CN106435310B - 一种用摇炉硅热法精炼锰硅铝合金的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用摇炉硅热法精炼锰硅铝合金的工艺，包括1、将锰矿、贫锰渣、硅锰洗渣铁作为炉料进行高温冶炼，得到中锰炉渣和中碳锰铁合金液；2、取硅铁粉进行预热，然后与步骤1中的中锰炉渣一起置于摇包内进行硅热反应，得到摇炼混合物，滤掉所述摇炼混合物上层的终渣，得低碳低磷锰硅合金液；3、将废铝进行熔化得的铝液与步骤2所得的锰硅合金液调兑后即得锰硅铝合金。本发明利用生产中碳锰铁所产生的中锰炉渣作为原料进行冶炼得到了不易粉化的锰硅铝合金，同时合理利用硅热反应所产生的热量，节约了能源，降低了消耗及生产成本，同炉生产得到中碳锰铁及锰硅铝合金，在原有产能的基础上提高了40％，极大的提高工业废品的附加值。
Description
技术领域
本发明属于合金冶炼领域，具体为一种用摇炉硅热法精炼得到不易粉化的锰硅铝合金的工艺。
背景技术
二十世纪六十年代，前苏联冶金工作者发现锰硅铝多元合金在炼钢中具有深度脱氧并能提升钢材机械性能的特点，并根据此特点研发制定出两套生产方案：1、熔合法生产：将铝溶解在高硅锰硅或锰硅合金溶液中；2、冶炼法生产：用碳在矿热炉内还原含有锰、硅、铝的氧化物炉料来生产锰硅铝合金。二十世纪九十年代国内多家生产企业在熔合法生产的基础上进一步改进，即在中频炉内将锰硅合金、废钢熔化后，加入电解锰、铝锭进行调兑生产锰硅铝合金，形成熔合法精炼锰硅铝合金的工艺，此生产工艺一直沿用至今。
上述生产工艺虽然较为成熟，但却存在以下几个问题，1、采用此工艺生产出的硅锰铝合金中Mn含量为40-50％、Al含量26-31％、Si含量9-15％、C含量2％、P含量0.18％、S含量0.1％，其中C、P、S的含量偏高，影响铁的强度和脆性等，且在后续生产过程中无法脱除；2、该合金中Mn含量较低，Al含量过高，容易生成过剩相Al4O3，Al4O3与空气中的水分接触后发生反应：Al4O3+12H2O→4Al(OH)3+3CH4↑，反应产物Al(OH)3的体积为Al4O3的1000倍，因此导致产品极易粉化，粉质的锰硅铝合金产品很容易流失，且不便于运输，从而降低了产品的使用效率，影响产品的推广使用；3、此工艺使用成品作为原料进行熔合，生产成本较高，而现有技术中传统的低碳锰铁生产工艺中产生的锰渣不能得到高效的利用，产品的附加值有待提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用摇炉硅热法精炼锰硅铝合金的工艺，该工艺生产成本低，废物利用度高，所得的产品品质高且完全不会粉化。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种用摇炉硅热法精炼锰硅铝合金的工艺，包括以下步骤：
(1)将锰矿、贫锰渣、硅锰洗渣铁作为炉料投入精炼炉中进行高温冶炼，得到初冶炼产品；将所述初冶炼产品进行固液分离，得到中锰炉渣和中碳锰铁合金液；
(2)取硅铁粉进行预热，然后将预热的硅铁粉与步骤(1)中所述的中锰炉渣一起置于摇炉内进行反应，得到摇炼混合物，滤掉所述摇炼混合物上层的终渣，得低碳低磷锰硅合金液；
(3)将废铝进行熔化得铝液，将所述铝液与步骤(2)所得的锰硅合金液调兑后即得锰硅铝合金，调兑后所得锰硅铝合金各个组分的质量百分数为：
Mn：65-70％；Si：7-10％；C<0.2％；P<0.05％；S<0.02％；Al：5-10％。
