純加納碳酸錳礦生產(chǎn)錳系合金的技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

寧夏天元錳業(yè)集團(tuán)有限公司

(寧夏天元錳業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏 中衛(wèi) 755103)

錳系合金是由錳、硅、鐵及少量碳和其他元素組成的合金，是一種用途較廣、 產(chǎn)量較大的鐵合金。錳系合金作為脫氧劑、脫硫劑、合金劑被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、有色、電子、化工、航天、軍工等行業(yè)和磁性材料、新能源電池、石墨烯等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。錳系合金用途廣、用量大，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代國(guó)防不可替代的基礎(chǔ)材料和戰(zhàn)略資源。我國(guó)錳礦資源的匱乏是目前面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題，拓展錳礦資源開(kāi)發(fā)利用創(chuàng)新是錳冶金行業(yè)持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。

1 錳系合金概述

錳系合金按國(guó)家頒布的標(biāo)準(zhǔn)主要有以下種類：錳鐵(GB/T 3795—2014)[1]、錳硅合金(GB/T 4008—2008)[2]、微、低碳錳硅合金(YB/T 4240—2010)[3]。

1.1 錳系合金對(duì)錳礦的要求

錳系合金工業(yè)對(duì)錳礦有不同的要求，錳礦石中含錳量要高于22%，化學(xué)成分相對(duì)穩(wěn)定，雜質(zhì)含量低。錳礦中的95%的鐵進(jìn)入合金，根據(jù)合金品種、牌號(hào)不同對(duì)錳鐵比要求不同，一般錳礦中錳鐵比在3～10，錳鐵比>10的礦種甚少。錳礦中的磷75%以上會(huì)被還原進(jìn)入合金，而影響合金質(zhì)量，根據(jù)冶煉合金牌號(hào)的不同，要求錳礦中磷錳比≤0.006。錳礦中SiO2含量要適當(dāng)，有利于減少渣量降低電耗，提高回收率，同時(shí)要含有適量的CaO、MgO，使(CaO+MgO)/SiO2堿度在0.6～0.8之間，最適宜于硅的還原與渣鐵分離。錳礦應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和粒度，在密閉礦熱爐內(nèi)料層有良好的透氣性，有利于冶煉操作。

1.2 錳系合金生產(chǎn)用礦

1.2.1 我國(guó)錳礦分布

我國(guó)錳礦主要分布在廣西、湖南、重慶、四川、貴州、遼寧等省(市、自治區(qū))，其中80%錳礦礦床分布面廣，呈多層薄層狀，埋藏深，不易開(kāi)采[4]。適合露天開(kāi)采的儲(chǔ)量只占全國(guó)總儲(chǔ)量的6%，品位低，組分復(fù)雜，高磷、高鐵以及含有伴(共)生金屬和其他雜質(zhì)，開(kāi)發(fā)利用條件差。

1.2.2 世界錳礦分布

世界陸地錳礦儲(chǔ)量在1億t以上的超大型錳礦產(chǎn)地有8處，分別是：南非的卡拉哈里、波斯特馬斯堡，烏克蘭的大托克馬克、尼科波爾，加蓬的莫安達(dá)，加納的恩蘇塔，澳大利亞的格魯特島，澳大利亞西部皮爾巴拉地區(qū)的烏迪烏迪錳礦。

2 加納碳酸錳礦

2.1 加納碳酸錳礦的成分

加納是世界上碳酸錳礦儲(chǔ)量最多的國(guó)家，加納錳礦主要分布在加納中部的恩蘇塔及雅卡地區(qū)，據(jù)資料顯示，探明錳礦資源量為3.256億t[5]。所有采礦權(quán)、探礦權(quán)和勘察許可權(quán)的區(qū)域資源量預(yù)計(jì)超過(guò)10億t。加納碳酸錳礦具有儲(chǔ)量大，錳儲(chǔ)量高，鐵、硫、磷含量低的特點(diǎn)，是電解錳及高品位錳硅合金生產(chǎn)的理想礦源。寧夏天元錳業(yè)集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱為天元錳業(yè))在2020-2021年隨機(jī)抽取化驗(yàn)加納碳酸錳礦的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 加納碳酸錳礦化學(xué)成分

