高成本礦價(jià)下的錳硅合金冶煉工藝研究

廖 智

（四川瑞城實(shí)業(yè)有限公司，四川 成都 610041）

國內(nèi)外各生產(chǎn)廠家對錳硅合金冶煉進(jìn)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(xiàn)面臨復(fù)雜的國際形勢，進(jìn)口礦開采、運(yùn)輸、價(jià)格等因素受限，給國內(nèi)冶煉生產(chǎn)成本和連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)帶來很大壓力。本文基于12500KVA礦熱爐設(shè)備改造等工作和有關(guān)工藝操作的要求，結(jié)合整體生產(chǎn)成本，采用國內(nèi)低價(jià)錳礦來冶煉錳硅合金，并對實(shí)際作業(yè)情況進(jìn)行總結(jié)。通過相關(guān)實(shí)踐證明，國內(nèi)低品位錳礦冶煉錳硅合金工藝的相關(guān)技術(shù)措施能得到有效控制，可有效降低生產(chǎn)成本。

1 提高和穩(wěn)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(yīng)溫度，因SiO2的還原溫度比MnO更高。但不同的冶煉方式，會(huì)造成爐內(nèi)不同區(qū)域的溫度出現(xiàn)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(yīng)還原溫度以及穩(wěn)定爐內(nèi)溫度。

一是需要合理設(shè)計(jì)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(zhì)決定，極心圓過大時(shí)爐心區(qū)溫度低，坩堝不易連通，對爐壁損害也大；而極心圓過小時(shí)，爐心溫度過高，火焰大，元素?fù)]發(fā)快，電極也不容易下插。因此采用極心區(qū)有功功率來作為參考指導(dǎo)，可對極心圓的大小及有功功率密度、極區(qū)能量強(qiáng)度進(jìn)行合理的判斷，從而提高和穩(wěn)定整體的爐內(nèi)溫度。礦熱爐中，極心圓內(nèi)是溫度最高處，也是發(fā)生還原的主要區(qū)域，溫度是決定整體爐況的關(guān)鍵，及時(shí)將高熔點(diǎn)物質(zhì)熔化，兩者均需保證足夠的有功功率密度，根據(jù)礦熱爐整體功率，確定電極極心圓大小，可以將極區(qū)有功功率密度設(shè)置在1000 kW/m2左右作為參考。二是合理設(shè)計(jì)礦熱爐爐膛直徑，保證爐內(nèi)達(dá)到有效的整體功率密度，對礦石熔融及還原反應(yīng)溫度提供保證，同時(shí)也起到維護(hù)均衡爐內(nèi)整體溫度的作用，將功率密度控制在400kW/m2左右，爐溫較穩(wěn)定。三是根據(jù)冶煉時(shí)間合理設(shè)計(jì)礦熱爐爐膛深度，為避免易造成熱散失、死料區(qū)形成和影響電極插入，要盡量避免低爐膛和高爐膛，此會(huì)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(xiàng)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)指標(biāo)的重要因素，根據(jù)堿度（CaO+MgO）/SiO2的計(jì)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(xiàn)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(huì)增加渣量，熔融電量增加，爐內(nèi)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(fā)粘，排渣困難且不徹底，易引起刺火翻渣，且爐渣導(dǎo)電性降低，礦熱爐功率無法達(dá)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(jìn)入渣中，嚴(yán)重影響金屬回收率。根據(jù)研究以及長期的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，堿度由0.2增大到0.6～0.8時(shí)，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(chǎn)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(dòng)性，又利于爐溫的提高，促進(jìn)SiO2的還原。

在此堿度區(qū)間下，盡量提高爐渣堿度，可有效的提升Mn的回收率，最終達(dá)到較為理想的冶煉目標(biāo)。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(chǎn)單位錳硅合金的渣量也就越小。這是由于進(jìn)入爐內(nèi)的Al2O3基本不參加還原，也不揮發(fā)，全部進(jìn)入爐渣，同時(shí)，Al2O3為中性氧化物，對爐渣的熔點(diǎn)、流動(dòng)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(chǎn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，為此在原料中引入Al2O3來調(diào)整冶煉渣，形成新的高Al2O3爐渣。根據(jù)Al2O3不參與還原的特點(diǎn)，通過研究計(jì)算（CaO+MgO)/Al2O3的比值與爐渣中Mn的關(guān)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(shí)要高，同時(shí)在爐渣中的Al2O3達(dá)到一定值后，渣量會(huì)明顯減少，此可減少渣中帶走M(jìn)n。經(jīng)對渣量與渣Mn量的測算，當(dāng)爐渣中的Al2O3在增加時(shí)，雖爐渣中的Mn較正常高，但爐渣量相應(yīng)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(tǒng)進(jìn)行了重新調(diào)整，在爐溫穩(wěn)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(jìn)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(shí)施創(chuàng)造了良好的條件，對Al2O3的應(yīng)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(chǎn)，為保證產(chǎn)品質(zhì)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(shí)，在冶煉中，入爐礦中綜合錳品位越高，各項(xiàng)指標(biāo)也會(huì)越好，基本決定著冶煉的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)指標(biāo)。在技術(shù)指標(biāo)、爐溫得到滿足的情況，對低渣比配礦進(jìn)行研究，因國內(nèi)的錳礦基本為中低品位礦，為達(dá)到基本的入爐品位，需搭配進(jìn)口高錳礦進(jìn)行調(diào)節(jié)。進(jìn)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(yùn)費(fèi)均達(dá)到礦價(jià)的25%，采用水陸聯(lián)運(yùn)可降低一半運(yùn)費(fèi)，因配船、裝船等因素，周期達(dá)一個(gè)半月，加上資金費(fèi)用也大致相當(dāng)。而錳硅合金市場波動(dòng)性大，長周期對成本適應(yīng)性較差，為降低成本，一般作為補(bǔ)充、調(diào)節(jié)用礦。