本发明按照中华人民共和国黑色冶金行业标准YB/T4303-2012质量指标生产，调整改变了产品的元素组成，提高了有用元素的含量，降低了有害元素的含量，提高了产品的品质，所得的产品完全不会粉化，增加了产品的使用效率；另外本发明改变现有工艺流程，在现有精炼电弧炉生产中碳锰铁的基础上，增加摇炉、电阻炉设备，利用生产中碳锰渣时产生的高温锰渣自身的余热及通过预热硅铁粉产生的热量创造硅热反应温度条件，降低了能量的消耗；本发明通过摇炼得到高锰低碳低磷锰硅高温液体，并用电阻炉熔化废铝与之调兑而成优质高锰低碳低磷锰硅铝合金，大大提高了产品的品质，合理利用生产中碳锰铁所产生的锰渣，提高了产品的附加值，降低了生产成本，提高生产效益。
优选地：步骤(1)中所述的硅锰洗渣铁中锰含量为55-65％，Si含量为14-20％，P含量小于等于0.2％，C含量小于等于2.0％；所述锰矿中锰含量大于等于40％，Fe含量小于等于5％，P含量小于等于0.1％，H2O含量小于等于4％；所述贫锰渣中锰的含量为8-10％；步骤(1)中所述炉料中各原料重量份依次为：硅锰洗渣铁31.2-46.8份，锰矿20.8-31.2份，贫锰渣7.2-10.8份。
优选地：步骤(1)中所述高温冶炼为所述锰矿在527-1500℃下进行分解并与所述贫锰渣及所述硅锰洗渣铁进行还原脱硅反应。
本发明通过将炉料加入到精炼炉内，依靠电热使炉料熔化，初步对炉料中的硅锰进行还原脱硅得到中碳锰铁。
其反应过程和原理为：首先，炉料中的锰矿石在受热过程中，锰的高价氧化物随温度的升高逐步分解变成氧化物，其分解过程如下：
其次，锰矿受热分解成Mn3O4后，部分Mn3O4随升温的继续升高直接与硅反应生成低价氧化物MnO和锰金属Mn，其反应方程式为：
2Mn3O4+Si＝6MnO+SiO2
Mn3O4+2Si＝3Mn+2SiO2
而未被硅还原的Mn3O4热分解成MnO熔化继续被炉料中的硅还原，其反应式为：
2MnO+Si＝2Mn+SiO2
进入炉内的原料经过精炼期后，根据产品的成份要求判硅出炉，即可得到中碳锰铁合金液和中锰炉渣。
进一步地：步骤(1)中所述炉料还包括20.8-31.2重量份的石灰，所述石灰中CaO含量大于等于85％，当所述高温冶炼的温度升至1172℃时向所述炉料中添加石灰以增加所述还原脱硅反应的活度。
由于反应生成物SiO2与MnO易结合生成硅盐酸(MnO·SiO2)，降低反应物MnO的活度，使正向反应变得困难；为了提高MnO的还原效果，提高锰的回收率，在炉料中配入石灰，从而将MnO从硅酸盐中置换出来，推进正向反应，其反应式为：
CaO+MnO·SiO2＝MnO+CaO·SiO2
2CaO+MnO·SiO2＝MnO+2CaO·SiO2
优选地：步骤(1)中所述中碳锰铁合金液经浇铸后得到附加产品中碳锰铁。
初步冶炼产品经铁水包分离，中锰炉渣由于比重小于中碳锰铁，在精炼炉得出的中碳锰铁和中锰炉渣混合物，按一定的流速进入铁水包按比重沉淀后，中锰炉渣溢出沿铁水包出口流进入摇炉，进入下一步冶炼；中碳锰铁合金液存留于铁水包，浇铸成副产品中碳锰铁。
优选地：步骤(1)中所得的中锰炉渣中锰含量为16-18％。
优选地：步骤(2)中所述硅铁粉中硅的含量大于75％，所述中锰炉渣与所述硅铁粉的重量比为70-105:7.2-10.8，所述预热温度为800-1000℃。
将硅铁粉经电阻炉预热到800-1000℃，然后置于摇炉内与尚有余热的中锰炉渣中的MnO反应可释放出大量热量，不需外加热源，在良好的动力下，单质的硅即可迅速与渣锰MnO反应成MnSi，其反应式为：
Si+MnO·CaO＝MnSi+CaO2
