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1、第五章 锰系铁合金,1 锰系铁合金简介 2 高碳锰铁冶炼原理与工艺 3 硅锰合金冶炼原理与工艺 4 中低碳锰铁冶炼原理与工艺,三大类锰系产品,（1）锰系铁合金 高碳锰铁、中低碳锰铁、锰硅合金、氮化锰铁、金属锰、电解金属锰和氮化锰； （2）锰的氧化物 二氧化锰、四氧化三锰； （3）锰盐 钢铁工业是最重要的应用领域，用锰量占9095,1 锰系铁合金简介,锰系合金用量平均8kg/吨,Ironmaking,Steelmaking,Continuous casting,Rolling,Main products,Hot metal,Molten steel,Billets,Scrap,Pig iron
2、produced in Blast Furnace (BF),BOF,EAF,Section mill,Wire-rod mill,Plate mill,Hot strip mill,Seamless pipe mill,Rail Sheet pile Shape Bar Wire rod Plate HR coil and sheet CR coil and sheet Welded pipe Seamless pipe etc.,Products,Iron ore Lime stone Coke,HC FeMn 3.34 kg,Ref FeMn 0.93 kg,SiMn 5.44 kg,9
3、.71 kg of Manganese alloys per tonne of steel,Crude steel produced in basic oxygen (BOF) or electric arc (EAF) furnaces,BF,Billets produced by continuous casting,2010年我国铁合金总产量2436万吨，其中锰系铁合金800多万吨。,中低碳锰铁,高碳锰铁,硅锰合金,6,锰铁牌号,中碳锰铁 FeMn80 FeMn78 FeMn75,高碳锰铁 FeMn78 FeMn74 FeMn68,低碳锰铁 FeMn85 FeMn80,0.2-0.7 1
4、.0-2.0 0.1-0.3 0.02,1.0-2.0 0.7-2.5 0.2-0.4 0.02,7.0-7.5 2.5-4.5 0.33-0.4 0.03,C Si P S,碳锰铁合金,7,锰铁牌号,瑞典锰合金中其他化学元素的最大含量 (%),美国锰硅铁合金标准中对某些杂质元素的要求,锰矿资源简介,锰矿资源简介,世界锰矿主要进口国家,世界锰矿主要出口国家,12,锰矿按其工业上的用途可分为化工用锰矿和冶金用锰矿两大类。,锰矿石分类,锰矿石,化工用锰矿电池氧化锰，高锰酸钾,氧化锰矿（铁合金） 碳酸锰矿（电解锰）,冶金用锰矿,主要的含锰矿物,我国冶金用锰矿石分类标准,我国锰矿资源量大，但锰品位较低
5、。,锰矿的评价,1 含锰量30% 2 一定的锰铁比 取决于锰铁牌号和锰回收率 3 磷含量要低 4 脉石含量越低越好 5 钾、钠等碱性物质越低越好 6 熔化性能、化学反应性能等,2 高碳锰铁生产原理与工艺,矿热炉法 （1）熔剂法 （2）无熔剂法,高碳锰铁生产方法 （1）高炉法 （2）矿热炉法,17,高碳锰铁冶炼工艺（熔剂法）,冶炼原理： (MnO)渣 + C = Mn + CO 主反应 (FeO)渣 + C = Fe + CO Mn4+ Mn3+ Mn2+ Mn3C 直接还原 C的直接还原 CO间接还原 (P2O5)渣 + 5C = 2P + 5CO (SiO2)渣 + CaO或MgO = (C
6、aO或MgO)n(SiO2)m MnOSiO2 + CaO = CaOSiO2 + MnO,副反应,18,高碳锰铁冶炼工艺（熔剂法）,冶炼原理： FeO + CO = Fe + CO2 G4932440.13T T始=1229 K (956) MnO + CO = Mn + CO2 G412664172.16T T始=2396 K (2123) MnO + C = Mn + CO G575266339.78T T始=1693 K 2MnO + 8/3C = 2/3Mn3C + 2CO G510789.6340.8T T始=1499 K (软熔带),间接还原,直接还原,高碳锰铁矿热炉炉膛结构示意
7、图,松散的烧结料；2. 软熔带；3. 渣焦混合物；4. 焦炭层；5. 渣层（有焦炭）；6. 渣层； 7. 金属；8. 死料区；9. 电极碎块；10. 电极；11. 碳砖；12. 出渣口；13. 出铁口,20,熔剂法生产高碳锰铁工艺制订原则,混合配矿中的Mn/Fe比：FeMn78C8.0 产品 Mn/Fe=7.89 FeMn74C7.5 产品 Mn/Fe=5.1 FeMn68C7.0 产品 Mn/Fe=3.4 2) 混合矿中的碱度控制： 配加石灰或白云石,炉渣碱度与渣中含锰量的关系,22,为什么碱度并非愈高愈好？,碱度提高 1 渣量增大 2 炉渣熔点提高 3 粘度提高，不利于相分离 4 电阻降低
