錳礦自還原壓塊轉(zhuǎn)爐直接合金化基礎(chǔ)研究.pdf

1、自從20世紀80年代開始探索轉(zhuǎn)爐冶煉過程中使用錳礦進行直接合金化技術(shù)以來,日本鋼企通過鐵水“三脫”和轉(zhuǎn)爐少渣冶煉手段將錳的收得率穩(wěn)定在70％左右。但我國轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝與日本存在本質(zhì)區(qū)別,各廠的工業(yè)試驗結(jié)果表明,錳收得率一般波動在5~25%之間,經(jīng)濟效益不明顯。本課題提出了一種新的轉(zhuǎn)爐用錳礦自還原壓塊直接合金化方法,在轉(zhuǎn)爐吹煉結(jié)束后將錳礦自還原壓塊加入爐內(nèi),壓塊內(nèi)MnO被固態(tài)碳快速還原生成金屬Mn進入鋼中,減小了傳統(tǒng)錳礦直接合金化工藝中因轉(zhuǎn)

2、爐渣量大、終點[C]含量低和轉(zhuǎn)爐終渣氧化性高等因素對氧化錳熔融還原反應(yīng)不利的影響,從而提高金屬Mn的收得率。
　　本文對比分析了以天然錳礦和富錳渣為原材料的含碳壓塊自還原過程規(guī)律,并對自還原過程中金屬Mn的揮發(fā)特性及抑制措施進行探討,在此基礎(chǔ)上通過中頻感應(yīng)爐模擬轉(zhuǎn)爐直接合金化過程,對直接合金化過程中的動力學建模計算。分析直接合金化過程對爐內(nèi)溫降的影響,提出進行錳礦直接合金化工業(yè)性生產(chǎn)的方案與建議。
　　(1)通過天然錳礦含碳

3、壓塊自還原試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):壓塊內(nèi)C/O為1.2時最為合適;還原溫度對壓塊的還原度影響不大;助熔劑 CaF2能有效提高還原前期的還原速率。根據(jù)還原結(jié)果可將還原過程分為2個階段。在還原前期反應(yīng)速率受化學反應(yīng)控制,其動力學方程為:1-(1-ξ)1/3=11.14e-28850/RTt;在反應(yīng)后期反應(yīng)速率受CO在試樣內(nèi)部擴散速度控制,其動力學方程如下所示。
　　(2)富錳渣中錳主要以2MnO·SiO2的形式存在,需要添加適量的CaO進行置換

4、生成游離態(tài)MnO以提高其還原性。富錳渣含碳壓塊自還原試驗結(jié)果表明:當壓塊內(nèi)C/O為1.2、堿度為1.0時錳的還原率可達到90%以上;適當?shù)募尤胫蹌?CaF2可加速其還原,縮短還原時間。對富錳渣含碳壓塊還原過程中動力學進行分析,通過計算得到化學反應(yīng)表觀活化能為24.07kJ/mol;內(nèi)擴散表觀活化能為107.55kJ/mol,壓塊還原反應(yīng)速率由CO氣體在產(chǎn)物層中的傳質(zhì)決定,其動力學方程可表示如下。
　　(3)通過天然錳礦與富錳渣壓

5、塊的自還原試驗對比發(fā)現(xiàn),富錳渣壓塊比天然錳礦壓塊還原得更加充分。在不添加助熔劑的情況下還原至10min左右時,天然錳礦壓塊中氧化錳與氧化鐵還原失氧度約為70%,金屬Mn揮發(fā)率約為8.3%;富錳渣壓塊中氧化錳的還原率約為90%,其金屬Mn揮發(fā)率約為7.2%;
　　(4)通過富錳渣含碳壓塊自還原過程中金屬 Mn揮發(fā)試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):在自還原過程中,金屬Mn的揮發(fā)速率在還原前3min最大,而后隨著液渣量增加而逐漸降低。CaF2的加入使得爐渣

6、熔點降低,液渣生成的時間縮短,從而抑制了金屬Mn的揮發(fā),當壓塊中加入5%CaF2時還原至10min,金屬Mn的揮發(fā)率降低約40%。采用收縮未反應(yīng)核模型對C/O為1.2、堿度為1.0、CaF2為5%的富錳渣含碳壓塊還原過程中金屬Mn的揮發(fā)動力學進行分析計算,計算結(jié)果表明在前5min內(nèi)金屬 Mn的揮發(fā)速率同時受到化學反應(yīng)和內(nèi)擴散速率控制,化學反應(yīng)表觀活化能為24.99kJ/mol,內(nèi)擴散表觀活化能為29.23kJ/mol。在還原至5~10m

7、in時金屬 Mn的揮發(fā)速率主要由內(nèi)擴散速率控制,此時內(nèi)擴散表觀活化能為219.79kJ/mol。通過對比前后內(nèi)擴散表觀活化能可以看出在還原后期擴散阻力要遠比前期大;
　　(5)在25kg中頻感應(yīng)爐內(nèi)模擬轉(zhuǎn)爐直接合金化過程,試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):富錳渣壓塊在直接合金化過程中金屬Mn的收得率在30%~70%波動,波動范圍較大。以鋼中[Mn]和渣中(MnO)的傳質(zhì)方程為基礎(chǔ),建立了直接合金化過程的耦合動力學模型,采用 Matlab對模型進行編程

8、計算,計算結(jié)果表明:降低轉(zhuǎn)爐渣量和爐渣氧化性對提高壓塊中金屬Mn收得率具有明顯的效果。因此,在轉(zhuǎn)爐實際操作過程中應(yīng)該控制渣量,并避免轉(zhuǎn)爐終點低拉碳,降低爐渣氧化性;
　　(6)將轉(zhuǎn)爐直接合金化時壓塊熔化反應(yīng)過程分為三個階段,計算每個階段的最大吸收熱能,由此建立了渣量為60kg/t、出鋼量為100t時100kg壓塊加入時爐渣與鋼液的最大溫降公式如下:爐渣最大溫降: T渣max=12.6℃/(100kg);鋼液最大溫降也可表示。