CN111304437B - 一种利用高锰渣制备高碳锰铁的方法 - Google Patents

一种利用高锰渣制备高碳锰铁的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用高锰渣制备高碳锰铁的方法，属于高碳锰铁技术领域。解决了现有技术中常规锰矿制备高碳锰铁时易降低炉衬的寿命、成本高、生产效率低的问题。上述方法包括如下步骤：S1、将高锰渣和碳粉制成冷固球团；S2、将冷固球团装入电阻炉、感应炉或电炉，将冷固球团加热到1400‑1500℃，加入石灰作为脱硫剂，即可得到高碳锰铁。上述制备方法简单易控，制得的高碳锰铁符合国标要求。本发明能够用于制备高碳锰铁。

Description

一种利用高锰渣制备高碳锰铁的方法
技术领域
本发明属于高碳锰铁技术领域，尤其涉及一种利用高锰渣制备高碳锰铁的方法。
背景技术
目前对于一些磷含量较高的高锰生铁，例如，含有C 4.0％～5.0％、Mn 8％～10％、P 0.18％～0.20％、S 0.015％～0.02％，其余为Fe和微量不可避免的杂质；由于其中含有的磷含量较高，若作为转炉或电炉冶炼的金属原料，会给转炉或电炉的冶炼带来较大的难度，且富含MnO的炉渣熔点低，粘度低，对炉衬的侵蚀非常严重，降低炉衬的寿命，从吹炼时间上看，也会延长1.5倍，从综合成本上看，经济效益低。
发明内容
鉴于以上分析，针对现有技术中的不足，本发明旨在提供一种利用高锰渣制备高碳锰铁的方法，至少能解决以下技术问题之一：(1)现有的高锰生铁磷含量较高，冶炼难度大；(2)现有的常规锰矿制备高碳锰铁时易降低炉衬的寿命；(3)现有的锰矿制备高碳锰铁时成本高、生产效率低。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种利用高锰渣制备高碳锰铁的方法，包括如下步骤：
S1、将高锰渣和碳粉制成冷固球团；
S2、将冷固球团装入电阻炉、感应炉或电炉，将冷固球团加热到1400-1500℃，加入石灰作为脱硫剂，即可得到高碳锰铁。
进一步，冷固球团的制备包括如下步骤：
S11、利用球磨机将高锰渣和碳粉磨成粒径小于0.15mm的粉末；
S12、利用对辊压球机将高锰渣和碳粉压制成冷固球团。
进一步，S1中，碳粉的加入量占高锰渣总量的18％～22％。
进一步，S1中，高锰渣的制备方法包括如下步骤：
将高锰生铁装入感应炉中，感应加热升温，当铁水熔化后，开始用氧枪吹氧；采用较低的供氧强度O1，供氧量为20～30m3/t；吹炼开始后底吹通入氮气，整个过程中，温度控制在T1，直到吹炼结束；倒出高锰渣，留下半钢。
进一步，S1中，吹炼过程，每隔2min加入一次铁矿石；铁矿石的总加入量为120～150kg/t。
进一步，高锰生铁的成分按质量百分比为C：4.0％～5.0％、Si：<0.1％、Mn：8.0％～10.0％、P：0.18％～0.20％、S：0.015％～0.020％，其余为Fe和微量不可避免的杂质。
进一步，高锰渣的成分按质量百分比为Fe2O3：15.0％～18.0％、MnO72.0％～75.0％、SiO2：4.0％～6.0％、P2O5：0.02％～0.05％、S：0.1％～0.2％，其余为不可避免的杂质。
进一步，S2中，高碳锰铁的化学成分组成按质量百分比为：C：7.0％～8.0％、Si：1.5％～2.0％、Mn：65％～82％、P：≤0.2％、S：≤0.03％，其余为Fe和微量不可避免的杂质。
进一步，O1为0.5～2.0Nm3/(t·min)。
进一步，S2中，石灰的质量为10-30kg/t。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
现有的高碳锰铁制备时一般使用锰矿，由于锰矿中含有碳酸锰等酸性物质，对于炉衬的侵蚀非常严重，降低炉衬的寿命。
a)本发明提供的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法采用的高锰渣作为原料，高锰渣是熔化过的，高锰渣与碳的还原反应时的加热的温度比常规用锰矿制备高碳锰铁时温度低50-100℃(常规锰矿制备时矿物需要分解，分解吸热，耗能多)，与锰矿作为原料相比，本发明的方法消耗的电能较少，能够节省能源，降低成本10％～20％，且采用高锰渣相比常规锰矿能够减少吹炼时间，能够提高生产效率，生产效率能提高1.5倍以上。
