高成本礦價下的錳硅合金冶煉工藝研究

廖 智

（四川瑞城實業有限公司，四川 成都 610041）

國內外各生產廠家對錳硅合金冶煉進行了大量的研究和探索，但都基于良好的入爐礦石，其能較好提高Si、Mn元素的回收率，但現面臨復雜的國際形勢，進口礦開采、運輸、價格等因素受限，給國內冶煉生產成本和連續穩定生產帶來很大壓力。本文基于12500KVA礦熱爐設備改造等工作和有關工藝操作的要求，結合整體生產成本，采用國內低價錳礦來冶煉錳硅合金，并對實際作業情況進行總結。通過相關實踐證明，國內低品位錳礦冶煉錳硅合金工藝的相關技術措施能得到有效控制，可有效降低生產成本。

1 提高和穩定整體冶煉溫度

錳硅合金是通過對礦石中的錳、硅還原而形成，因含有非金屬硅，因此其還原溫度高。為有效使得MnO和SiO2最大程度的還原到合金，需盡量的提高反應溫度，因SiO2的還原溫度比MnO更高。但不同的冶煉方式，會造成爐內不同區域的溫度出現差異，因而在高溫下也可能得到不同的SiO2還原率。在礦熱爐功率固定的情況下，從以下方面來提高反應還原溫度以及穩定爐內溫度。

一是需要合理設計電極極心圓直徑。極心圓大小是由礦熱爐功率、電極直徑和爐料性質決定，極心圓過大時爐心區溫度低，坩堝不易連通，對爐壁損害也大；而極心圓過小時，爐心溫度過高，火焰大，元素揮發快，電極也不容易下插。因此采用極心區有功功率來作為參考指導，可對極心圓的大小及有功功率密度、極區能量強度進行合理的判斷，從而提高和穩定整體的爐內溫度。礦熱爐中，極心圓內是溫度最高處，也是發生還原的主要區域，溫度是決定整體爐況的關鍵，及時將高熔點物質熔化，兩者均需保證足夠的有功功率密度，根據礦熱爐整體功率，確定電極極心圓大小，可以將極區有功功率密度設置在1000 kW/m2左右作為參考。二是合理設計礦熱爐爐膛直徑，保證爐內達到有效的整體功率密度，對礦石熔融及還原反應溫度提供保證，同時也起到維護均衡爐內整體溫度的作用，將功率密度控制在400kW/m2左右，爐溫較穩定。三是根據冶煉時間合理設計礦熱爐爐膛深度，為避免易造成熱散失、死料區形成和影響電極插入，要盡量避免低爐膛和高爐膛，此會對整體爐況、溫度的控制和金屬回收率帶來極大影響。

2 控制堿度提升回收率

錳硅合金冶煉屬于有渣冶煉，必須考慮爐渣堿度的問題。爐渣堿度是影響爐況及各項經濟和技術指標的重要因素，根據堿度（CaO+MgO）/SiO2的計算，因Si的還原要在酸性條件下才更有利，因此需要保證足夠的SiO2，一般控制在38%左右，所以在冶煉過程中，堿度的影響因子主要體現為對CaO、MgO的量把控。在冶煉中，堿度過高，即CaO、MgO含量增加，此會增加渣量，熔融電量增加，爐內溫度無法提升，加上CaO與SiO2生成硅酸鹽，使的Si還原困難。堿度過低，爐渣發粘，排渣困難且不徹底，易引起刺火翻渣，且爐渣導電性降低，礦熱爐功率無法達到正常，繼而造成爐溫降低，坩堝縮小，化料速度慢，SiO2還原能力下降，大量Si和Mn開始進入渣中，嚴重影響金屬回收率。根據研究以及長期的生產經驗，堿度由0.2增大到0.6～0.8時，錳的回收率隨著堿度的升高而提高，堿度再度提升，錳的回收率反而下降。因此，錳硅合金冶煉生產中，將堿度控制在0.65～0.8之間，此外，還需要控制爐渣中的MgO含量，此能大大改善爐渣的流動性，又利于爐溫的提高，促進SiO2的還原。