如此节约了能源，降低了生产成本。此时反应后摇炉内炉渣中MnO的含量降低了，得到的终渣Mn含量<5％，将之倒出水淬，此终渣为可用于制造水泥的原料，对经摇炼分离后生成低碳低磷锰硅合金液称重计量，进入下一步冶炼。
优选地：步骤(2)中所述低碳低磷锰硅合金液中Mn含量为70-75％，Si含量为12-15％，C含量<0.15％，P含量<0.1％。
当进入下一步冶炼的低碳低磷锰硅合金液中Mn含量为70-75％，Si含量为12-15％，C含量<0.15％，P含量<0.1％时，可保证下一步冶炼后所得的产品中Mn含量为65-70％；Si含量为7-10％；C含量小于0.2％；P含量小于0.05％；S含量小于0.02％。
优选地：步骤(3)中所述废铝中铝含量大于90％，所述的低碳低磷锰硅合金液与所述废铝的重量比为9-10:1。
优选地：步骤(3)中所述熔化温度为665-800℃。
铝的熔点为660.4℃，将废铝在665-800℃的电阻炉内熔化成液体，经称重计量后与步骤(2)摇炉内的低碳低磷锰硅合金液以1：9-10的重量比进行调兑，可保证所得到的锰硅铝合金产品中Al的含量为5-10％，此时铝含量适中，Mn含量较高，既可保证其在炼钢中具有深度脱氧并能提升钢材机械性能的特点，又不易生成过剩相Al4O3，而与水分接触反应产生粉化现象，使得产品的质量达到YB/4303-2012微碳级标准。
硅锰洗渣铁即硅锰合金的边角精整加工后的合金，本发明中所用的硅锰洗渣铁中锰含量为55-65％，Si含量为14-20％，P含量小于等于0.2％，C含量小于等于2.0％。
锰矿：冶金工业对锰矿石(用于炼钢生铁、含锰生铁、镜铁的矿石)的质量要求为铁含量不受限制，矿石中锰和铁的总含量最好能达到40％-50％。本发明中所用到的锰矿中锰含量大于等于40％，Fe含量小于等于5％，P含量小于等于0.1％，H2O含量小于等于4％。
石灰是一种以氧化钙为主要成分的气硬性无机胶凝材料。石灰是用石灰石、白云石、白垩、贝壳等碳酸钙含量高的产物，经900-1100℃煅烧而成。本发明中所用到的石灰中CaO含量大于等于85％。
本发明中所用到的贫锰渣为冶炼中碳锰铁时所产生的废渣，其中锰的含量为8-10％。
硅锰合金是由锰、硅、铁及少量碳和其它元素组成的合金，是一种用途较广、产量较大的铁合金。硅锰合金是炼钢常用的复合脱氧剂，脱氧效果显著，又是生产中低碳铁和电硅热法生产金属锰的还原剂，同时也是中低碳锰铁生产的主要原料，硅锰合金可在大、中、小型矿热炉内采取连续式操作进行冶炼。
硅铁粉是以焦炭、钢屑、石英(或硅石)为原料，用电炉冶炼制成的铁和硅组成的铁合金，然后经过磨制成粉状的物质，用于炼钢、炼铁的脱氧剂，亦可作为制氢气的原材料。本发明中所用到的硅铁粉中硅含量大于75％。
废铝是一种回收俗称，例如废旧易拉罐、废铝线、废电缆、光铝线、铝板边角料、机械加工铝屑等，本发明所使用的废铝中铝含量大于90％。
摇炉为一种熔融金属处理包，吊放在装有可调速的偏心轴的支架上，通过摇摆产生搅拌作用，使熔融金属和附加剂的接触机会增加，是一种处理效率较高的设备。主要用于铁液硅热反应。
铁水包为用于铸造车间浇注作业，在炉前承接铁液后，由行车运到铸钢锭模处进行浇注。
本发明的有益效果：
(1)本发明利用生产中碳锰铁所产生的中锰炉渣作为原料进行冶炼，在生产中碳锰铁的同时，合理利用其废渣，将其与硅铁粉置于摇炉内进行冶炼得到低碳低磷锰硅合金液，此合金液中Mn含量为70-75％，Si含量为12-15％，C含量<0.15％，P含量<0.1％，与废铝溶液经调兑后可保证所得的产品中Mn含量为65-70％；Si含量为7-10％；C含量小于0.2％；P含量小于0.05％；S含量小于0.02％，Al含量为5-10％，本发明所得的锰硅铝合金中Al含量适中，Mn含量较高，既可保证其在炼钢中具有深度脱氧并能提升钢材机械性能的特点，又不易生成过剩相Al4O3，而与水分接触反应产生粉化现象，使得产品的质量达到YB/4303-2012微碳级标准。
