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中低碳錳鐵生產(chǎn)方法及其冶煉原理

中低碳錳鐵生產(chǎn)方法主要有電硅熱法、搖爐法和吹氧法三種，均采用間斷式操作。

1.電硅熱法

電硅熱法冶煉中低碳錳鐵的實質(zhì)是用礦熱爐生產(chǎn)的錳硅合金中的硅作為還原劑，在精煉爐內(nèi)還原礦石中的氧化錳，待合金中的硅降到規(guī)定限度后，其產(chǎn)品即為中低碳錳鐵。

配入爐料的錳礦石在受熱過程中，錳的高價氧化物隨著溫度的升高逐步分解，變成低價氧化物。

錳礦受熱分解生成Mn₃O₄以后，在繼續(xù)升溫的同時，部分高價氧化物直接與硅反應生成低價氧化物和錳金屬，其反應為

2Mn₃O₄+Si=6MnO+SiO₂ (1)

Mn₃O₄+2Si=3Mn+2SiO₂  (2)

沒有還原的Mn₃O₄,熱分解生成MnO,熔化進入爐渣中。繼續(xù)被合金熔液中的硅還原。其反應式為

2MnO+Si=2Mn+SiO₂ (3)

由于反慶生成物SiO₂與MnO結(jié)合生成(MnO•SiO₂)，造成反應物MnO的活度降低，正向反應變得困難，為國提高MnO的還原效果，提高錳的回收率，需要在爐中配入一定量的石灰，將MnO從硅酸鹽中置換出來，其反應式為

CaO+MnOSiO₂=MnO+CaOSiO₂ (4)

2CaO+MnO•SiO₂=MnO+2CaO•SiO₂ (5)

爐渣堿度與MnO活度系數(shù)的關(guān)系如下表所示。 

 2.搖爐法

搖爐法冶煉中低碳錳鐵是20世紀70年代后才發(fā)展起來的一種節(jié)能冶煉新技術(shù)，其中搖爐用于中低碳錳鐵預煉的方法稱為搖爐電爐法，搖爐用于直接產(chǎn)出中低碳錳鐵的方法作搖爐硅熱法。

 (1)搖爐電爐法

搖爐電爐法是搖爐冶煉應用的主要方法，實行搖爐電爐法的基本前提是三爐聯(lián)動，生產(chǎn)流程如圖1所示。

首先將精煉爐副產(chǎn)品中錳渣兌入搖爐，再將礦熱爐生產(chǎn)的液態(tài)錳硅合金兌入搖爐。

以55~60r/min的轉(zhuǎn)速晃動搖爐，在良好的動力學條件下，利用錳硅合金中的硅還原錳渣中MnO,反慶切換釋放的化學熱保證冶煉正常進行，其化學反應方程式見反應(3).待渣中MnO貧化到規(guī)定要求后傾爐，倒出的廢渣經(jīng)水淬后用于生產(chǎn)建材，液態(tài)合金對入精煉爐直至煉出合格的中碳錳鐵；精煉爐內(nèi)的化學反應與電硅熱法相同。

(2)搖爐硅熱法

搖爐硅熱法生產(chǎn)中低碳錳鐵由日本水島鐵合金首創(chuàng)并投入正規(guī)化生產(chǎn)，我國也有兩家鐵合金廠進行試驗并獲得成功。它是先將在豎爐內(nèi)預熱到600~800℃的錳礦石和石灰放入搖爐，然后兌入礦熱爐生產(chǎn)的液態(tài)錳硅合金，開始搖爐，搖速為1~65r/min,操作時視爐內(nèi)化學反應的激烈程度 而逐步提高搖速，錳氧化物的主要還原反應式為

2Mn₂O₃+Si=4MnO+SiO₂
2MnO+Si=2MnO+SiO₂

 脫硅反應中大部分奪是在熱兌錳硅合金的過程中完成，小部分是靠搖爐的充分攪動繼續(xù)完成。待合金中的硅基本上氧化完畢，反應趨于平靜時傾爐，倒出的渣液冷凝后破碎供礦熱爐冶煉錳硅合金使用。液態(tài)合金澆鑄后分牌號精整堆存。

3.吹氧法

(1)吹氧脫碳法

吹氧脫碳法生產(chǎn)中低碳錳鐵以高爐或礦熱電爐冶煉的液態(tài)高碳錳鐵為原料，熱兌到轉(zhuǎn)爐中，通過氧槍吹入氧氣，氧化高碳錳鐵中的碳的冶煉過程。1975~1978年在國內(nèi)進行了工業(yè)試驗獲得成功。

當環(huán)境溫度低于1300℃時，高碳錳鐵各元素的氧化物穩(wěn)定性依Si,Mn,C,P,Fe順序排列，隨著溫度升高，排列順序發(fā)生改變；吹氧脫碳法就是利用溫度高于1670℃以上時CO的穩(wěn)定性大于Si,Mn,Fe的氧化物這一原理，在抑制Mn元素過量氧化的基礎上脫碳保錳，生產(chǎn)中低碳錳鐵。

 吹氧脫碳法的主要化學反應式為

各元素氧化反應自由能變化與溫度的關(guān)系如圖2所示。

在吹煉過程中合理的溫度控制是關(guān)鍵，熔池溫度低于1550℃時主要是碳和錳元素氧化入渣；溶池溫度高于1850℃時錳元素揮發(fā)在4%以上，特別是在中心氧焰區(qū)液面溫度高達2200~2700℃，造成錳元素大量揮發(fā)。實際生產(chǎn)要求熔池溫度控制在1650~1850℃范圍內(nèi)，溫度過高時應加冷卻劑(中碳錳鐵)。吹煉結(jié)束時，錳元素氧化入渣量約占高碳錳鐵帶入錳量的30%左右，需添加錳硅合金進行后期處理，出爐的合金待鎮(zhèn)靜冷卻后澆鑄，渣液待冷卻后破碎返至錳硅合金冶煉車間使用。

 (2)吹氧脫硅法

 吹氧脫硅法是以礦熱電爐生產(chǎn)的液態(tài)錳硅合金為原料熱兌入轉(zhuǎn)爐，通過氧槍吹入氧氣氧化錳硅合金中的硅，制取中低碳錳鐵。其操作工藝與吹氧脫碳法相似。1978年國內(nèi)進行液態(tài)錳硅合金吹氧脫硅煉制中低碳錳鐵試驗獲得成功。吹煉過程中爐溫需控制在1500~1600℃。渣液堿度在1.5~1.6，為此需要不斷加入干燥錳礦石、煅燒石灰和螢石等配合料造渣控溫，待吹至樣品含硅量合格后出爐澆鑄，高堿度中錳渣排棄。

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