鍛軋錳及其高氮化物節(jié)能環(huán)保生產(chǎn)工藝

摘 要:“鍛軋錳及其高氮化物節(jié)能環(huán)保生產(chǎn)工藝”源于湖南省科技廳科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2008CK2002)和長沙市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(K0902070-11)研究成果，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，已通過產(chǎn)學(xué)研合作方式實(shí)施轉(zhuǎn)化，被長沙市科技成果轉(zhuǎn)化服務(wù)中心認(rèn)定為重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(20090203)。開發(fā)的鍛軋錳和氮化錳作為合金鋼及有色金屬冶煉不可缺少的添加劑，其生產(chǎn)過程高效、節(jié)能、環(huán)境友好性好，材料利用率接近100%，產(chǎn)品合格率達(dá)99.9%以上;鍛軋錳含錳量≥97%，氮化錳含氮量高達(dá)10.5%，需求缺口大，市場前景好。

關(guān)鍵詞:鍛軋錳氮化錳工藝節(jié)能環(huán)保

中圖分類號:S-3文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(a)-0046-02

Energy-saving and Environmental-firendly Production of Wrought-Mn and Its Nitride

Qing-ding WU，Jue-li CHEN

(Institute of Processing Technologies of Materials，Central South University of Forestry Technology， Changsha Hunan 410004， China)

Abstract: Energy-saving and Environmental-firendly Production of Wrought-Mn and Its Nitride originated form the research results of Hunan Science and Technology Plan Major Project (No. 2008CK2002) and Changsha Science and Technology Plan Major Project (No. K0902070-11)， it possess independent intellectual property and can be implemented by university-industry cooperation mode， this project has been affirmed Major Achievement Transformation Project by Transformation of Sci-tech Achievement Service Center in Changsha. The developed wrought-Mn and nitrided-Mn are the indispensable addtives in alloy steel and nonferrous metal smelting， these production process is high efficient， energy-saving ans showed excellent environmental friendluness. The material utilization close to 100% and the product qualification is more than 99.9%. The Mn content of wrohght-Mn is greater than or equal to 97%， the nitrogen content of nitrided-Mn can reach 10.5%， the demand gap is large and the markets prospect well.

Key words:wrought-Mn; nitrided-Mn; preparation technology; energy-saving; environmental friendly

1 技術(shù)背景

由于錳在煉鋼中起脫氧、脫硫、合金化等作用，錳的存在不僅能消除或減弱因硫引起的熱脆性，提高鋼的熱加工性能，而且能使鋼形成和穩(wěn)定奧氏體組織的能力僅次于昂貴的鎳，同時也能強(qiáng)烈提高鋼的淬透性;而氮雖然在鋼中常常與其脆性相關(guān)，但氮元素作為奧氏體元素也能替代鎳用于奧氏體中，可與鋼中的其他元素交互作用，賦予鋼材許多優(yōu)異的性能，如其強(qiáng)度、韌性、蠕變抗力，耐腐蝕性等，因此，往往在冶煉高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、耐熱鋼等材料時，需同時加入錳、氮這兩種元素，但是，這兩種元素單獨(dú)加入時仍有不便，如氮的溶解度低、比重小、不易加入，而氮化錳不僅易于加入，而且錳、氮的利用率高，能彌補(bǔ)這些不足。所以，自1988年在法國召開第一次高氮鋼會議，把高氮鋼作為發(fā)展高質(zhì)量冶金技術(shù)的主要方向之一以來，氮化錳便贏得了冶金界的青睞[1-4]。

為了很好地滿足高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、耐熱鋼等材料生產(chǎn)的巨大市場需求，廣大工程技術(shù)人員先后分別以氨氣、普氮、高純氮、氫氮混合氣體為滲氮?dú)夥眨?00℃～1000℃溫度范圍內(nèi)，對氮化錳的生產(chǎn)工藝進(jìn)行廣泛的研究，收到了較好的效果，使氮化錳的含氮量品位從4%～6%提升到了6%～8%。但所采取的工藝措施普遍沿襲常規(guī)鋼材滲氮工藝，最長滲氮時間長達(dá)50小時，不僅使?jié)B氮工作效率大打折扣，同時也造成了能源的極大浪費(fèi)[5-10]。