在此堿度區間下，盡量提高爐渣堿度，可有效的提升Mn的回收率，最終達到較為理想的冶煉目標。通過研究，提高爐渣中的Al2O3含量，有提升Mn回收率的效果，隨著渣中Al2O3含量的增高，生產單位錳硅合金的渣量也就越小。這是由于進入爐內的Al2O3基本不參加還原，也不揮發，全部進入爐渣，同時，Al2O3為中性氧化物，對爐渣的熔點、流動性，以及Mn和Si元素在爐渣-金屬液相間的分配和回收率，有較大的影響和作用，也就直接影響硅錳合金生產經濟技術指標，為此在原料中引入Al2O3來調整冶煉渣，形成新的高Al2O3爐渣。根據Al2O3不參與還原的特點，通過研究計算（CaO+MgO)/Al2O3的比值與爐渣中Mn的關系，比值不斷增大，其Mn含量也開始降低，但含量比未引入Al2O3時要高，同時在爐渣中的Al2O3達到一定值后，渣量會明顯減少，此可減少渣中帶走Mn。經對渣量與渣Mn量的測算，當爐渣中的Al2O3在增加時，雖爐渣中的Mn較正常高，但爐渣量相應減少，即爐渣中的Mn的總含量下降了。因此對Mn、Al、Mg、Ca、Fe、Si組成的爐渣堿度系統進行了重新調整，在爐溫穩定的情況下，爐渣堿度和Al2O3提高后，形成低渣比冶煉。近年來，爐料中Al2O3的組分的影響作用還存在較大的爭議，隨著進口錳礦使用量的增加，為我國錳硅合金另一種低渣比冶煉工藝的實施創造了良好的條件，對Al2O3的應用和探討有所降低。

3 低成本配礦原則

錳硅合金一般是采用多種錳礦（包括富錳渣）混合生產，為保證產品質量，即符合錳硅合金的錳、硅、磷、硫、碳的含量要求，需要滿足冶煉礦石的錳鐵比和錳磷比、堿度等。同時，在冶煉中，入爐礦中綜合錳品位越高，各項指標也會越好，基本決定著冶煉的經濟和技術指標。在技術指標、爐溫得到滿足的情況，對低渣比配礦進行研究，因國內的錳礦基本為中低品位礦，為達到基本的入爐品位，需搭配進口高錳礦進行調節。進口高錳礦資源全部集中在沿海港口，對于西南腹地來說，無論采用鐵路還是公路，運費均達到礦價的25%，采用水陸聯運可降低一半運費，因配船、裝船等因素，周期達一個半月，加上資金費用也大致相當。而錳硅合金市場波動性大，長周期對成本適應性較差，為降低成本，一般作為補充、調節用礦。

在上述基礎上，配礦不僅滿足技術指標，還要考慮經濟指標，給冶煉帶來較大的局限性，通過生產實踐，現已經達到要求。在計算出混合礦的各種成分與錳含量的比值，得出與各理論配料值進行比較，以最高入爐錳含量、最合理、最經濟的配比進行入爐。一是合理利用資源，盡量采用原生礦成份，滿足爐渣堿度、硅等要求。由于礦石中的Ca、Mg、Al等均不易被還原，其在熔融后將全部進入爐渣中，并且若采用其他非錳礦石作為添加，必定增加電耗，結合排渣的順暢性、堿度控制、入爐品位等，礦石選擇上，盡量使用高硅、高鈣鎂錳礦，減少單獨添加如白云石、螢石等，避免降低綜合入爐品位，這樣可將錳礦綜合成分得到充分利用，資源不浪費。二是生熟料搭配使用，保障熔融速率。因技術要求，礦石中的Ca、Mg、Al提高，且均難還原元素，其熔化均較慢，為保障還原反應的匹配，避免浪費能量以及還原劑，其綜合礦石需匹配還原速率，采用生料和熟料搭配方式，解決此問題，熟料一般采用燒結礦或富錳渣，也可適當搭配部分冶煉渣。三是減少高成本進口高錳礦使用量，降低生產成本。全部使用國內錳礦作為原料是無法滿足合格的錳硅合金生產，必須采用進口高錳礦以穩定綜合入爐礦石品位，并由原來的主料作為輔料，進口礦比例控制在20%左右。

