试论“双联摇包”工艺生产中低碳锰铁.doc
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1、第 1 页/共 15 页 目目 录录 第一章第一章 前言前言 .3 第二章第二章 中低碳锰铁的生产方法及其冶炼原理中低碳锰铁的生产方法及其冶炼原理 4 2.1 生产方法4 2.2 冶炼原理5 第三章第三章 摇炉摇炉- -电炉法生产工艺及其不足电炉法生产工艺及其不足7 第四章第四章 “双联摇包”工艺生产中碳锰铁“双联摇包”工艺生产中碳锰铁 9 第五章第五章 “双联摇包”“双联摇包”工艺流程实施工艺流程实施11 5.1 生产原料 11 5.2 生产设备 13 5.3 “双联摇包”工艺过程 13 5.4 “双联摇包”工艺生产的其他情况 16 第六章第六章 结语结语 18 第七章第七章 总结、体会总结
2、、体会 19 7.1 总结19 7.2 体会19 第 2 页/共 15 页 第一章第一章 前前 言言 中低碳锰铁主要是由锰、铁两种元素组成的合金,是锰铁中的一种。锰铁 是炼钢生产中用得最多的一种脱氧剂和合金化材料。它以锰矿石为原料,在高炉 和电炉里熔炼制成的。锰的密度 7.43g/cm3,熔点 1245,沸点 2150。锰和氧 有很大的亲和力,能与氧生成稳定的氧化锰。此外,锰铁作为合金元素添加剂, 能增强钢的硬度、延展性、韧性和抗磨能力。它广泛应用于结构钢、工具钢、不 锈耐热钢、耐磨钢等合金钢中。锰还有脱硫和减少硫的有害影响作用。中低碳锰 铁可分为含碳量小于 0.7%的低碳锰铁和含碳量 0.7
3、%2.0%的中碳锰铁1。 中低碳锰铁(其产品化学成分见表 1.1) ,是炼钢的重要原料之一,广泛应 用于特殊钢生产,同时也大量用于电焊条的生产。世界各国每生产一吨钢平均消 耗中低碳锰铁 0.71.0kg, ,约占铁合金消耗总量的 5%左右。 表表 1.1 1.1 中低碳锰铁牌号及化学成分中低碳锰铁牌号及化学成分 类别 牌号 化学成分 % Mn C Si P S 低碳 锰铁 FeMn88C0.2 85.092.0 0.2 1.0 2.0 0.10 0.30 0.02 FeMn84C0.4 80.087.0 0.4 1.0 2.0 0.15 0.30 0.02 FeMn84C0.7 80.087.
4、0 0.7 1.0 2.0 0.20 0.30 0.02 中碳 锰铁 FeMn82C1.0 78.085.0 1.0 1.5 2.5 0.20 0.35 0.03 FeMn82C1.5 78.085.0 1.5 1.5 2.5 0.20 0.35 0.03 FeMn78C2.0 75.082.0 2.0 1.5 2.5 0.20 0.40 0.03 第 3 页/共 15 页 第二章第二章 中低碳锰铁的生产方法及其冶炼原理中低碳锰铁的生产方法及其冶炼原理 2.1 2.1 生产方法生产方法 目前生产中碳锰铁方法有三类:电硅热法、摇炉法、吹氧法1,均采用一 炉一炉的间断式操作,而每一类根据其不同特点