b)本发明提供的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法采用的高锰渣作为原料，与锰矿作为原料相比，由于高锰渣中不含有碳酸锰等酸性物质，对于炉衬的侵蚀较轻，对炉衬的寿命影响较小，相较于用常规锰矿直接用作制备高碳锰铁的炉衬的寿命延长1.5～3倍。
c)本发明提供的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法采用的高锰渣是将高锰生铁的吹炼过程中的脱锰保碳期制备得到的，同时得到的半钢经过继续吹炼能够得到洁净的钢水，实现了高锰生铁的再生利用，经济效益显著。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明提供的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法的工艺流程图；
图2为本发明中铁、锰、硅氧化反应的吉布斯自由能示意图；
图3为本发明中铁、锰、硅氧化物被碳还原的吉布斯自由能示意图；
图4为本发明实施例1的高锰渣的矿相照片；
图5为本发明实施例1的高锰渣的XRD分析结果；
图6为本发明实施例1的熔化温度测试结果。
附图标记：
1-FeO·MnO·SiO2；2-MnO；3-Fe2O3。
具体实施方式
以下结合具体实施例和对比例对一种利用高锰渣制备高碳锰铁的方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。
一种利用高锰渣制备高碳锰铁的方法，包括如下步骤：
S1、将高锰渣和碳粉制成冷固球团；
S2、将冷固球团装入电阻炉、感应炉或电炉，将冷固球团加热到1400-1500℃(例如1450-1480℃)，加入石灰(10-30kg/t)作为脱硫剂，即可得到高碳锰铁。
具体的，冷固球团的制备包括如下步骤：
S11、利用球磨机将高锰渣和碳粉磨成粒径小于0.15mm的粉末；
S12、利用对辊压球机将高锰渣和碳粉压制成冷固球团。
需要说明的是，S1中，碳粉的加入量占高锰渣总质量的18％～22％；此配比能够保证得到的高碳锰铁的化学组分符合铁合金国家标准GB/T3795-2014成分要求。
上述S2中，高碳锰铁的化学成分组成按质量百分比为：C：7.0％～8.0％、Si：1.5％～2.0％、Mn：65％～82％、P：≤0.2％、S：≤0.03％，其余为Fe和微量不可避免的杂质。
需要说明的是，S1中，高锰渣的制备方法采用供氧氧化高锰铁水中的铁和锰，具体的，包括如下步骤：将高锰生铁装入感应炉中，感应加热升温，升温功率为110～130kw(例如，120kw)，当铁水熔化后，测定铁水温度，当铁水温度为1300℃时，开始用氧枪吹氧；吹炼过程采用较低的供氧强度O1(例如，0.5～2.0Nm3/(t·min))，供氧量为20～30m3/t，吹氧时间为10～60min；吹炼开始后底吹通入氮气，供气强度为0.02～0.20Nm3/(t·min)，直到吹炼结束；倒出高锰渣，留下半钢。
具体的，吹炼时，为了降低铁水温度，每隔2min加入一次铁矿石(质量为12～15kg/t)，铁矿石的总加入量为120～150kg/t。吹炼整个过程中，温度控制在T1(1300～1400℃)之间；吹炼过程中不加入任何造渣材料。
具体的，氧枪为单孔拉瓦尔喷头。
具体的，采用的高锰生铁的成分按质量百分比为C：4.0％～5.0％、Si：<0.1％、Mn：8.0％～10.0％、P：0.18％～0.20％、S：0.015％～0.020％，其余为Fe和微量不可避免的杂质。
高锰渣的成分按质量百分比为Fe2O3：15.0％～18.0％、MnO 72.0％～75.0％、SiO2：4.0％～6.0％、P2O5：0.02％～0.05％、S：0.1％～0.2％，其余为不可避免的杂质。
高锰渣的矿相组成为FeO·MnO·SiO2：20％；MnO：70％，Fe2O3：10％，熔化温度为1498℃。
本发明的各阶段的参数设计，基于以下原理：
(1)高锰渣的制备方法中，高锰铁水中铁、硅和锰的氧化
高锰铁水中铁、硅和锰的氧化反应为：
2Fe(S)+1.5O2(g)＝Fe2O3(S) △G＝-815023+251.12T ①
Mn(S)+0.5O2(g)＝MnO(S) △G＝-385360+73.75T ②
Si(S)+O2(g)＝SiO2(S) △G＝-907100+175.73T ③
