微波加熱制備錳鐵中影響渣金分離因素的研究

王寶安，周江峰

（陜西盛華冶化有限公司，陜西 漢中 723300）

錳是鋼鐵生產不可缺少的元素，幾乎所有的鋼中都含有一定數量的錳[1，2]。但是我國錳礦資源儲量少、品位低、組成結構復雜，開發利用困難[3，4]。如采用傳統工藝冶煉錳合金，能耗高、回收率低、成本高[5]。陜西盛華冶化有限公司根據國家產業政策發展方向，開展了微波加熱在冶金行業的應用研究工作，開發了低品位錳礦節能、環保、高效利用新技術，革新了傳統礦熱爐冶煉錳系合金的工藝，實現低品位錳礦的高效綜合利用，提高錳礦產品的附加值，從而獲得較好的經濟效益。本文對微波加熱制備錳鐵合金中影響渣金分離的因素進行了試驗研究，并對關鍵因素進行了分析。

1 微波加熱制備錳鐵合金試驗

1.1 實驗原料

1.1.1 錳礦

本研究所用錳礦為低品位氧化錳礦。錳礦經破碎、球磨至100目～200目左右，錳礦的主要化學成分見表1。

表1 錳礦主要化學成分/%

1.1.2 還原劑

研究所用還原劑為蘭炭。將蘭炭破碎細磨至200目左右，置于105℃烘箱內4h，進行烘干。蘭炭的工業分析如表2所示。

表2 蘭炭粉成分及含量/%

1.1.3 添加劑

實驗所用的添加劑為：螢石粉（CaF2），其成分如表3所示。

表3 螢石主要化學成分/%

1.2 實驗設備

原料處理及實驗過程中用到的設備主要包括微波實驗爐、恒溫干燥箱、剛玉坩堝、混料機、壓球機、制樣機等如圖1所示。

微波實驗爐用于加熱實驗原料；恒溫干燥箱對實驗原料進行干燥；剛玉坩堝盛裝實驗原料；混料機對各種實驗原料進行均勻混合；壓球機對混合均勻的粉狀物料壓制成球；制樣機對原料或實驗產物研磨至檢測成分時所需的粒度。

1.3 微波冶煉合金實驗方法

實驗用錳礦、蘭炭和添加劑（CaF2）分別細磨至100目～200目。配碳系數是將碳作為還原劑，將錳礦中的金屬氧化物還原成金屬所需理論碳量的倍數。將混合物料加水混勻后制成含碳球團，將含碳球團置于105℃的恒溫干燥箱內，烘干6h待用，料球如圖2所示。

實驗在20kW微波實驗爐內進行。實驗中將含碳球團裝入坩堝內并置于微波實驗爐內，加熱至設定溫度后保溫30min，將還原物料取出進行水淬，經破碎、篩分分離后得到錳鐵合金和冶煉渣。

圖2 料球實物圖

2 影響渣金分離因素分析

2.1 配碳系數對渣金分離的影響

實驗設計反應溫度為1420℃，堿度為1.8，螢石粉（CaF2）10%，配碳系數依次為0.8、1.0、1.2、1.4、1.6時，觀察還原產物渣金分離情況，進而探索配碳系數對渣金分離效果的影響，分析其變化規律，經試驗，不同配碳系數對應的合金尺寸見圖3所示。

圖3 配碳系數對金屬尺寸的影響

由圖3可知，隨著配碳量的提升，合金尺寸先逐漸增大后減小。實驗結果表明，合金外觀尺寸較小時，渣金分離不明顯，渣中夾雜大量合金顆粒。分析可知：當配碳量較低，即配碳系數較小時，還原反應不充分，金屬氧化物還原率低，金屬生成量較少（見配碳系數為0.8），當配碳系數增大，還原反應進行較充分，金屬氧化物還原量增多，有利于合金顆粒聚集、長大，渣金分離效果顯著（見配碳系數1.0、1.2），而配碳系數進一步增大時，剩余未反應的還原劑碳阻礙了合金相的聚集長大[6]，由于還原劑碳的阻隔，合金未能聚集長大，渣金不易分離（見配碳系數1.4），當配碳系數過高時，基本無金屬顆粒形成，渣金難以分離（見配碳系數1.6）。這表明，在微波高溫還原條件下，還原劑碳對合金的生成與聚集長大作用明顯，進而影響著渣金分離效果；當反應未完全時，隨著還原劑的增加，有利于合金生成，促進渣金分離，而隨著反應完全時，繼續增加還原劑，未反應的還原劑阻礙了合金的凝聚、長大，不利于渣金分離。

2.2 溫度對渣金分離的影響

在配碳系數1.2、堿度1.8、螢石粉（CaF2）10%，實驗溫度依次為1390℃、1420℃、1450℃時，渣金分離情況如圖4所示。

圖4 溫度對渣金分離的影響

由圖可看出，物料反應溫度升高，錳鐵合金外觀尺寸呈增大趨勢，利于渣與合金分離；當溫度進一步升高，出現合金夾渣現象，不利于渣金分離。

由鐵錳二元相圖顯示（見圖5），鐵和錳能夠互溶[6]。升高還原反應溫度，加快了氧化物的還原速率，有利于合金相的生成，渣金容易分離；但實驗溫度進一步升高，會引起渣相溫度升高，導致渣相流動性增加，渣金不易分離，導致生成的合金純度降低。實驗結果表明實驗溫度在1390℃～1420℃為宜。

2.3 添加劑對渣金分離的影響

在配碳系數1.2、堿度1.8、溫度1420℃時，依次對添加用量為0%、4%、8%、10%實驗研究，對還原產物外觀形貌的實驗如圖6所示。

圖5 鐵錳二元相圖

由實驗結果可知，添加劑對合金相的生成及凝聚有明顯的促進作用。無添加劑時，合金顆粒細小，均勻分布在渣相中，而隨著添加劑加入比例的提升，合金顆粒增大且渣鐵分離明顯，這主要是因為螢石（CaF2），能夠有效改善渣金界面張力，有利于合金相的聚集和渣金分離，從而促進合金顆粒的長大，提高合金相中金屬元素的品位。

圖6 添加劑用量對渣金分離的影響

3 結論

本試驗研究探索了微波加熱制備錳鐵過程中影響渣金分離的關鍵因素的影響規律，形成以下結論：

（1）高溫條件下，還原劑碳對合金的生成、聚集與長大作用明顯，進而影響著渣金分離效果；反應未完全時，隨著還原劑的增加，有利于合金生成，促進渣金分離，而隨著反應完全時，繼續增加還原劑，未反應的還原劑阻礙了合金相的形成和長大，不利于渣金分離。配碳系數為1.2時，合金尺寸相對較大且均勻，錳鐵合金渣金分離效果好。

（2）升高實驗溫度能夠促進氧化物的還原速率，有利于合金相的生成，但實驗溫度升高引起渣相溫度升高，導致渣相流動性增加，渣金不易分離，從而降低金屬的純凈度。實驗結果表明實驗溫度在1390-1420℃為宜。

（3）添加劑對合金相的生成及凝聚有明顯的促進作用，能夠有效改善渣金界面張力，有利于合金相的聚集和渣金分離。