錳礦在LF爐內還原率影響因素的研究

汪志鵬,范鼎東，沈乾坤

（安徽工業(yè)大學 冶金工程學院，安徽 馬鞍山 243002）

錳礦在LF爐內還原率影響因素的研究

汪志鵬,范鼎東，沈乾坤

（安徽工業(yè)大學 冶金工程學院，安徽 馬鞍山 243002）

本文針對錳礦在LF爐直接合金化，通過模擬實驗研究了錳礦在LF爐中的還原行為以及影響因素，同時研究了在不同還原劑加入量、還原劑種類、配礦量實驗條件下，錳礦的還原情況，并對上述研究進行了系統(tǒng)性的討論和分析，為更好的實現(xiàn)用錳礦石在LF爐工序上直接合金化提供理論依據(jù).

錳礦石；LF爐；還原率

1 前言

錳是鋼鐵材料中的重要元素，錳對提高鋼的強度、韌度、硬度和淬火性能起著重要的作用[1～3].目前，煉鋼工藝中錳的合金化主要有兩種方式[4～6].一種是通過錳鐵合金形式加入到高溫的液態(tài)鋼水中，并進而熔化擴散，均勻分布于高溫液態(tài)鋼水中，合金化效果最好.但錳鐵合金的生產是一個高能耗、高污染的過程.另一種是使用錳礦石在轉爐或電爐內直接合金化.利用錳礦石代替或部分代替硅錳合金或錳鐵進行合金化，不僅可以解決錳系合金生產過程存在的能耗與污染問題，而且可以有效的降低煉鋼成本.

目前，錳礦石轉爐直接合金化工藝在國內外得到廣泛應用.但國內外錳礦石轉爐合金化工藝的實際應用情況表明，該工藝存在錳收得率低（50%左右）、錳收得率不穩(wěn)定、影響因素多（錳礦石加入量及加入時機、轉爐渣量、終點碳、底吹強度、供氧強度等）等缺點[7～10].

分析LF爐精煉渣系的特點，以及近幾年來錳礦石在LF爐內直接合金化的生產實踐可知[11～14]，錳礦在LF爐內直接合金化時，錳的平均收得率較高，合金化成本的降低較為顯著.本文將進一步分析錳礦在LF爐內熔融還原率的影響因素，為LF爐內錳礦的直接合金化提供理論指導.

2 實驗部分

2.1 實驗原料

本實驗中用到的主要原料為：錳礦石，LF白渣，石墨粉，鋼塊，硅鐵粉.其中錳礦的主要化學成分見表1.

表1 錳礦的化學成分

2.2 實驗方案

本實驗在1600℃的恒溫條件下，實驗考察指標為錳礦的還原率，考察三項影響因素為還原劑的量、錳礦的量以及還原劑的種類.

表2 還原劑C的量

實驗前，對實驗所用的各原材料—錳礦石，LF白渣，石墨粉，鋼塊，硅鐵粉的質量進行一一稱量，具體方案如表2、3、4.

2.3 實驗步驟

表3 錳礦的量

表4 還原劑Si的量

將裝有鋼塊的坩堝，放入鉬絲爐內升溫至實驗溫度，待鋼塊完全熔化成鋼水后，將LF白渣加入鋼水中保溫，待白渣完全熔化后，打開爐口等溫一段時間，穩(wěn)定在實驗溫度后，將錳礦石和還原劑同時加入到鋼水中，等溫30min后取出坩堝快速冷卻（水冷），以保持該條件下的狀態(tài).實驗結束后，利用光譜法對16組鋼樣的化學成分進行檢測

3 結果與討論

3.1 還原劑C的量對錳礦還原率的影響

通過向渣中加入不同質量的C，來研究還原劑C的量對錳礦在LF爐中還原的影響，通過實驗方案中的數(shù)據(jù)，可以先計算鋼樣中的理論錳含量，然后通過實驗檢測結果計算鋼樣中的實驗錳含量，從而得出錳元素的收得率.1至6組鋼樣檢測結果及Mn的收得率如下表5所示.

