Mn/Fe比②获得低P的富Mn渣用于生产锰硅合金或金属硅工艺水平：无熔剂法Mn的回收率低一点，但结合后续MnSi铁合金生产，使锰的综合回收率很高。采用酸性渣操作，不加石灰，可以得到高碳锰铁和富锰渣无熔剂法生产高碳锰铁的工艺案例牌号SiMn/FeFeMn78C8.047.8FeMn74C7.545.1FeMn68C7.043.4元素含量(%)Mn/FeP/MnMn50100.0011Fe5P0.05碳锰产品锰矿成份100kg上述锰矿，若生产出高碳锰铁后，还可以同时产出Mn%28的富锰渣，试问应如何设计高碳锰铁的产品牌号？25锰系铁合金原料预处理矿产资源状况：贫矿、粉矿炉子大型化对炉粒度——透气性料理化性能要求还原度——焦耗、电耗降低电耗和焦比的需求锰矿结晶水高温脱除引起电能额外消耗用热料生产锰铁的工艺流程1—冷料仓;2—回转窑;3—热料仓;4—吊罐;5—炉子料仓;6—电炉;7—气体净化器27锰矿石在升温过程中的物理化学变化1.硬锰矿2.菱锰矿4MnO2·2H2OMnO2Mn2O3Mn3O44MnO2·2H2O+附着水100～150℃400～500℃≥527℃≥900℃4MnO2·2H2OMnCO3+附着水H2OH2OMnCO3MnO100～150℃H2O≥525℃CO23硅锰合金生产原理与工艺硅锰铁合金的用途1)复合脱氧剂（炼钢预脱氧）2)中间合金（中低碳锰铁还原剂）锰硅铁合金常用牌号：FeMn68Si18,FeMn64Si14,FeMn60Si28硅锰冶炼的原料：锰矿（富锰渣），硅石，焦炭，石灰等锰硅铁合金冶金原理：总反应：MnO·SiO2+3C=MnSi(Fe)+3COMnO·SiO2+4/3C=1/3Mn3C+SiO2+CO(低温)SiO2+2C=Si+2CO(高温)1/3Mn3C+Si=MnSi+1/3C(Mn3C是中间产物)锰硅铁合金冶炼硅锰合金中硅含量与碳含量之间的关系主要矿物化学成分/%结晶水%吸附水%MnSiOCaOMgOFeOAl2O3PS硬锰矿4MnO2·2H2O48.655.322.540.663.293.500.0560.0534.440.89软锰矿MnO250.039.431.020.655.520.860.0350.0381.60锰矿的还原冶金（澳洲锰矿）31主要成分：MnO、FeO锰矿成分副成分：SiO2、CaO、MgO、Al2O3杂质成分：P2O5还原过程的几种情况：①若矿热炉内温度不高还原剂加入量不足时Fe、P优先还原，生成含P生铁（Fe-C）和高Mn渣②温度提高，达到MnO还原条件时Mn、Fe、P还原，生成高碳MnFe产品（P含量较高）③继续提高温度，增加还原剂，并配入一定量的硅石时；Mn、Fe、Si、P都还原生成MnSi铁合金MnMn32（1）中低碳锰铁生产两种方法脱碳法：高碳锰铁中低碳锰铁脱硅法：硅锰合金中低碳锰铁（2）硅锰合金和中碳锰铁成分表成分原料MnSiPCSFe硅锰合金66.7417.320.1161.780.03814.006中碳锰铁85.880.180.1431.420.0311.154中低碳锰铁合金冶炼原理与工艺脱硅法(硅热法)冶炼中低碳锰铁原理ΔH298=22.1kcal/molΔG=-32200+31.7T2MnO+Si=2Mn+SiO2SiO2+CaO=CaO•SiO2[Mn,Si,Fe]+2(MnO)+2CaO=[3Mn•Fe]+(2CaO•SiO2)脱硅法(硅热法)冶炼中低碳锰铁原理1冶炼原料2温度的保证（生成相，相分离）是否需要外部供能？3化学速率（生成相）气力搅拌，机械搅拌，喷射冶金，包体转动4化学平衡（生成相）平衡--怎样洗杯子？如何用最少的水洗干净杯子？37国内普遍采用的摇炉－电炉法，把来自矿热炉的液态锰硅合金和来自精炼炉的锰渣置于摇包中进行预脱硅反应，贫化渣中锰并降低合金中硅含量。然后再把预脱硅后的锰硅合金置于精炼炉内精炼。中碳锰铁生产工艺把2mm大小的石灰和锰矿在竖炉内预热到800℃,然后与矿热炉的液态锰硅合金一起放到摇包中摇动，生产出合格的中低碳锰铁。日本的水岛法(摇包硅热法)20m3摇包-精炼炉生产中碳锰铁合金工艺流程矿热炉精炼炉回转窑第一次摇包处理第三次摇包处理第二次摇包处理弃渣硅锰合金矿和石灰硅锰富锰渣弃渣硅锰合金矿，石灰矿，石灰合格中碳锰铁富锰渣矿，石灰富锰渣乌德霍姆法（喷吹法）（1）采用2500KVA的工频感应炉。每炉装15吨硅锰合金。（2）惰性气体为载体将锰矿与石灰喷吹入熔体内部。（3）在硅含量降低到约7%时分渣一次，继续喷入锰矿和石灰直到硅含量降低到1%。中低