針對上述技術(shù)缺陷，筆者以獲得的“一種高效節(jié)能的氮化錳生產(chǎn)工藝”發(fā)明專利(ZL200610031155.7)為基礎(chǔ)展開創(chuàng)新研究，先后獲得了湖南省科技廳科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2008CK2002)和長沙市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(K0902070-11)的資助。研究成果不僅得到了很好的轉(zhuǎn)化，形成了優(yōu)良生產(chǎn)力;而且先后獲得了湖南省自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文二等獎(4011-C-326)、湖南省技術(shù)發(fā)明三等獎(20093017-F3-011-R01)[11-12]。

2 技術(shù)特征

“鍛軋錳及其高氮化物節(jié)能環(huán)保生產(chǎn)工藝”與當(dāng)前國內(nèi)外同類工藝技術(shù)相比具有如下特色:

(1)本工藝創(chuàng)造性地運(yùn)用粉末冶金原理和金屬化學(xué)熱處理等多學(xué)科交叉知識與成果，通過認(rèn)識金屬錳高效率成形與深度氮化規(guī)律，不僅找到了金屬錳粉的高效成形方法，而且確定滲氮工藝參數(shù)的優(yōu)化組合，創(chuàng)新了鍛軋錳的預(yù)抽真空活化低溫滲氮工藝。

(2)本工藝直接瞄準(zhǔn)市場應(yīng)用需求，以提升我國錳資源增值加工技術(shù)、增強(qiáng)我國錳資源的出口創(chuàng)匯能力、扭轉(zhuǎn)我國(特別是湖南)豐富錳資源絕大部分都以低附加值的錳片、錳粉出口的被動局面為最終目標(biāo)。

(3)本工藝注重生產(chǎn)效率與節(jié)能降耗，追求綠色環(huán)保，確保了經(jīng)濟(jì)效益和社會效益雙豐收。經(jīng)過多年的推廣應(yīng)用，在證明工藝實(shí)施過程“無廢氣、無廢水、無廢渣”污染的同時，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能效果的明顯突破，使節(jié)支額度達(dá)到了鍛軋錳及其高氮化物產(chǎn)值的1%～1.5%。統(tǒng)計(jì)表明，生產(chǎn)1噸鍛軋錳制品和1噸氮化錳的能耗分別為48.7KW.h、400KW.h，同比電熔錳錠的生產(chǎn)工藝，每噸鍛軋錳及其高氮化物可節(jié)約用電300～350 KW.h。

(4)本工藝的實(shí)施過程，由于空分制氮(含N99.999%)的應(yīng)用，大量清潔氧彌散在生產(chǎn)車間，生產(chǎn)工人每天都能享受更新鮮更充裕的空氣;鍛軋錳及其高氮化物系列產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，只有少量散落料需要及時回收，材料利用率接近100%，產(chǎn)品合格率達(dá)99.9%以上。

(5)通過數(shù)學(xué)模型，獲得了鍛軋錳制品的獼猴桃狀優(yōu)化結(jié)構(gòu)(如圖1)，實(shí)現(xiàn)了如圖2所示“一模六出”式成形模布局的大生產(chǎn)應(yīng)用，收獲了“鍛軋錳制品結(jié)構(gòu)力強(qiáng)、滾動性好、滲氮效率高”的良好效果。鍛軋錳制品作為一種可直接大量出口的冶金添加劑，經(jīng)中國國家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會認(rèn)證檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)有色金屬華北地質(zhì)礦產(chǎn)測試中心認(rèn)定，可按含Mn≥97%品位面向全球各大合金鋼和鋁合金冶煉廠商供貨。

(6)在鍛軋錳的滲氮工藝，通過預(yù)抽真空措施實(shí)現(xiàn)了滲氮過程的初始化，及時排除了滲氮空間和獼猴桃狀壓坯表面及開放孔中的自由氧與吸附氧;工藝采用誘發(fā)劑，既活化了金屬錳氮化過程，也為硅酸鹽粘結(jié)劑的固化提供了熱源。均勻分散在金屬錳粉中的誘發(fā)劑，在混合粉壓制成型后，釋放部分熱量，使硅酸鹽粘結(jié)劑帶來的水分大部分蒸發(fā)，并使獼猴桃狀壓坯固結(jié)。在滲氮初期，誘發(fā)劑熱分解產(chǎn)生還原性氣氛，使錳粉顆粒表面的微氧化層得以還原，形成新生的活性表面，使氮?dú)夥肿游礁菀祝捉⑵胶?并使錳粉顆粒表面發(fā)生物理吸附的氮?dú)夥肿与S著原子間的相互作用，更容易由物理吸附轉(zhuǎn)化為化學(xué)吸附，進(jìn)而使氮?dú)夥肿臃纸鉃榈拥倪^程加速，相應(yīng)于吸附平衡形成穩(wěn)態(tài)氮原子表面濃度。在濃度差和滲氮壓力的作用下，使得金屬錳表面的氮原子向內(nèi)擴(kuò)散的速度加快，從而使金屬錳氮化過程得到加速。為適應(yīng)大生產(chǎn)的需求，筆者匯同產(chǎn)學(xué)研合作伙伴成功開發(fā)了日產(chǎn)10t的WSD-280-9-10型臥式真空滲氮爐，并首次采用了免維修雙球底罐狀滲氮舟，使?jié)B氮更均勻、生產(chǎn)效率更高。