加納碳酸錳礦為灰白色塊狀礦石，大部分主要技術(shù)指標(biāo)錳≥27%、鐵≤2.15%、磷<0.07%，化學(xué)成分穩(wěn)定，雜質(zhì)含量低，各項(xiàng)指標(biāo)符合錳系合金冶煉的用礦要求，可單獨(dú)使用，有利于礦熱爐長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和金屬回收率。錳鐵比高達(dá)21以上，磷錳比低于0.002，堿度在0.6～0.8之間，適合于硅錳合金生產(chǎn)入爐要求。碳酸錳礦在550 ℃以上即可分解，易于燒結(jié)，且燒結(jié)礦孔隙率高，表面積大，強(qiáng)度高，透氣性好，入爐易還原。

2.2 加納碳酸錳礦的燒結(jié)

加納錳礦大多為3～100 mm塊狀物料，在半密閉式礦熱爐入爐料中可直接配入少量加納塊礦使用，但對(duì)密閉式礦熱爐來(lái)說(shuō)，因其在爐內(nèi)受熱分解爆裂，會(huì)影響料層透氣性，同時(shí)分解后的CO2會(huì)進(jìn)入煤氣回收凈化系統(tǒng)而影響煤氣濃度。因此，在錳系合金冶煉時(shí)，先將加納碳酸錳礦進(jìn)行燒結(jié)后作為礦熱爐入爐用礦，改善冶煉條件，提高還原率。加納碳酸錳礦的燒結(jié)分為帶式燒結(jié)機(jī)工藝和回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)工藝兩種。

2.2.1 帶式燒結(jié)機(jī)工藝

采用帶式燒結(jié)工藝，礦石入料粒度為0～10 mm，根據(jù)礦石中的粉料量可適當(dāng)調(diào)整粒度大小，配入適量蘭炭粉，經(jīng)混料后，進(jìn)入燒結(jié)機(jī)頭布料器，布料厚度為600～800 mm，根據(jù)燒結(jié)參數(shù)可做適當(dāng)調(diào)整。燒結(jié)溫度在800～1 000 ℃，燒結(jié)后經(jīng)環(huán)形冷卻機(jī)冷卻，出口配套單齒破碎機(jī)破碎后，經(jīng)篩分機(jī)篩分，合格礦輸送至爐前配料站，粒度小于10 mm的粉料返回至燒結(jié)配料倉(cāng)二次配料。根據(jù)入爐鐵含量要求，在加納碳酸錳礦中配入自產(chǎn)硫酸廢渣——鐵精粉燒結(jié)成高鐵燒結(jié)礦，與原礦燒結(jié)礦配料，以滿足入爐要求，也可用高鐵錳礦代替。具體配料見(jiàn)表2～3，燒結(jié)工藝流程見(jiàn)圖1～2。

表2 高錳燒結(jié)礦配料 %

表3 高鐵燒結(jié)礦配料 %

圖1 低鐵燒結(jié)礦工藝流程

圖2 高鐵燒結(jié)礦工藝流程

2.2.2 回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)工藝

采用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)工藝時(shí)，將加納碳酸錳礦石粉磨成150 μm以下的粉料，經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，煤經(jīng)磨機(jī)磨成煤粉后由噴煤嘴噴入回轉(zhuǎn)窯點(diǎn)燃，以滿足回轉(zhuǎn)窯供熱需求，高溫區(qū)燒結(jié)溫度約為1 200 ℃，燒結(jié)后經(jīng)蓖冷機(jī)冷卻后破碎至合格粒度，輸送至爐前配料站使用。工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)工藝流程

2.3 加納碳酸錳燒結(jié)礦化學(xué)成分及特點(diǎn)

天元錳業(yè)利用加納碳酸錳礦燒結(jié)生產(chǎn)的化驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4～5。

表4 加納碳酸錳燒結(jié)礦化學(xué)成分(高錳燒結(jié)礦)

表5 加納碳酸錳礦配鐵精粉燒結(jié)礦成分(高鐵燒結(jié)礦)