5、又派生出多种工艺,如电硅热法 分为冷装工艺、热装工艺、低碱度工艺;摇炉法2分为摇炉炉外预精炼工艺、 摇炉精炼工艺;吹氧法分为吹氧脱碳工艺和吹氧脱硅工艺。 2.1.1 2.1.1 电硅热法电硅热法 电硅热法冶炼中低碳锰铁的实质是用矿热炉生产的锰硅合金中的硅作为还 原剂,在精炼炉内还原矿石中的氧化锰,待合金中的硅降低到规定限度后,其产 品即为中低碳锰铁。采用电硅热法生产中低碳锰铁,产品含碳主要来自于锰硅合 金中的碳和自焙电极的熔蚀渗入的碳。国内生产中低碳锰铁多以此法为主,有采 用冷装工艺和热装工艺,也有采用摇炉预精炼与电炉精练工艺的摇炉-电炉工艺, 此工艺能使较前者每吨中低碳锰铁电耗下降 4008
6、00kwh,有较大优势,很快便 取代了冷装或单纯的热装工艺,成为中低碳锰铁生产的主流,目前采用此工艺生 产的中低碳锰铁占 80%以上,但渣含锰与前两种工艺相当,在 20%左右,而此冶炼 渣可作为生产锰硅合金的原料。 2.1.2 2.1.2 摇炉法摇炉法 摇炉法根据摇炉用途分为摇炉电炉法和摇炉硅热法。 摇炉电炉法在后面作详 细介绍; 摇炉硅热法生产中低碳锰铁是由日本水岛铁合金厂首创并投入正规化生 产,我国也有铁合金厂试验并获得成功。它是将在竖炉内预热到 600800的 锰矿石和生石灰放入摇炉,然后兑入矿热炉生产的液态锰硅合金,开动摇炉,摇 速 165r/min,操作中视摇炉内化学反应的激烈程度逐
7、渐提高摇速,锰氧化物 的主要还原反应式为:2Mn2O3+Si=4MnO+SiO2 2MnO+Si=2Mn+SiO2 脱硅反应中大部分硅是在热兑锰硅合金的过程中完成, 小部分是靠摇炉的充 分搅动继续完成,待合金中的硅基本上氧化完毕,反应趋于平静时倾炉,倒出的 渣液冷凝后破碎供矿热炉冶炼锰硅合金使用,液态合金浇铸后分牌号精整堆存。 2.1.3 2.1.3 吹氧法吹氧法 吹氧法分为吹氧脱碳法和吹氧脱硅法。 吹氧脱碳法生产中低碳锰铁是以矿热 炉冶炼的液态高碳锰铁为原料,热兑到转炉中,通过氧枪入氧气,氧化高碳锰铁 中的碳的冶炼过程。吹氧脱硅法是以矿热炉生产的液态锰硅合金为原料,热兑到 转炉中,通过氧枪入
8、氧气,氧化锰硅合金中的硅,制取中低碳锰铁的方法,其操 作工艺与吹氧脱碳法相似1。 2.2 2.2 冶炼原理冶炼原理 中低碳锰铁冶炼原理是配入炉料的锰矿石在受热过程中, 锰的高价氧化物随 着温度的升高逐步分解、变成低价氧化物。 MnO2Mn2O3Mn3O4MnO 以上几种氧化物分解温度分别为 527、900、1172,越是高价氧化物, 其稳定性越差,越是低价氧化物,其稳定性越好。 锰矿受热分解生成 Mn3O4以后,在继续升温的同时,部分高价氧化物直接与 硅反应生成低价氧化物和锰金属,其反应式为: 2Mn3O4+Si=6MnO+SiO2 第 4 页/共 15 页 Mn3O4+2Si=3Mn+2Si
9、O2 被还原的 Mn3O4受热分解成 MnO,熔化进入炉渣中,继续被合金熔液中的硅 还原,其反应式为: 2MnO+Si=2Mn+SiO2 由于反应生产物 SiO2 与 MnO 结合生产硅酸盐(MnO.SiO2) ,造成反应物 MnO 的活度降低,正向反应变得困难;为了提高 MnO 的还原效果,提高锰的回收率, 需要在炉料中配入一定量的石灰,将 MnO 从硅酸盐中置换出来。其反应式为: CaO+MnO.SiO2=MnO+CaO.SiO2 2CaO+MnO.SiO2=MnO+2CaO.SiO2 炉渣碱度与 MnO 活度系数的关系如表 2.1 所示。 表表 2.1 2.1 炉渣碱度与炉渣碱度与 Mn