8、，不利于热分配,23,无熔剂法生产高碳锰铁,条件： 矿石中Mn/Fe比远高于碳锰产品中的Mn/Fe比 获得低P的富Mn渣用于生产锰硅合金或金属硅 工艺水平：无熔剂法Mn的回收率低一点，但结合后续MnSi铁 合金生产，使锰的综合回收率很高。,采用酸性渣操作，不加石灰，可以得到高碳锰铁和富锰渣,无熔剂法生产高碳锰铁的工艺案例,碳锰产品,锰矿成份,100 kg上述锰矿，若生产出高碳锰铁后，还可以同时产出Mn%28的富锰渣，试问应如何设计高碳锰铁的产品牌号？,25,锰系铁合金原料预处理,矿产资源状况：贫矿、粉矿 炉子大型化对炉 粒 度透气性 料理化性能要求 还原度焦耗、电耗 降低电耗和焦比的需求 锰矿
9、结晶水高温脱除引起电能额外消耗,用热料生产锰铁的工艺流程,1冷料仓;2回转窑;3热料仓;4吊罐; 5炉子料仓;6电炉;7气体净化器,27,锰矿石在升温过程中的物理化学变化,1.硬锰矿,2.菱锰矿,4MnO2 2H2O,MnO2,Mn2O3,Mn3O4,4MnO2 2H2O+附着水,100 150 ,400 500 ,527 ,900 ,4MnO2 2H2O,MnCO3+附着水,H2O,H2O,MnCO3,MnO,100 150 ,H2O,525 ,CO2,3 硅锰合金生产原理与工艺,硅锰铁合金的用途 1) 复合脱氧剂（炼钢预脱氧） 2) 中间合金（中低碳锰铁还原剂）,锰硅铁合金常用牌号：FeM
10、n68Si18, FeMn64Si14, FeMn60Si28 硅锰冶炼的原料：锰矿（富锰渣），硅石，焦炭，石灰等 锰硅铁合金冶金原理： 总反应：MnOSiO2 + 3C = MnSi(Fe) + 3CO MnOSiO2 + 4/3C = 1/3Mn3C + SiO2 + CO (低温) SiO2 + 2C = Si + 2CO (高温) 1/3Mn3C + Si = MnSi + 1/3C (Mn3C是中间产物),锰硅铁合金冶炼,硅锰合金中硅含量与碳含量之间的关系,锰矿的还原冶金（澳洲锰矿）,31,主要成分：MnO、FeO 锰矿成分 副成分 ：SiO2、CaO、MgO、Al2O3 杂质成分：
11、P2O5 还原过程的几种情况： 若矿热炉内温度不高还原剂加入量不足时 Fe、P优先还原，生成含P生铁（Fe-C）和高Mn渣 温度提高，达到MnO还原条件时Mn、Fe、P还原，生成高碳MnFe产品（P含量较高） 继续提高温度，增加还原剂，并配入一定量的硅石时； Mn、Fe、Si、P都还原生成MnSi铁合金,32,（1）中低碳锰铁生产两种方法 脱碳法：高碳锰铁 中低碳锰铁 脱硅法：硅锰合金 中低碳锰铁 （2）硅锰合金和中碳锰铁成分表,4 中低碳锰铁合金冶炼原理与工艺,脱硅法(硅热法)冶炼中低碳锰铁原理,H298= 22.1kcal/mol G = -32200+31.7T,2MnO+Si=2Mn+
12、SiO2,SiO2+CaO= CaOSiO2,Mn,Si,Fe+2(MnO)+2CaO=3MnFe+(2CaOSiO2),脱硅法(硅热法)冶炼中低碳锰铁原理,1 冶炼原料 2 温度的保证（生成相，相分离） 是否需要外部供能？ 3 化学速率（生成相） 气力搅拌，机械搅拌，喷射冶金，包体转动 4 化学平衡 （生成相）,平衡-怎样洗杯子？,如何用最少的水洗干净杯子？,37,国内普遍采用的摇炉电炉法，把来自矿热炉的液态锰硅合金和来自精炼炉的锰渣置于摇包中进行预脱硅反应，贫化渣中锰并降低合金中硅含量。然后再把预脱硅后的锰硅合金置于精炼炉内精炼。,中碳锰铁生产工艺,把2 mm大小的石灰和锰矿在竖炉内预热到
13、800,然后与矿热炉的液态锰硅合金一起放到摇包中摇动，生产出合格的中低碳锰铁。,日本的水岛法(摇包硅热法),20m3摇包-精炼炉生产中碳锰铁合金工艺流程,乌德霍姆法（喷吹法）,（1） 采用2500KVA的工频感应炉。每炉装15吨硅锰合金。 （2） 惰性气体为载体将锰矿与石灰喷吹入熔体内部。 （3） 在硅含量降低到约7%时分渣一次，继续喷入锰矿和石灰直到硅含量降低到1%。,中低碳锰铁生产工艺总结,为什么要生产中低碳锰铁？ 用什么原料生产中低碳锰铁？ 相同原料的生产工艺为何不同？,摇包工艺中的科学问题,摇包示意图,摇包反应动力学,摇包转速对渣中氧化锰还原速率的影响,摇包内两相液体运动的影响因素,44,摇包冷态模拟试验装置,45,模拟摇包直径286mm 转速(10120 r/min) 偏心距(1050mm) 油模拟炉渣 去离子水模拟铁水 偏心距12mm、23mm、 33mm；油水体积比取1:1、1:1.5、2:1。,摇包内两相运动状态变化规律,锰系铁合金冶炼方法总结（非高炉法）,矿热炉冶炼工艺,无熔剂法,有熔剂法高碳锰铁，锰硅铁合金,硅热冶金,富锰渣（除P，提高Mn/Fe比）,炉外冶炼工艺,中、低碳锰铁,吹氧脱碳,高碳锰铁,47,电冶金简介,电冶金 = 电热冶金+电化学冶金 电化学冶金 熔盐电解（铝，镁等） 水溶液电解（电解锰） 电热冶金 铁合金，电炉刚玉， 电弧炉炼钢，感应炉熔分,