表5 鋼樣檢測結果

為了更形象的說明還原劑C的量對錳礦還原收得率的影響關系，用origin軟件將表5中的數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖1所示.

圖1 還原劑C的量對錳礦還原率的影響

結合表5以及圖1可知，還原劑C的加入能使Mn的收得率發(fā)生明顯變化，隨著還原劑C量的增加，Mn的收得率隨之增大，C的量在7g之前Mn的收得率隨C量的增加幾乎呈線性增大，在還原劑C的量大于7g以后，Mn收得率的增高幅度有所減小.而且，從檢測結果中可以發(fā)現(xiàn)，鋼樣中的Si含量相對于1號鋼樣，都降低到一個很低的水平，故錳礦在鋼浴環(huán)境下首先與鋼中Si元素反應.且隨著還原劑C的增加，鋼樣中的C碳含量也隨之增大.因此在LF爐增碳的過程中，實施錳礦石的直接合金化，能夠同時保證錳礦的還原以及增C的進行，但是要同時考慮Si元素的損失.

3.2 錳礦的量對錳礦還原率的影響

固定還原劑C的加入量，改變錳礦的加入量，考察加入不同錳礦加入量對Mn的收得率的影響，即LF渣（白渣）的質量與加入的錳礦的質量之比，對Mn的收得率的影響，1及7至11組鋼樣檢測結果及Mn的收得率如下表2所示.

表6 鋼樣檢測結果

為了更形象的說明錳礦的量對錳礦還原收得率的影響關系，用origin軟件將表6中的數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖2所示.

圖2 錳礦的量對錳礦還原率的影響

結合表6以及圖2可知，在固定還原劑C量的情況下，隨錳礦量的不斷增加，Mn的收得率是先增加后降低的，錳礦加入5g時，錳礦還原率達到最大值91.7%；再增加錳礦的量，還原率降低，主要原因在于隨著錳礦的大量加入，熔渣不足以讓全部的錳礦溶解并且被還原，導致還原率不斷降低.因此在LF爐容量一定的情況下，錳礦的直接合金化是有一定的限制的.

3.3 還原劑種類對錳礦還原率的影響

通過向渣中加入不同質量的硅鐵，來研究還原劑Si的量對錳礦在LF爐中還原的影響，而且通過對比分析C、Si兩種還原劑對錳礦還原率的影響，解決使用還原劑C帶來的增碳降硅的問題.1及12至16組鋼樣檢測結果及Mn的收得率如下表7所示.

表7 鋼樣檢測結果

為了更形象的說明錳礦的量對錳礦還原收得率的影響關系，用origin軟件將表7中的數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖3所示.

圖3 還原劑Si的量對錳礦還原率的影響

結合表7以及圖3可知，隨著還原劑Si量的增加，Mn的收得率隨之增大，且還原劑Si的還原能力更強，大于6g后Mn的收得率為100%.加入還原劑Si后，鋼中的Si含量也隨之增加.因此在LF爐精煉增C、增Si的過程中，實施錳礦的直接合金化，C、Si還原劑的混合使用效果更佳.

4 結論

（1）使用還原劑C，隨著還原劑C量的增加，Mn的收得率隨之增大，且錳礦在鋼浴環(huán)境下首先與鋼中Si元素反應.

（2）在固定還原劑C量的情況下，隨錳礦量的不斷增加，Mn的收得率是先增加后降低的，在LF爐容量一定的情況下，錳礦的直接合金化是有一定的限制的.

（3）還原劑Si的還原能力更強，大于6g后Mn的收得率為100%.在LF爐精煉增C、增Si的過程中，實施錳礦的直接合金化，C、Si還原劑的混合使用效果更佳.

（4）進一步探究C、Si兩種還原劑的分配使用，以期保證較高的錳的收得率的情況下，完成鋼水精煉過程增碳增硅的要求，對于錳礦在LF爐直接還原合金化有重要的現(xiàn)實意義.

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1673-260X（2017）08-0038-03

2017-04-10

2015年安徽省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201510360116）