10、OMnO 活度系数的关系活度系数的关系 Cao/SiO2 1.0 1.1 1.2 1.3 MnO 0.30 0.43 0.60 0.81 因此,冶炼中低碳锰铁时提高炉渣的碱度(用字母 R 表示)有十分重要的意 义,炉渣达不到一定的碱度,即使渣中 MnO 含量很高,也会因 MnO 已被 SiO2结 合,锰的还原受限制,而难以炼出含锰量达到成品要求的合金。但是,碱度也不 宜过高,因为碱度过高,炉渣变稠,扩散不易进行,反应不活跃;另外,碱度过 高会提高炉渣熔点,使炉温升高,电耗增加,锰的挥发损失也增加。冶炼中低碳 锰铁的碱度一般控制在 1.41.6 之间为宜。 有的厂家使用的矿石含 Al2O3相对较
11、 低,所以适合碱度稍低的操作,一般控制在 1.31.4 左右。按冶炼产品牌号不 同的合金,炉渣碱度控制范围为: Mn 0:R=1.51.6 Mn 1:R=1.451.55 Mn 2:R=1.41.5 注:Mn 0 代表高牌号合金,Mn 2 代表低牌号合金,Mn 1 代表介于两者之间 牌号的合金。 在某厂实际生产中,因锰矿石性质及成分不同,并通过实践,其实际冶炼操 作的炉渣碱度控制在 1.3 左右,生产指标及操作均较易于操作,成为共同认可的 炉渣碱度。 在冶炼过程中, 还有铁的还原, FeO 有限于 MnO 被 Si 还原, 当矿石中的 Fe2O3 在1000以 下 完 全 分 解 为FeO时
12、, 绝 大 部 分 的FeO被 还 原 。 2FeO+Si=2Fe+SiO2 在冶炼过程中,还有硫、磷、碳等其他杂质,其中硫有 1%左右进入合金, 4050%进入炉渣,5459%挥发逸出。磷的还原较锰的还原进行更完全,有 80% 左右进入合金,所以要求原料中的含磷量越低越好。碳主要来源于锰硅合金中的 碳和电极增碳, 锰硅合金中的碳全部进入中低碳锰铁, 占中低碳锰铁的 80%以上, 电极增碳和其他材料带进的碳只占一小部分。 这些杂质含量均要求越低越好3。 第三章第三章 摇炉摇炉- -电炉法生产工艺及其不足电炉法生产工艺及其不足 第 5 页/共 15 页 摇炉-电炉工艺生产中低碳锰铁是20世纪70
13、年代后才发展起来的一种节能 型冶炼新技术,其工艺流程如图 3.1。 图图 3.1 3.1 摇炉摇炉- -电炉法生产中低碳锰铁工艺流程图电炉法生产中低碳锰铁工艺流程图 摇炉-电炉法是摇炉冶炼应用的主要方法,实现摇炉-电炉工艺基本前提是 三炉(摇炉又称为摇包)联动。该工艺由精炼炉出渣、锰硅炉出铁、摇炉预精炼、 终渣水淬、精炼炉精炼、中碳锰铁热液浇铸及精整工序组成。 摇炉炉体坐于一摇架上,摇架摇动时作偏心圆周运动,达到一定转速时, 摇包内液体在摇炉的带动下形成海波浪运动,上下翻腾,产生强烈的混合搅拌作 用,使渣铁之间的反应界面扩大,反应物和生产物的扩散迅速提高,使渣中 MnO 与合金中Si之间的还原