图2为根据反应①-③计算得到的铁、锰、硅氧化反应的吉布斯自由能示意图。由图可知，在1300-1500℃范围内，高锰生铁中的硅、锰、铁在吹氧的条件下能够迅速反应。三者中硅与氧结合最容易，其次为锰与氧的反应，最后是铁与氧的反应。因此，通过控制供氧流量，可保证高锰生铁中的锰大量反应，减少铁的氧化。
(2)高锰渣与碳的还原反应
高锰渣与碳的还原反应为：
3C(S)+Fe2O3(S)＝2Fe(S)+3CO(g) △G＝471823-508.43T ④
C(S)+MnO(S)＝Mn(S)+CO(g) △G＝270960-159.52T ⑤
2C(S)+SiO2(S)＝Si(S)+2CO(g) △G＝678300-347.27T ⑥
图3为根据反应④-⑥计算得到铁、锰、硅氧化物被碳还原的吉布斯自由能示意图。
由图可知，在1000-1800℃范围内，高锰渣铁的氧化物很容易还原，锰的氧化物还原需要温度大于1400℃，二氧化硅的还原温度为1680℃以上。本发明为了得到高碳锰铁，需要还原锰的氧化物和铁的氧化物，尽量不还原硅，设定温度为1400-1500℃(例如，1450-1480℃)。
值得注意的是，S1中，制备高锰渣的过程中会得到半钢，为了充分利用半钢，将半钢处理得到洁净的钢水，半钢处理包括如下步骤：吹炼开始时，用氧枪吹氧；采用较高的供氧强度O2，供氧量为45～51m3/t，吹氧时间为9～26min；吹炼过程中分两次加入石灰、镁球和铁质造渣材料；吹炼过程的底吹供气强度为0.05-0.1Nm3/(t·min)，终点温度T2(T2为1620-1680℃)，T2>T1，制得洁净钢水。
考虑到供氧强度O2小于2.0Nm3/(t·min)，吹炼时间较长，生产效率低；供氧强度O2大于5.0Nm3/(t·min)，半钢碳氧化过快，熔池温度升温过快，不利于半钢脱磷；因此控制O2为2.0～5.0Nm3/(t·min)，O2≥O1。
为了保证终点炉渣的碱度为2.5～3.5，MgO含量为6％～10％，T.Fe为12％～15％，控制石灰的总加入量为20～40kg/t，镁球为5～20kg/t，铁质造渣材料为10～30kg/t。
具体的，吹炼30秒到3分钟以内，进行第一次加入石灰10～20kg/t，镁球5～10kg/t，铁质造渣材料为5～10kg/t；吹炼5min后加入剩余的石灰、镁球和铁质造渣材料。
具体的，半钢的化学成分组成按质量百分比为：C：3.2％～4.2％、Si：<0.05％、Mn：0.3％～1.0％、P：0.12％～0.22％、S：0.01％～0.024％，其余为Fe和微量不可避免的杂质。
具体的，洁净钢水的化学成分组成按质量百分比为：C：0.03％～0.08％、Mn：0.08％～0.20％、P：0.005％～0.02％、S：0.01％～0.024％，其余为Fe和微量不可避免的杂质。此种组分的洁净钢水能够作为其他炼钢的原料。
与现有技术相比，本发明提供的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法采用的高锰渣作为原料，高锰渣是熔化过的，比常规用锰矿制备高碳锰铁时温度低50-100℃，与锰矿作为原料相比，消耗的电能较少，能够节省能源，降低成本10％～20％，且能够提高生产效率，采用高锰渣相比常规锰矿能够减少吹炼时间，能够提高生产效率，生产效率能提高1.5倍以上。
本发明提供的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法采用的高锰渣作为原料，与锰矿作为原料相比，由于高锰渣中不含有碳酸锰等酸性物质，对于炉衬的侵蚀较轻，相较于用常规锰矿直接用作制备高碳锰铁的炉衬的寿命延长1.5～3倍。
本发明的高锰渣是利用高锰生铁吹炼得到的，采用的原料高锰生铁的售价为2800～3000元/吨，同时得到的半钢经过继续吹炼能够得到洁净的钢水，经过本发明的方法处理后，得到的高锰渣和洁净钢的平均售价为6800～8000元/吨，而本发明的处理方法的成本为1500～2000元/吨，综合可知，实现了高锰生铁的再生利用，经济效益显著。
实施例1