在上述基礎(chǔ)上，配礦不僅滿足技術(shù)指標(biāo)，還要考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，給冶煉帶來較大的局限性，通過生產(chǎn)實(shí)踐，現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到要求。在計(jì)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(jìn)行比較，以最高入爐錳含量、最合理、最經(jīng)濟(jì)的配比進(jìn)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(jìn)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(jié)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(dú)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(fèi)。二是生熟料搭配使用，保障熔融速率。因技術(shù)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(yīng)的匹配，避免浪費(fèi)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(jié)礦或富錳渣，也可適當(dāng)搭配部分冶煉渣。三是減少高成本進(jìn)口高錳礦使用量，降低生產(chǎn)成本。全部使用國內(nèi)錳礦作為原料是無法滿足合格的錳硅合金生產(chǎn)，必須采用進(jìn)口高錳礦以穩(wěn)定綜合入爐礦石品位，并由原來的主料作為輔料，進(jìn)口礦比例控制在20%左右。

錳硅合金的生產(chǎn)工藝的原料配比是一個(gè)既簡單又復(fù)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(jié)構(gòu)如礦石粒度，理化指標(biāo)等因素的影響，然后通過補(bǔ)充計(jì)算和設(shè)定參數(shù)值的方法，從礦石成分上可達(dá)到充分合理利用，最終可達(dá)到以降低生產(chǎn)成本，改善生產(chǎn)效果，取得最好的經(jīng)濟(jì)效益。錳礦經(jīng)過合理配料后，入爐錳含量適當(dāng)時(shí)，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(bǔ)充少時(shí)，也就提高了錳含量，而且彌補(bǔ)了單用錳礦石含錳量來評價(jià)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(jìn)口高錳礦用量降低了60%以上。

4 嚴(yán)控操作和用電制度

現(xiàn)不同單位的Mn和Si的還原率相差還是很大，單項(xiàng)差異可達(dá)40%。產(chǎn)生差異的根本原因是礦熱爐設(shè)備參數(shù)和電氣操作制度的不同造成爐內(nèi)熔池反應(yīng)區(qū)的溫度差別較大，個(gè)別地方可能會(huì)形成集中高溫區(qū)。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(shí)現(xiàn)低渣比操作的關(guān)鍵。為使礦熱爐穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)保持三次出爐間電極頂端位置有一個(gè)穩(wěn)定移動(dòng)，以便在爐內(nèi)有穩(wěn)定的還原反應(yīng)區(qū)，并有恒定有功功率的輸人。要達(dá)到上述要求，采用恒定電流的操作方式不妥當(dāng)。在實(shí)際生產(chǎn)中，爐前儀表工是根據(jù)電極把持器的位置，采取電極電流先升后降的控制模式，實(shí)現(xiàn)恒功率操作。要保證穩(wěn)定的冶煉溫度，冶煉過程的操作和用電必須控制，因?yàn)樵诘V石入爐到合金出爐整個(gè)周期內(nèi)，礦石和熔渣中的錳和硅是同步進(jìn)行還原的，溫度的保障是關(guān)鍵，既能提供穩(wěn)定的進(jìn)行礦石融化環(huán)境和有效的還原溫度，也可為爐底的爐渣和成品提供穩(wěn)定的氣氛，整個(gè)過程要盡量避免集中高溫，造成錳氣化揮發(fā)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?fàn)t氣外逸時(shí)可充分與爐料接觸，吸收部分揮發(fā)的錳，減少損失，提高回收率。所以在實(shí)際操作過程中，需嚴(yán)格控制相關(guān)過程，一是科學(xué)的確定冶煉周期，根據(jù)礦熱爐功率、爐內(nèi)體積、錳硅還原程度，確定冶煉周期，也可以根據(jù)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(jìn)行梯度調(diào)節(jié)功率；三是減少起停電次數(shù)，保障爐內(nèi)溫度的持續(xù)穩(wěn)定；四是電極插入爐料深度和升降時(shí)間控制，滿足爐內(nèi)的溫度要求；五是控制爐料高度，即滿足冶煉需求也可防止?fàn)t內(nèi)能量散發(fā)和提前對礦石進(jìn)行預(yù)熱，冶煉過程中及時(shí)對爐面周圍的燒結(jié)和硬塊清理，使?fàn)t料冒火均勻。

5 結(jié)語

經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐，生產(chǎn)指標(biāo)控制較好，在礦石成本價(jià)高的情況下，充分利用國內(nèi)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(dá)到了55%左右，Mn的回收率最高可達(dá)到91%左右，平均礦耗2.5t/t，冶煉綜合電耗低于4200kWh/t，日均產(chǎn)量可以高達(dá)70t，綜合成本得到有效控制。根據(jù)最新頒布的鐵合金單位產(chǎn)品能源消耗限額標(biāo)準(zhǔn)，錳硅合金冶煉限定電耗不僅進(jìn)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(biāo)要求。