(7)經(jīng)中國有色金屬工業(yè)總公司粉末冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、中南大學(xué)粉末冶金研究院等機(jī)構(gòu)分析檢測認(rèn)定，按本工藝生產(chǎn)的氮化錳制品的含氮量高可在≤10.5%范圍內(nèi)面向全球各大合金鋼和鋁合金冶煉廠商供貨。

3 應(yīng)用推廣與市場前景

自于2008年1月，啟動“鍛軋錳及其高氮化物節(jié)能環(huán)保生產(chǎn)工藝”成果轉(zhuǎn)化工作以來，以中南林業(yè)科技大學(xué)材料成形技術(shù)研究所為依托，以錳三角的通華、容超、信豪、鴻昱、光明等為合作伙伴，建成了總產(chǎn)能達(dá)“20000噸/年”的鍛軋錳及其高氮化物生產(chǎn)線。產(chǎn)品全部出口到歐、亞、美10多個國家，用戶反饋良好，貨款回籠及時;預(yù)計(jì)將在相當(dāng)長時間內(nèi)無暇顧及國內(nèi)市場。

3.1 市場需求預(yù)測

鍛軋錳及其高氮化物等系列制品形狀規(guī)則、密度均勻、含錳/氮量高，不僅可實(shí)施精確添加，且實(shí)收率均達(dá)95%以上，可賦予合金鋼/鋁合金許多優(yōu)異性能(如韌性好，蠕變抗力大，耐腐蝕性好等)，因而贏得了冶金界的廣泛親昵。

目前國內(nèi)外能生產(chǎn)鍛軋錳及其高氮化物的企業(yè)屈指可數(shù)，產(chǎn)量十分有限，市場需求缺口巨大。國內(nèi)僅鞍鋼、西北鋁業(yè)等10余家合金鋼/鋁合金冶煉企業(yè)對鍛軋錳及其高氮化物的需求額就高達(dá)10萬余噸/年;而美國鋁業(yè)、韓國譜項(xiàng)制鐵、印度米塔爾等大型國外冶金集團(tuán)，每年對鍛軋錳及其高氮化物的需求分別超過5萬t。

3.2 對相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的促進(jìn)與帶動作用

本工藝成果，在大幅提升我國(特別是錳三角)豐富錳資源的增值加工水平與能力，增強(qiáng)出口創(chuàng)匯能力的同時，可在一定程度上扭轉(zhuǎn)我國作為金屬錳主要原產(chǎn)國卻只能靠出口量的增加來提高出口創(chuàng)匯額的被動局面。從而實(shí)現(xiàn)在適度延緩錳資源外流速度的同時，增加創(chuàng)匯額，并最大限度的滿足合金鋼/鋁合金冶煉行業(yè)巨大的市場需求。

3.3 節(jié)能環(huán)保潛力

目前，全球最大的電解錳生產(chǎn)基地“湖南電解錳基地”，緊花垣縣電解錳年產(chǎn)量達(dá)60萬噸，占全國電解錳的總產(chǎn)量的80%以上，但環(huán)境污染問題也非常突出，已引起國家環(huán)保總局等部門的高度重視。如果鍛軋錳及其高氮化物的生產(chǎn)所采用的“無廢氣、無廢水、無廢渣”三無節(jié)能環(huán)保工藝最終能在錳三角推廣，當(dāng)產(chǎn)能擴(kuò)大到10萬t時，每年可節(jié)約用電3000～3500萬kWh;可節(jié)省電解錳32450t，相當(dāng)于少開采錳礦石15萬噸，在可節(jié)省開采、冶煉費(fèi)用5.2億元的同時，按照中國環(huán)境科學(xué)研究院在花垣當(dāng)?shù)卣{(diào)研結(jié)果，可減少約16.2萬t含錳的廢渣、廢水、廢氣的排放。

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