(2)本发明在冶炼低碳低磷锰硅合金液时，首先将硅铁粉经电阻炉预热到800-1000℃，然后置于摇炉内与尚有余热的中锰炉渣中的MnO进行反应，此反应可释放出大量热量，不需外加热源，在良好的动力下，单质的硅即可迅速与渣锰MnO反应成MnSi，如此节约了能源，降低了消耗及生产成本。
(3)本发明中所用的原料包括Mn含量为16％-18％的中锰炉渣，价值280元/吨；硅铁粉，价值4800元/吨；废铝，价值9300元/吨；而最终所得的微碳锰硅铝合金价值9000元/吨，由此可见，本发明综合成本低，原料利用度高，极大的提高工业废品的附加值；
(4)本发明同炉生产两种产品-中碳锰铁及锰硅铝合金，在原有产能的基础上提高了40％，增加了生产效益。
附图说明
图1为本发明的生产流程示意图。
具体实施方式
下面通过附图和4个具体实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述，在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。下述实施例中所用到的硅锰洗渣铁中锰含量为55-65％，Si含量为14-20％，P含量小于等于0.2％，C含量小于等于2.0％；锰矿中锰含量大于等于40％，Fe含量小于等于5％，P含量小于等于0.1％，H2O含量小于等于4％；石灰中CaO含量大于等于85％；贫锰渣中锰的含量为8-10％，硅铁粉中硅的含量大于75％；废铝中铝含量大于90％。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种用摇炉硅热法精炼锰硅铝合金的工艺，包括以下步骤：
(1)将31.2份的硅锰洗渣铁配以20.8份的锰矿、7.2份的贫锰渣作为炉料加入到精炼炉中，炉料中的锰矿在从527℃逐渐升温至1172℃的高温条件下被分解和还原，控制精炼温度最高为1500℃，在精炼炉中取样品冷却后，观察其表面若有硅花且其断面呈明显的颗粒状时，判炉出硅，得到初冶炼产品，将初冶炼产品按0.2m3/min的流速倒入铁水包中进固液淀分离，较重的中碳锰铁合金液留存于铁水包中进行浇铸制取中碳锰铁，较轻的锰渣沿铁水包出口溢入到摇包中，得到含锰量为16％的中锰炉渣；
(2)取70份步骤(1)中所述的中锰炉渣配以7.2份预热到800℃的硅铁粉置于摇包内进行第一次摇炼脱硅，待所述摇包内的样品断面呈现玻璃状时，结束第一次摇炼脱硅，得到位于上层的废渣及位于下层的低碳低磷锰硅合金液，将所得的废渣倒出后直接水淬，用于制作水泥的原料，所得的低碳低磷锰硅合金液中Mn含量为70％，Si含量为15％，C含量为0.15％，P含量为0.1％，称重后用于下一步冶炼；
(3)将废铝在665℃电阻炉内熔化成液体，经称重计量后与所述低碳低磷锰硅合金合金液后按10:1重量比进行调兑，得到锰硅铝合金，所得的锰硅铝合金中Mn含量为65％、Si含量为10％、C含量为0.2％、P含量为0.05％、S含量为0.2％、铝含量为5％，达到YB/4303-2012微碳级标准。
实施例2
如图1所示，本发明提供了一种用摇炉硅热法精炼锰硅铝合金的工艺，包括以下步骤：
