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(chǎn)不可缺少的元素，幾乎所有的鋼中都含有一定數(shù)量的錳[1，2]。但是我國(guó)錳礦資源儲(chǔ)量少、品位低、組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開(kāi)發(fā)利用困難[3，4]。如采用傳統(tǒng)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(jù)國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策發(fā)展方向，開(kāi)展了微波加熱在冶金行業(yè)的應(yīng)用研究工作，開(kāi)發(fā)了低品位錳礦節(jié)能、環(huán)保、高效利用新技術(shù)，革新了傳統(tǒng)礦熱爐冶煉錳系合金的工藝，實(shí)現(xiàn)低品位錳礦的高效綜合利用，提高錳礦產(chǎn)品的附加值，從而獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。本文對(duì)微波加熱制備錳鐵合金中影響渣金分離的因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析。

1 微波加熱制備錳鐵合金試驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)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(jīng)破碎、球磨至100目～200目左右，錳礦的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 錳礦主要化學(xué)成分/%

1.1.2 還原劑

研究所用還原劑為蘭炭。將蘭炭破碎細(xì)磨至200目左右，置于105℃烘箱內(nèi)4h，進(jìn)行烘干。蘭炭的工業(yè)分析如表2所示。

表2 蘭炭粉成分及含量/%

1.1.3 添加劑

實(shí)驗(yàn)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(xué)成分/%

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

原料處理及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用到的設(shè)備主要包括微波實(shí)驗(yàn)爐、恒溫干燥箱、剛玉坩堝、混料機(jī)、壓球機(jī)、制樣機(jī)等如圖1所示。

微波實(shí)驗(yàn)爐用于加熱實(shí)驗(yàn)原料；恒溫干燥箱對(duì)實(shí)驗(yàn)原料進(jìn)行干燥；剛玉坩堝盛裝實(shí)驗(yàn)原料；混料機(jī)對(duì)各種實(shí)驗(yàn)原料進(jìn)行均勻混合；壓球機(jī)對(duì)混合均勻的粉狀物料壓制成球；制樣機(jī)對(duì)原料或?qū)嶒?yàn)產(chǎn)物研磨至檢測(cè)成分時(shí)所需的粒度。

1.3 微波冶煉合金實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用錳礦、蘭炭和添加劑（CaF2）分別細(xì)磨至100目～200目。配碳系數(shù)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(shù)。將混合物料加水混勻后制成含碳球團(tuán)，將含碳球團(tuán)置于105℃的恒溫干燥箱內(nèi)，烘干6h待用，料球如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)在20kW微波實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中將含碳球團(tuán)裝入坩堝內(nèi)并置于微波實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)，加熱至設(shè)定溫度后保溫30min，將還原物料取出進(jìn)行水淬，經(jīng)破碎、篩分分離后得到錳鐵合金和冶煉渣。

圖2 料球?qū)嵨飯D

2 影響渣金分離因素分析

2.1 配碳系數(shù)對(duì)渣金分離的影響

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)反應(yīng)溫度為1420℃，堿度為1.8，螢石粉（CaF2）10%，配碳系數(shù)依次為0.8、1.0、1.2、1.4、1.6時(shí)，觀察還原產(chǎn)物渣金分離情況，進(jìn)而探索配碳系數(shù)對(duì)渣金分離效果的影響，分析其變化規(guī)律，經(jīng)試驗(yàn)，不同配碳系數(shù)對(duì)應(yīng)的合金尺寸見(jiàn)圖3所示。

圖3 配碳系數(shù)對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合金外觀尺寸較小時(shí)，渣金分離不明顯，渣中夾雜大量合金顆粒。分析可知：當(dāng)配碳量較低，即配碳系數(shù)較小時(shí)，還原反應(yīng)不充分，金屬氧化物還原率低，金屬生成量較少（見(jiàn)配碳系數(shù)為0.8），當(dāng)配碳系數(shù)增大，還原反應(yīng)進(jìn)行較充分，金屬氧化物還原量增多，有利于合金顆粒聚集、長(zhǎng)大，渣金分離效果顯著（見(jiàn)配碳系數(shù)1.0、1.2），而配碳系數(shù)進(jìn)一步增大時(shí)，剩余未反應(yīng)的還原劑碳阻礙了合金相的聚集長(zhǎng)大[6]，由于還原劑碳的阻隔，合金未能聚集長(zhǎng)大，渣金不易分離（見(jiàn)配碳系數(shù)1.4），當(dāng)配碳系數(shù)過(guò)高時(shí)，基本無(wú)金屬顆粒形成，渣金難以分離（見(jiàn)配碳系數(shù)1.6）。這表明，在微波高溫還原條件下，還原劑碳對(duì)合金的生成與聚集長(zhǎng)大作用明顯，進(jìn)而影響著渣金分離效果；當(dāng)反應(yīng)未完全時(shí)，隨著還原劑的增加，有利于合金生成，促進(jìn)渣金分離，而隨著反應(yīng)完全時(shí)，繼續(xù)增加還原劑，未反應(yīng)的還原劑阻礙了合金的凝聚、長(zhǎng)大，不利于渣金分離。

2.2 溫度對(duì)渣金分離的影響

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

圖4 溫度對(duì)渣金分離的影響

由圖可看出，物料反應(yīng)溫度升高，錳鐵合金外觀尺寸呈增大趨勢(shì)，利于渣與合金分離；當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，出現(xiàn)合金夾渣現(xiàn)象，不利于渣金分離。

由鐵錳二元相圖顯示（見(jiàn)圖5），鐵和錳能夠互溶[6]。升高還原反應(yīng)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(shí)驗(yàn)溫度進(jìn)一步升高，會(huì)引起渣相溫度升高，導(dǎo)致渣相流動(dòng)性增加，渣金不易分離，導(dǎo)致生成的合金純度降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)溫度在1390℃～1420℃為宜。

2.3 添加劑對(duì)渣金分離的影響

在配碳系數(shù)1.2、堿度1.8、溫度1420℃時(shí)，依次對(duì)添加用量為0%、4%、8%、10%實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)還原產(chǎn)物外觀形貌的實(shí)驗(yàn)如圖6所示。

圖5 鐵錳二元相圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，添加劑對(duì)合金相的生成及凝聚有明顯的促進(jìn)作用。無(wú)添加劑時(shí)，合金顆粒細(xì)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?yàn)槲炇–aF2），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(jìn)合金顆粒的長(zhǎng)大，提高合金相中金屬元素的品位。

圖6 添加劑用量對(duì)渣金分離的影響

3 結(jié)論

本試驗(yàn)研究探索了微波加熱制備錳鐵過(guò)程中影響渣金分離的關(guān)鍵因素的影響規(guī)律，形成以下結(jié)論：

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

（2）升高實(shí)驗(yàn)溫度能夠促進(jìn)氧化物的還原速率，有利于合金相的生成，但實(shí)驗(yàn)溫度升高引起渣相溫度升高，導(dǎo)致渣相流動(dòng)性增加，渣金不易分離，從而降低金屬的純凈度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)溫度在1390-1420℃為宜。

（3）添加劑對(duì)合金相的生成及凝聚有明顯的促進(jìn)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。