錳硅合金的生產工藝的原料配比是一個既簡單又復雜的工作，不但考慮礦石問題，還涉及焦炭等其他問題，要做到合理搭配，不僅要利用好各中有利成分，還要考慮各種礦石的物理結構如礦石粒度，理化指標等因素的影響，然后通過補充計算和設定參數值的方法，從礦石成分上可達到充分合理利用，最終可達到以降低生產成本，改善生產效果，取得最好的經濟效益。錳礦經過合理配料后，入爐錳含量適當時，輔料加入量少，礦石中所含的SiO2、CaO、MgO、MnO等有利元素合理，這些輔料補充少時，也就提高了錳含量，而且彌補了單用錳礦石含錳量來評價錳礦搭配的不足。通過此方案，綜合入爐錳礦品位降低至29%左右，進口高錳礦用量降低了60%以上。

4 嚴控操作和用電制度

現不同單位的Mn和Si的還原率相差還是很大，單項差異可達40%。產生差異的根本原因是礦熱爐設備參數和電氣操作制度的不同造成爐內熔池反應區的溫度差別較大，個別地方可能會形成集中高溫區。而從錳硅合金冶煉的能量平衡角度來講，能否滿足入爐有效功率的要求，是能否實現低渣比操作的關鍵。為使礦熱爐穩定運行，應保持三次出爐間電極頂端位置有一個穩定移動，以便在爐內有穩定的還原反應區，并有恒定有功功率的輸人。要達到上述要求，采用恒定電流的操作方式不妥當。在實際生產中，爐前儀表工是根據電極把持器的位置，采取電極電流先升后降的控制模式，實現恒功率操作。要保證穩定的冶煉溫度，冶煉過程的操作和用電必須控制，因為在礦石入爐到合金出爐整個周期內，礦石和熔渣中的錳和硅是同步進行還原的，溫度的保障是關鍵，既能提供穩定的進行礦石融化環境和有效的還原溫度，也可為爐底的爐渣和成品提供穩定的氣氛，整個過程要盡量避免集中高溫，造成錳氣化揮發逸出，此還得控制二次電壓，不得過高，且需深插電極，爐料厚度有效，使爐氣外逸時可充分與爐料接觸，吸收部分揮發的錳，減少損失，提高回收率。所以在實際操作過程中，需嚴格控制相關過程，一是科學的確定冶煉周期，根據礦熱爐功率、爐內體積、錳硅還原程度，確定冶煉周期，也可以根據耗電量來判斷冶煉周期；二是用電操作需保持恒定功率，但考慮操作安全和冶煉程度，可進行梯度調節功率；三是減少起停電次數，保障爐內溫度的持續穩定；四是電極插入爐料深度和升降時間控制，滿足爐內的溫度要求；五是控制爐料高度，即滿足冶煉需求也可防止爐內能量散發和提前對礦石進行預熱，冶煉過程中及時對爐面周圍的燒結和硬塊清理，使爐料冒火均勻。

5 結語

經生產實踐，生產指標控制較好，在礦石成本價高的情況下，充分利用國內的低品位礦石，將綜合入爐Mn品位降低5%，增加冶煉電耗9%。本錳礦綜合入爐品位29%左右，Si的回收率達到了55%左右，Mn的回收率最高可達到91%左右，平均礦耗2.5t/t，冶煉綜合電耗低于4200kWh/t，日均產量可以高達70t，綜合成本得到有效控制。根據最新頒布的鐵合金單位產品能源消耗限額標準，錳硅合金冶煉限定電耗不僅進行了限額等級分類，還較之前降低了150kWh/t，在降低入爐礦石品位的情況下，其能耗也符合國標要求。