(1)将31.2份的硅锰洗渣铁配以20.8份的锰矿、7.2份的贫锰渣、20.8份的石灰后作为炉料加入到精炼炉中，炉料中的锰矿在从527℃逐渐升温至1172℃的高温条件下被分解和还原，控制精炼温度最高为1500℃，在精炼炉中取样品冷却后，观察其表面若有硅花且其断面呈明显的颗粒状时，判炉出硅，得到初冶炼产品，将初冶炼产品按0.2m3/min的流速倒入铁水包中进固液淀分离，较重的中碳锰铁合金液留存于铁水包中进行浇铸制取中碳锰铁，较轻的锰渣沿铁水包出口溢入到摇包中，得到含锰量为16％的中锰炉渣；
(2)取70份步骤(1)中所述的中锰炉渣配以7.2份预热到800℃的硅铁粉置于摇包内进行第一次摇炼脱硅，待所述摇包内的样品断面呈现玻璃状时，结束第一次摇炼脱硅，得到位于上层的废渣及位于下层的低碳低磷锰硅合金液，将所得的废渣倒出后直接水淬，用于制作水泥的原料，所得的低碳低磷锰硅合金液中Mn含量为70％，Si含量为14％，C含量为0.15％，P含量为0.1％，称重后用于下一步冶炼；
(3)将废铝在700℃电阻炉内熔化成液体，经称重计量与所述低碳低磷锰硅合金合金液后按10:1重量比进行调兑，得到锰硅铝合金，所得的锰硅铝合金中Mn含量为65％、Si含量为9％、C含量为0.2％、P含量为0.05％、S含量为0.2％、铝含量为6％，达到YB/4303-2012微碳级标准。
实施例3
如图1所示，本发明提供了一种用摇炉硅热法精炼锰硅铝合金的工艺，包括以下步骤：
(1)将39份的硅锰洗渣铁配以26份的锰矿、9份的贫锰渣、26份的石灰后作为炉料加入到精炼炉中，炉料中的锰矿在从527℃逐渐升温至1172℃的高温条件下被分解和还原，控制精炼温度最高为1500℃，在精炼炉中取样品冷却后，观察其表面若有硅花且其断面呈明显的颗粒状时，判炉出硅，得到初冶炼产品，将初冶炼产品按0.2m3/min的流速倒入铁水包中进行固液分离，较重的中碳锰铁合金液留存于铁水包中进行浇铸制取中碳锰铁，较轻的锰渣沿铁水包出口溢入到摇包中，得到含锰量为17％的中锰炉渣；
(2)取87.5份步骤(1)中所述的中锰炉渣配以9份预热到800℃的硅铁粉置于摇包内进行第一次摇炼脱硅，待所述摇包内的样品断面呈现玻璃状时，结束第一次摇炼脱硅，得到位于上层的废渣及位于下层的低碳低磷锰硅合金液，将所得的废渣倒出后直接水淬，用于制作水泥的原料，所得的低碳低磷锰硅合金液中Mn含量为73％，Si含量为14％，C含量为0.15％，P含量为0.09％，称重后用于下一步冶炼；
(3)将废铝在750℃电阻炉内熔化成液体，经称重计量与所述低碳低磷锰硅合金合金液后按9:1重量比进行调兑，得到锰硅铝合金，所得的锰硅铝合金中Mn含量为68％、Si含量为9％、C含量为0.18％、P含量为0.045％、S含量为0.18％、铝含量为8％，达到YB/4303-2012微碳级标准。
实施例4
如图1所示，本发明提供了一种用摇炉硅热法精炼锰硅铝合金的工艺，包括以下步骤：
(1)将46.8份的硅锰洗渣铁配以31.2份的锰矿、10.8份的贫锰渣、31.2份的石灰后作为炉料加入到精炼炉中，炉料中的锰矿在从527℃逐渐升温至1172℃的高温条件下被分解和还原，控制精炼温度最高为1500℃，在精炼炉中取样品冷却后，观察其表面若有硅花且其断面呈明显的颗粒状时，判炉出硅，得到初冶炼产品，将初冶炼产品按0.2m3/min的流速倒入铁水包中进行固液分离，较重的中碳锰铁合金液留存于铁水包中进行浇铸制取中碳锰铁，较轻的锰渣沿铁水包出口溢入到摇包中，得到含锰量为18％的中锰炉渣；
