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錳系鐵合金“錳”的屬性及特性(二)

五、硅錳合金

  普通硅錳合金是煉鋼的復合脫氧劑和合金劑,部分用于生產中低錳;髙硅硅錳合金是冶煉金屬錳、低微錳還原劑,也是不銹鋼煉鋼合金劑和脫氧劑(代替金屬錳、電解錳、硅鐵)。硅錳是一種很好脫氧劑,其脫氧產物為低熔點的硅酸錳Mn2SiO4和MnSiO3,其熔點分別為1270℃和1327℃,都比硅酸鐵低,其脫氧產物容易上浮,硅酸錳表面張力比硅酸鐵大;錳還能提高硅的脫氧能力,與單獨使用硅、錳脫氧時硅錳燒損率低。錳回收率與錳礦入爐品位有關,接近于正比關系,品位高收率高。錳含量較高中低碳錳鐵渣及高碳錳鐵渣可以作為硅錳或髙硅原料使用。硅鐵渣或硅鐵可以作為硅錳生產原料及還原劑,提高合金硅及降低電耗、焦炭、硅石消耗(硅還原是放熱反應)。

 1、冶煉原理:爐料中鐵和磷先被還原,爐料中錳的高價氧化物在上層分解或被一氧化碳還原成低價氧化物,低價氧化物再與碳作用生成碳化物,反應如下:

               (MnO) + (1 +X )C = MnCX  + CO

   隨著爐料下沉進入高溫區,碳還原SiO2的反應開始進行。

                 SiO2  +  2C  =  Si  +  2CO

   由于爐料中已生成碳化錳,被還原硅與碳化錳作用而生成硅錳合金。

               (SiO2)  +  2C  +  (MnCX) = Mn.Si.CX  +  2CO

   當合金的硅含量低于23.5%,硅破壞碳化物反應式:

               (Mn,Fe)7C3  +  7Si = 7(Mn.Fe)Si + 3C

   當合金的硅含量>23.5%較高時,則硅破壞碳化物的反應式是:

               (Mn,Fe)7C3  +  10Si = 7(Mn.Fe)Si + 3SiC

2、操作原理:錳和硅都是從液態硅酸錳中還原出來的,由于SiO2比MnO難還原得多,所以在保證SiO2足夠還原的條件下,即使爐渣堿度不高或不合適,氧化錳的還原也是充分的。低堿度下,有利于SiO2還原,但爐渣粘度會增大不易從爐內排出;堿度低導電性下降,影響電功率在爐膛內的均勻分布,從而導致高溫反應區縮小,影響SiO2充分還原。在錳礦穩定的條件下,爐渣堿度高低取決于SiO2多少即硅的還原率,提高SiO2的還原率可以降低渣中Mn含量(SiO2降低后形成硅酸錳則少,堿度高形成硅酸鈣SiO2也減少,即形成硅酸錳少),如果自然堿度過低需要外加含CaO熔劑,依靠外加也可以提高堿度,但渣量增加。SiO2還原率高低決定爐渣堿度高低。利用率低大量SiO2進入渣中,提高堿度較難(即使外加CaO);反之,SiO2進入渣中少提高堿度比較容易。在冶煉硅錳合金溫度范圍內(1400-1600℃)時,高Ai2O3的硅錳爐渣其粘度和導電率都低于普通硅錳合金爐渣。從硅錳合金爐膛解剖和出鐵時排碳現象都證實,爐膛渣層上面有一焦炭層,該層對加速還原反應和電功率的均衡分布起重要作用,隨著爐料過剩碳的積累,焦炭層過厚,會引起電極上抬,所以出鐵時排碳是正常和必要的。降低硅錳電耗和提高回收率的主要途徑是降低渣鐵比,控制好爐渣堿度,渣鐵比每降低0.1電耗降低90度。降低渣鐵比主要措施是提高SiO2、MnO的還原率,適當采用含Ai2O3高的錳礦。礦選定后,進入渣中MgO、CaO、Ai2O3與礦中自然含量有關,Ai2O3高爐渣熔點高,導電性差,有利于電極深插及使用高電壓提高爐溫,進而為提高SiO2、MnO還原率創造條件。

六、錳系產品的幾種精煉方法

 中碳錳鐵和低碳錳鐵統稱精煉錳鐵。生產方法有兩種:脫碳法(轉爐吹氧法)、脫硅法。脫碳法是在轉爐內用氧氣把高碳錳鐵里的碳氧化掉,變成精煉錳鐵 (一般比較適用于中碳);脫硅法是在電爐內用錳礦中的氧化物把硅錳合金中的硅氧化掉,變成精煉錳鐵(中低錳都適用)。

1、脫碳法:脫碳法精煉錳鐵是用高碳錳鐵做原料(通常使用液態高碳錳鐵),在轉爐內吹氧脫碳,得精煉錳鐵。目前國外使用脫碳法生產精煉錳鐵的方法有4種:美國法:采用轉爐頂吹底吹氧氣脫碳后加白灰和硅鐵還原渣中的氧化錳,錳回收率80%。德國法:底吹氧氣脫碳后加白灰和硅鐵還原渣中的氧化錳,錳回收率91.8%。法國法:先用底吹氧氣加水蒸氣脫碳,然后吹氬氣脫氫,最后加硅鐵硅錳合金還原渣中錳。錳的回收率91.5%。日本法:上部吹氧氣,下部吹惰性氣體(氬氣、氮氣、二氧化碳),最后通過底部噴入硅錳、硅鐵、鋁粉和熔劑還原渣中錳,錳的回收率88%。錳鐵脫碳法主要優點是:可以把高爐或電爐生產的高碳錳鐵精煉成精煉錳鐵,生產過程基本不需要電,其缺點是錳的揮發損失大,特別是低錳,需要的精煉溫度高及精煉時間長。其生產關鍵是:盡量降低脫碳溫度、加強熔池攪拌和減少錳與空氣接觸,以減少錳的揮發損失。