本实施例提供的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法中，先在500t感应炉内通过氧枪供氧氧化高锰铁水中的铁和锰，生成的氧化铁和氧化锰进入炉渣，倒出炉渣后形成高锰渣作为制备高碳锰铁的原料。具体的，高锰生铁200kg，其化学成分为C 4.46％、Si 0.01％、Mn8.78％、P 0.18％、S 0.015％，其余为Fe和微量不可避免的杂质；供氧强度为0.6Nm3/(t·min)，终点温度控制在1350℃，吹炼过程中加入铁矿石降温，铁矿石的加入量为130kg/t；吹氧时间为34min，供氧量为4.08m3，底吹供气强度为0.12Nm3/(t·min)；吹炼结束后，倒出高锰渣，得到的高锰渣的成分为Fe2O317.41％、MnO 73.24％、SiO25.65％、P2O50.05％、S0.10％，其余为不可避免的杂质。
把高锰渣和碳粉制成冷固球团，碳粉的加入量占高锰渣总量的19.69％。在电阻炉、感应炉或电炉，把冷固球团加热到1450℃，加入石灰15kg/t作为脱硫剂，即可得到高碳锰铁，高碳锰铁的化学组成为C7.2％、Si 1.5％、Mn 66.9％、P 0.04％、S 0.010％，其余为Fe和微量不可避免的杂质，高碳锰铁符合国家标准GB/T 3795-2014的成分要求。
实施例2
本实施例提供的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法中，先在500t感应炉内通过氧枪供氧氧化高锰铁水中的铁和锰，生成的氧化铁和氧化锰进入炉渣，倒出炉渣后形成高锰渣作为制备高碳锰铁的原料。具体的，高锰生铁250kg，其化学成分为C 4.56％、Si 0.008％、Mn 8.89％、P 0.19％、S 0.017％，其余为Fe和微量不可避免的杂质；供氧强度为1.0Nm3/(t·min)，终点温度控制在1340℃，吹炼过程中加入铁矿石降温，铁矿石的加入量为138kg/t；吹氧时间为25min，供氧量为6.25m3，底吹供气强度为0.12Nm3/(t·min)。吹炼结束后，倒出高锰渣，得到的高锰渣的成分为Fe2O316.34％、MnO 74.12％、SiO25.16％、P2O50.04％、S0.12％，其余为不可避免的杂质。
把高锰渣和碳粉制成冷固球团，碳粉的加入量占高锰渣总量的20.12％。在电阻炉、感应炉或电炉，把冷固球团加热到1465℃，加入石灰17kg/t作为脱硫剂，即可得到高碳锰铁，高碳锰铁的化学组成为C7.8％、Si 1.7％、Mn 68.2％、P 0.03％、S 0.012％，其余为Fe和微量不可避免的杂质，符合国家标准GB/T 3795-2014的成分要求。
实施例3
本实施例提供的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法中，先在500t感应炉内通过氧枪供氧氧化高锰铁水中的铁和锰，生成的氧化铁和氧化锰进入炉渣，倒出炉渣后形成高锰渣作为制备高碳锰铁的原料。具体的，高锰生铁150kg，其化学成分为C 4.61％、Si 0.01％、Mn9.12％、P 0.20％、S 0.018％，其余为Fe和微量不可避免的杂质；供氧强度为1.2Nm3/(t·min)，终点温度控制在1350℃，吹炼过程中加入铁矿石降温，铁矿石的加入量为140kg/t；吹氧时间为25min，供氧量为4.5m3，底吹供气强度为0.10Nm3/(t·min)；吹炼结束后，倒出高锰渣，得到的高锰渣的成分为Fe2O317.23％、MnO 74.19％、SiO25.45％、P2O50.04％、S0.10％，其余为不可避免的杂质。
把高锰渣和碳粉制成冷固球团，碳粉的加入量占高锰渣总量的20.0％。在电阻炉、感应炉或电炉，把冷固球团加热到1480℃，加入石灰20kg/t作为脱硫剂，即可得到高碳锰铁，高碳锰铁的化学组成为C 7.9％、Si 1.9％、Mn 72.7％、P 0.04％、S 0.010％，其余为Fe和微量不可避免的杂质，符合铁合金国家标准GB/T 3795-2014成分要求。
将实施例1中的高锰渣做岩相分析，得到炉渣矿相照片如图4所示，图4中，1是FeO·MnO·SiO2，2是MnO，3是Fe2O3。由图4可知，炉渣矿相主要是FeO·MnO·SiO2、MnO和Fe2O3。各组成的质量百分比如下表1所示。
表1高锰渣的主要组成(％)
名称 FeO·MnO·SiO<sub>2</sub> MnO Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
高锰渣 20～30 60～70 5-10