14、氧化反应得以快速进行。 摇炉-电炉法就是将液态锰硅合金和液态中锰渣兑入摇炉, 在摇炉中进行强 烈的混合,使锰硅合金中的硅与渣中的 MnO 发生反应,进行脱硅和锰的还原,然 后将脱掉部分硅后的液态锰硅合金再兑入精炼炉中与锰矿石、 石灰一起冶炼生产 中低碳锰铁。经过摇炉处理的炉渣锰含量大大降低,变成贫渣,可用于锰硅合金 冶炼,全部代替白云石、部分代替硅石,或者水淬后用于生产建筑材料。 经过摇炉预精炼后,合金中的锰含量提高,硅含量降低,这为减轻精炼炉 冶炼中的脱硅任务,缩短冶炼时间,降低产品单位电耗,创造了有利条件。 该法在热兑工艺的基础上采用炉外预精炼,利用锰硅合金的硅还原中锰渣 里的 MnO,反
15、应式为:2MnO+Si=2Mn+SiO2。反应释放的化学热能保证反应温度, 使冶炼正常进行,待渣液中的 MnO 贫化到规定要求后起吊摇炉,倒出废渣水淬用 于生产建筑材料,液态中间合金兑入精炼炉冶炼,直至炼出合格的中低碳锰铁。 与精炼炉热装工艺比较,此方法工艺更先进,一是减轻了精练炉内的脱硅任务, 因采用电硅热法生产时,需将锰硅合金中的硅从 18%降到 2%以下,经摇炉预精炼 富锰矿、石灰 精炼炉 中碳锰铁 浇铸 中间合金 中锰渣 锰矿、焦炭、硅石 液态锰硅合 分析 计量 摇炉 锰硅炉 终渣水淬 精整 入库 第 6 页/共 15 页 后,在精炼炉中只需将合金中的硅从 9-13%降到 2%以下;
16、二是由于减少了脱硅量,在精炼炉中生产的 SiO2数量和配加的锰矿及石灰 量相应减少,随之渣量、电耗及渣中含锰量减少,大大提高猛的回收率及降低电 耗。与冷装法比可提高 1417 个百分点的锰回收率,电耗在热兑工艺基础上降 低 150250kwh/t; 三是采用摇炉预精炼配合后,对精炼炉中炉渣含锰量可以适当放宽,可以 用过量的锰矿进行冶炼,进一步加快脱硅速度; 四是摇炉预精炼后的液态锰硅合金带有大量的物理显热,省去了再次用电 熔化的时间及其相应的耗电量,炉料中锰元素的挥发损失也随之减少; 但是,从实际生产中发现,由于中锰渣成分变化或者锰硅合金成分变化过 大,导致摇炉预精炼后中间合金成分波动较大、终
17、渣含锰不稳定,使得精炼炉冶 炼操作过程不易控制,产品质量较不稳定,难以控制,并且直接影响锰的回收率 及生产技术经济指标。表 3.1 为某铁合金厂以摇炉-电炉法生产中低碳锰铁其中 间合金含硅量及终渣含锰量。 3.1 3.1 某厂摇炉电炉法生产中碳锰铁中间合金含硅及渣含锰统计某厂摇炉电炉法生产中碳锰铁中间合金含硅及渣含锰统计 日期 指标 7 月 3 日 7 月 4 日 7 月 5 日 7 月 6 日 7 月 7 日 7 月 8 日 7 月 9 日 7 月 10 日 7 月 11 日 中间合金 含硅(%) 9.86 11.53 10.92 11.89 9.51 12.38 10.13 9.15 12
18、.67 终渣含锰 (%) 10.56 11.75 11.23 12.09 9.87 12.20 10.21 9.27 12.39 中低碳锰铁生产的最关键技术经济指标即为单位电耗和锰金属回收率,不 但国家行业限制准入条件政策还是企业自身经营均对生产技术经济指标有严格 要求,否则企业亏损,国家限制准入,则不能继续生产冶炼。 为此,某厂通过大量的生产冶炼试验,不断摸索冶炼过程中的经验与方法, 邀请国内知名中低碳锰铁生产的专家一起研究论证, 为使精炼炉冶炼生产过程更 易于操作控制,精炼冶金配料及炉前操作控制更精准到位,产品质量稳定,生产 技术经济指标良好,摸索出增加一套摇炉进行炉外预精炼,形成炉外两道