2、脫硅法:無熔劑法:將液態硅錳加入電爐內,加錳礦進行脫硅精煉,加少量或不加熔劑,當合金含硅量滿足要求時出爐,爐渣韓夢30%以上,此渣用于冶煉硅錳合金,此法的優點是生產流程簡單,電耗低(500)。其缺點是在精煉過程中,大部分硅將消耗于還原Fe2O3,P2O5和將錳的高價氧化物還原成低價氧化物(MnO大于40%),因此,硅的利用率低,精煉錳鐵的礦耗量和硅錳合金消耗量大,全過程耗電量大。無熔劑法或小熔劑法可以不采用電爐而使用搖包生產精煉錳鐵:將優質錳礦熔劑(白灰、螢石)用煤氣預熱到500℃去除水分,裝入搖包,然后往搖包中慢慢注入液態硅錳合金,啟動搖包,反應基本結束時將渣子倒掉,二次加入錳礦、熔劑繼續搖包降硅,當硅合格后,加入少量硅鐵還原渣中MnO,繼續搖包幾分鐘出爐。此法優點:沒有局部高溫區,錳的揮發損失少;不用電爐,沒有電極增碳現象;反應速度快,熱損失少,生產率高。渣中含錳在26%左右,三元堿度在1左右,適于冶煉硅錳合金。熔劑法生產精煉錳鐵時將固態的硅錳合金或液態硅錳合金、錳礦和溶劑石灰加入電爐內,通電熔化,進行脫硅,當含硅小于要求值時,則硅錳合金變成了精煉錳鐵。錳礦大部分以MnO2存在,受熱后分解為Mn3O4,與Si反應生成MnO。2MnO  +  Si  =  2Mn  +  SiO2。SiO2與MnO結合成硅酸鹽,不利于MnO還原,加入CaO后形成硅酸鈣,從而使MnO活度增加,使反應得以進行。隨著堿度增加MnO活度增加。熔煉過程分為:補爐、引弧加料、熔化、精煉和出爐。熔煉過程分為:補爐、引弧加料、熔化、精煉和出爐。爐料基本熔清后,進入精煉期,此時脫硅速度較慢,因而加強攪拌(機械或空氣)并從熔池取樣判斷錳鐵含硅量,合格后出爐。根據試樣表面和斷口的特征判斷含硅量:當Si>2%時,式樣冷凝速度慢,表面光滑沒有皺紋,產生的黑皮自行剝落,斷口亮,呈玻璃狀;當Si<2%時,試樣冷凝速度快,表面有皺紋,黑皮不脫落,合金斷口暗且有細粒結晶,含硅越低,上述特征愈明顯。各種純凈氧化物熔點:SiO2-1650℃  MgO-2852℃  CaO-2580℃  Ai2O3-2045℃。爐渣堿度高低判斷:堿度高時,化料速度慢,爐墻掛渣多,爐口冒棕色濃煙,出鐵時爐渣黏在出鐵口上,堵眼困難;堿度低時,化料速度快,爐墻光潔,可見磚縫,渣流大,出鐵順暢,過低堿度影響爐襯壽命。熔化期需要熱量多,要給滿負荷,以加速熔化;精煉期需要熱量少,應降低負荷,以減少熱量消耗和錳的揮發損失。中低碳錳鐵采用鋼包掛渣出爐,如果鐵水掛包,可以采用掛渣熱包出爐,即第二個鋼包出爐后渣不倒掉,下一爐出爐時放在第一個位置,直接出渣接鐵,新出渣鐵將原有鋼包里渣置換出來,因其溫度較高從而不掛鐵,減少鐵掛包。

3、爐外精煉:目前爐外精煉大致有以下幾種方法:錳礦加白灰爐外加熱(預熱),其量為正常生產1/3-1/2,加入搖包,再加入液態硅錳合金,啟動搖包,至反應基本完畢,將渣倒掉,合金加入精煉爐(含硅12以上)再加錳礦白灰精煉,此法減少爐內脫硅時間及增加爐襯壽命,降低電耗、硅錳單耗、提高中錳錳含量、提高錳回收率。中碳錳鐵出爐后,將其渣導入搖包,再加液態硅錳,反應結束后將渣(錳小于5),倒掉,合金加入精煉爐,加錳礦白灰精煉,合格出爐。此法錳礦白灰在爐內加入少,加快了精煉速度,降低電耗,提高效率。將含錳10-40%爐渣兌入搖包,然后加還原劑(硅、鋁、硅鈣合金)及造渣料,可以生產較純的錳鐵。(以上還原劑均為反熱反應還原劑,加入其后通過反應產生熱量可以滿足自身反應所需熱量)。


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