根據(jù)燒結(jié)礦的化學(xué)成分并結(jié)合錳硅合金生產(chǎn)實(shí)際，總結(jié)歸納加納碳酸錳燒結(jié)礦有以下特點(diǎn)：①錳含量在39%以上，錳鐵比≥24，磷錳比≤0.001 8，高品位、高錳鐵比、低磷燒結(jié)礦屬錳硅生產(chǎn)的最佳礦源，尤其對(duì)高品質(zhì)錳硅合金更為適用，其指標(biāo)近似或優(yōu)于富錳渣，完全可作為富錳渣使用；②根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐證明，加納碳酸錳燒結(jié)礦強(qiáng)度高，表面蜂窩狀明顯，有利于改善礦熱爐料層透氣性，可將礦熱爐入爐焦炭用蘭炭替代或部分替代，從而大大降低還原劑采購(gòu)成本；③燒結(jié)礦中堿度約為0.77，是礦熱爐冶煉時(shí)錳的回收率最高的最佳堿度范圍，大大減少或取消白云石配料量，從而降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化配料操作。

3 硅錳合金冶煉

天元錳業(yè)有6臺(tái)30 000 kVA密閉式錳硅爐，自投產(chǎn)后，由混合錳礦啟動(dòng)后逐步轉(zhuǎn)換為全加納碳酸錳燒結(jié)礦，至今6臺(tái)礦熱爐全部采用純加納碳酸錳燒結(jié)礦生產(chǎn)錳硅合金(牌號(hào)為FeMn68Si18)，其特點(diǎn)為：①礦熱爐入爐錳礦100%使用加納碳酸錳燒結(jié)礦，開(kāi)辟了礦熱爐全部使用燒結(jié)礦的先河；②礦熱爐入爐還原劑采用部分蘭炭代替焦炭，最大比例達(dá)到60%；③入爐礦品種單一，成分穩(wěn)定，配料快捷，操作簡(jiǎn)單。

天元錳業(yè)密閉式錳硅礦熱爐生產(chǎn)入爐料配料匯總見(jiàn)表6。

根據(jù)表6統(tǒng)計(jì)可知：入爐礦除回爐渣及部分錳渣回用外，全部使用加納碳酸錳燒結(jié)礦，按平均值算高錳燒結(jié)礦占比65.1%，高鐵燒結(jié)礦占比26.1%，回爐渣占8.8%；還原劑由蘭炭代替部分焦炭，蘭炭的配入量達(dá)還原劑總量的60%；因加納礦堿度較適宜錳硅生產(chǎn)，入爐料白云石基本不用或少量調(diào)節(jié)時(shí)適當(dāng)添加少許。按平均值算，所有入爐料中錳礦占比71.8%，焦炭占比6.7%，蘭炭占比10%，硅石占比10.7%，白云石占比0.8%。

表6 密閉式錳硅礦熱爐生產(chǎn)入爐料配料匯總 kg

天元錳業(yè)密閉式錳硅礦熱爐生產(chǎn)錳硅產(chǎn)品化學(xué)成分見(jiàn)表7。

表7 密閉式錳硅礦熱爐生產(chǎn)錳硅產(chǎn)品化學(xué)成分 %

采用加納碳酸錳燒結(jié)礦冶煉錳硅合金爐前排出渣中錳含量平均在6.52%，優(yōu)于錳硅生產(chǎn)平均水平，隨著生產(chǎn)操作熟練程度的提升，該指標(biāo)仍有降低的空間，爐前錳硅干渣化學(xué)成分匯總見(jiàn)表8。

表8 爐前錳硅干渣化學(xué)成分 %

4 結(jié) 語(yǔ)

采用加納碳酸錳燒結(jié)礦生產(chǎn)錳硅合金工藝可行，入爐原料單一穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。與此同時(shí)，完全使用純加納碳酸錳燒結(jié)礦冶煉錳硅合金具有以下優(yōu)勢(shì)。

1)礦石品位穩(wěn)定，配料單一，有利于礦熱爐長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)，從而提高生產(chǎn)效率和金屬回收率。

2)燒結(jié)礦表面積大，強(qiáng)度高，透氣性好，對(duì)還原劑強(qiáng)度要求不高，可用蘭炭代替焦炭，并提高其使用量，從而大大降低冶煉成本。

3)礦石堿度適合于錳硅合金生產(chǎn)入爐要求，減少白云石生料配入量，降低冶煉電耗。

4)綜合利用園區(qū)生產(chǎn)廢渣，實(shí)現(xiàn)廢渣資源化循環(huán)利用，使其變廢為寶。