将实施例1中的高锰渣做XRD分析，XRD分析结果如图5所示，高锰渣中主要矿相组成是FeO·MnO·SiO2、MnO和Fe2O3。从半定量分析结果看，FeO·MnO·SiO2占20％，MnO占70％，Fe2O3占10％，与岩相的分析结果是一致的。
图6为测定的实施例1的高锰渣的熔化温度。由图可知，高锰渣的熔点为1498℃。明显低于常规制备高碳锰铁原料锰矿还原后的MnO的熔点(MnO的熔点为1785℃)。同时，本发明得到的高锰渣，是熔化过的物质，在碳还原过程中比锰矿还原消耗的热量要小，比常规用锰矿制备高碳锰铁时温度低50-100℃。因此，使用本方法制得的高锰渣去制备高碳锰铁时能够节约能源10％～20％，且能够提高生产效率。
综上所述，本发明提供的高锰生铁高效利用的方法实现了高锰生铁的再生利用，且制备方法简单，经济效益显著，且对环境污染小，使用前景广阔。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用高锰渣制备高碳锰铁的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将高锰渣和碳粉制成冷固球团；
所述高锰渣的制备方法包括如下步骤：
将高锰生铁装入感应炉中，感应加热升温，当铁水熔化后，开始用氧枪吹氧；采用较低的供氧强度0.5～2.0Nm3/(t·min)，供氧量为20～30m3/t；吹炼开始后底吹通入氮气，整个过程中，温度控制在1300～1400℃，直到吹炼结束；倒出高锰渣，留下半钢；
所述高锰渣的成分按质量百分比为Fe2O3：15.0％～18.0％、MnO72.0％～75.0％、SiO2：4.0％～6.0％、P2O5：0.02％～0.05％、S：0.1％～0.2％，其余为不可避免的杂质；
S2、将冷固球团装入电阻炉、感应炉或电炉，将冷固球团加热到1400-1500℃，加入石灰作为脱硫剂，即可得到高碳锰铁。
2.根据权利要求1所述的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法，其特征在于，所述冷固球团的制备包括如下步骤：
S11、利用球磨机将高锰渣和碳粉磨成粒径小于0.15mm的粉末；
S12、利用对辊压球机将高锰渣和碳粉压制成冷固球团。
3.根据权利要求1所述的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法，其特征在于，所述S1中，碳粉的加入量占高锰渣总量的18％～22％。
4.根据权利要求1所述的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法，其特征在于，所述S1中，吹氧时间为10～60min。
5.根据权利要求4所述的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法，其特征在于，所述S1中，吹炼过程，每隔2min加入一次铁矿石；铁矿石的总加入量为120～150kg/t。
6.根据权利要求4或5所述的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法，其特征在于，所述高锰生铁的成分按质量百分比为C：4.0％～5.0％、Si：<0.1％、Mn：8.0％～10.0％、P：0.18％～0.20％、S：0.015％～0.020％，其余为Fe和微量不可避免的杂质。
7.根据权利要求1-4任一项所述的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法，其特征在于，所述高锰渣的成分按质量百分比为Fe2O3：15.0％～18.0％、MnO 72.0％～74.19％、SiO2：4.0％～6.0％、P2O5：0.02％～0.05％、S：0.1％～0.2％，其余为不可避免的杂质。
8.根据权利要求4所述的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法，其特征在于，所述S2中，高碳锰铁的化学成分组成按质量百分比为：C：7.0％～8.0％、Si：1.5％～2.0％、Mn：65％～82％、P：≤0.2％、S：≤0.03％，其余为Fe和微量不可避免的杂质。
9.根据权利要求1-5或8任一项所述的利用高锰渣制备高碳锰铁的方法，其特征在于，所述S2中，石灰的质量为10-30kg/t。
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