(2)取105份步骤(1)中所述的中锰炉渣配以10.8份预热到800℃的硅铁粉置于摇包内进行第一次摇炼脱硅，待所述摇包内的样品断面呈现玻璃状时，结束第一次摇炼脱硅，得到位于上层的废渣及位于下层的低碳低磷锰硅合金液，将所得的废渣倒出后直接水淬，用于制作水泥的原料，所得的低碳低磷锰硅合金液中Mn含量为75％，Si含量为12％，C含量为0.14％，P含量为0.08％，称重后用于下一步冶炼；
(3)将废铝在800℃电阻炉内熔化成液体，经称重计量与所述低碳低磷锰硅合金合金液后按9:1重量比进行调兑，得到锰硅铝合金，所得的锰硅铝合金中Mn含量为70％、Si含量为7％、C含量为0.17％、P含量为0.04％、S含量为0.17％、铝含量为10％，达到YB/4303-2012微碳级标准。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用摇炉硅热法精炼锰硅铝合金的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将锰矿、贫锰渣、硅锰洗渣铁作为炉料投入精炼炉中进行高温冶炼，得到初冶炼产品；将所述初冶炼产品进行固液分离，得到中锰炉渣和中碳锰铁合金液；
(2)取硅铁粉进行预热，然后将预热的硅铁粉与步骤(1)中所述的中锰炉渣一起置于摇包内进行硅热反应，得到摇炼混合物，滤掉所述摇炼混合物上层的终渣，得低碳低磷锰硅合金液，所述低碳低磷锰硅合金液中Mn含量为70-75％，Si含量为12-15％，C含量<0.15％，P含量<0.1％；
(3)将废铝在665-800℃的温度下进行熔化得铝液，将所述铝液与步骤(2)所得的锰硅合金液调兑后即得锰硅铝合金，调兑后所得锰硅铝合金各个组分的质量百分数为：Mn：65-70％；Si：7-10％；C<0.2％；P<0.05％；S<0.02％；Al：5-10％；
步骤(3)中所述废铝中铝含量大于90％，所述的低碳低磷锰硅合金液与所述废铝的重量比为9-10:1。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤(1)中所述的硅锰洗渣铁中锰含量为55-65％，Si含量为14-20％，P含量小于等于0.2％，C含量小于等于2.0％；所述锰矿中锰含量大于等于40％，Fe含量小于等于5％，P含量小于等于0.1％，H2O含量小于等于4％；所述贫锰渣中锰的含量为8-10％；步骤(1)中所述炉料中各原料重量份依次为：硅锰洗渣铁31.2-46.8份，锰矿20.8-31.2份，贫锰渣7.2-10.8份。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤(1)中所述炉料还包括20.8-31.2重量份的石灰，所述石灰中CaO含量大于等于85％，当所述高温冶炼的温度升至1172℃时向所述炉料中添加石灰。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤(1)中所得的中锰炉渣中锰含量为16-18％。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤(1)中所述中碳锰铁合金液经浇铸后得到附加产品中碳锰铁。
6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤(2)中所述硅铁粉中硅的含量大于75％，所述中锰炉渣与所述硅铁粉的重量比为70-105:7.2-10.8，所述预热温度为800-1000℃。
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