19、预精炼 工艺操作的方法,经过大量的的冶金计算,认为双摇炉工艺可行,并进行了生产 试验,虽操作增加,但能很好地解决摇炉-电炉工艺存在的问题,并且一定程度 上改善生产技术经济指标,于是将此工艺方法命名为“双联摇包”工艺。 第四章第四章 “双联摇包”工艺生产中碳锰铁“双联摇包”工艺生产中碳锰铁 针对上述现有工艺存在的不足,本文介绍的“双联摇包”工艺可使其得到 教好解决,也是在原摇炉-电炉法生产工艺的基础进行改进,形成新的“双联摇 第 7 页/共 15 页 包法”生产工艺的方法,并在生产时间中进行冶炼试验,取得了较好的效果。 双联摇包即使用两套摇炉(也称摇包) ,加上原来的精炼炉和锰硅合金生产 的矿热
20、炉配套使用,四炉联动,较好地解决了由于兑入摇炉中锰渣成分波动引起 终渣含锰不稳定的问题,能够有效提高锰的金属回收率,与单摇炉法精炼中碳锰 铁相比,能降低终渣含锰 4 个百分点以上,为 6%左右,进一步提高锰的回收率。 此生产工艺是将已有的单摇炉作为初摇炉,在初摇炉和锰硅炉之间再增加 一台摇炉,即终摇炉,精炼炉和锰硅合金矿热炉的熔炼、出铁、出渣、浇铸、精 整、入库工序和终摇炉的终渣水淬工序与摇炉-电炉法工艺的操作方法相同。 “双联摇包”工艺是由精炼炉出渣、锰硅炉出铁、初摇炉预精炼、终摇炉 预精炼、终渣水淬、精炼炉精炼、中碳锰铁热液浇铸和精整工序组成,其特征在 于:初摇炉预精炼工序将精炼炉产生的中
21、锰渣热液引入初摇炉,按重量计将 1/2 的液态锰硅合金兑入初摇炉,将摇炉置于摇炉机上摇动,形成海浪式翻腾,翻腾 的作用是使液态锰硅合金与中锰渣克服比重差异而充分接触, 利用锰硅合金中的 Si 置换出渣中 MnO 的 Mn,达到降低渣含锰的目的,反应式为: 2MnO+Si=2Mn+SiO2 终摇炉预精炼工序是将从初摇炉撇出的初摇渣引入终摇炉,再兑入剩余的 1/2 液态锰硅合金,重复初摇炉预精炼操作,进一步降低终渣含锰。经摇炉预精炼 后的终渣含 Mn 在 6%左右,是理想的水泥生产原料,分别将初摇炉和终摇炉生产 的的液态中间合金兑入精炼炉精炼。 精炼炉精炼工序是在精炼炉中首先加入含 Mn 不低于
22、40%的富锰矿,按重量 计,加料量为配料总量的 3/4,熔化后再将初摇炉和终摇炉生产的液态中间锰硅 合金兑入精炼炉,再加入其余的 1/4 富锰矿进行精炼。富锰矿与液态锰硅合金之 间按重量计比值为 1:0.851.1。 “双联摇包”工艺流程如图 4.1。 富锰矿、石灰 精炼炉 中碳锰铁 浇铸 中间合金 中锰渣 初摇渣 锰矿、焦炭、硅石 液态锰硅合 计量 初摇炉 锰硅炉 计量 精整 终摇炉 第 8 页/共 15 页 图图 4.14.1“双联摇包”工艺流程图双联摇包”工艺流程图 第五章第五章 “双联摇包”工艺流程实施“双联摇包”工艺流程实施 5.1 5.1 生产原料生产原料 生产中低碳锰铁的原料有锰
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