中低碳锰铁生产方法及其冶炼原理

中低碳锰铁生产方法主要有电硅热法、摇炉法和吹氧法三种，均采用间断式操作。

1.电硅热法

电硅热法冶炼中低碳锰铁的实质是用矿热炉生产的锰硅合金中的硅作为还原剂，在精炼炉内还原矿石中的氧化锰，待合金中的硅降到规定限度后，其产品即为中低碳锰铁。

配入炉料的锰矿石在受热过程中，锰的高价氧化物随着温度的升高逐步分解，变成低价氧化物。

锰矿受热分解生成Mn₃O₄以后，在继续升温的同时，部分高价氧化物直接与硅反应生成低价氧化物和锰金属，其反应为

2Mn₃O₄+Si=6MnO+SiO₂ (1)

Mn₃O₄+2Si=3Mn+2SiO₂  (2)

没有还原的Mn₃O₄,热分解生成MnO,熔化进入炉渣中。继续被合金熔液中的硅还原。其反应式为

2MnO+Si=2Mn+SiO₂ (3)

由于反庆生成物SiO₂与MnO结合生成(MnO•SiO₂)，造成反应物MnO的活度降低，正向反应变得困难，为国提高MnO的还原效果，提高锰的回收率，需要在炉中配入一定量的石灰，将MnO从硅酸盐中置换出来，其反应式为

CaO+MnOSiO₂=MnO+CaOSiO₂ (4)

2CaO+MnO•SiO₂=MnO+2CaO•SiO₂ (5)

炉渣碱度与MnO活度系数的关系如下表所示。 

 2.摇炉法

摇炉法冶炼中低碳锰铁是20世纪70年代后才发展起来的一种节能冶炼新技术，其中摇炉用于中低碳锰铁预炼的方法称为摇炉电炉法，摇炉用于直接产出中低碳锰铁的方法作摇炉硅热法。

 (1)摇炉电炉法

摇炉电炉法是摇炉冶炼应用的主要方法，实行摇炉电炉法的基本前提是三炉联动，生产流程如图1所示。

首先将精炼炉副产品中锰渣兑入摇炉，再将矿热炉生产的液态锰硅合金兑入摇炉。

以55~60r/min的转速晃动摇炉，在良好的动力学条件下，利用锰硅合金中的硅还原锰渣中MnO,反庆切换释放的化学热保证冶炼正常进行，其化学反应方程式见反应(3).待渣中MnO贫化到规定要求后倾炉，倒出的废渣经水淬后用于生产建材，液态合金对入精炼炉直至炼出合格的中碳锰铁；精炼炉内的化学反应与电硅热法相同。

(2)摇炉硅热法

摇炉硅热法生产中低碳锰铁由日本水岛铁合金首创并投入正规化生产，我国也有两家铁合金厂进行试验并获得成功。它是先将在竖炉内预热到600~800℃的锰矿石和石灰放入摇炉，然后兑入矿热炉生产的液态锰硅合金，开始摇炉，摇速为1~65r/min,操作时视炉内化学反应的激烈程度 而逐步提高摇速，锰氧化物的主要还原反应式为

2Mn₂O₃+Si=4MnO+SiO₂
2MnO+Si=2MnO+SiO₂

 脱硅反应中大部分夺是在热兑锰硅合金的过程中完成，小部分是靠摇炉的充分搅动继续完成。待合金中的硅基本上氧化完毕，反应趋于平静时倾炉，倒出的渣液冷凝后破碎供矿热炉冶炼锰硅合金使用。液态合金浇铸后分牌号精整堆存。

3.吹氧法

(1)吹氧脱碳法

吹氧脱碳法生产中低碳锰铁以高炉或矿热电炉冶炼的液态高碳锰铁为原料，热兑到转炉中，通过氧枪吹入氧气，氧化高碳锰铁中的碳的冶炼过程。1975~1978年在国内进行了工业试验获得成功。

当环境温度低于1300℃时，高碳锰铁各元素的氧化物稳定性依Si,Mn,C,P,Fe顺序排列，随着温度升高，排列顺序发生改变；吹氧脱碳法就是利用温度高于1670℃以上时CO的稳定性大于Si,Mn,Fe的氧化物这一原理，在抑制Mn元素过量氧化的基础上脱碳保锰，生产中低碳锰铁。

 吹氧脱碳法的主要化学反应式为

各元素氧化反应自由能变化与温度的关系如图2所示。

在吹炼过程中合理的温度控制是关键，熔池温度低于1550℃时主要是碳和锰元素氧化入渣；溶池温度高于1850℃时锰元素挥发在4%以上，特别是在中心氧焰区液面温度高达2200~2700℃，造成锰元素大量挥发。实际生产要求熔池温度控制在1650~1850℃范围内，温度过高时应加冷却剂(中碳锰铁)。吹炼结束时，锰元素氧化入渣量约占高碳锰铁带入锰量的30%左右，需添加锰硅合金进行后期处理，出炉的合金待镇静冷却后浇铸，渣液待冷却后破碎返至锰硅合金冶炼车间使用。

 (2)吹氧脱硅法

 吹氧脱硅法是以矿热电炉生产的液态锰硅合金为原料热兑入转炉，通过氧枪吹入氧气氧化锰硅合金中的硅，制取中低碳锰铁。其操作工艺与吹氧脱碳法相似。1978年国内进行液态锰硅合金吹氧脱硅炼制中低碳锰铁试验获得成功。吹炼过程中炉温需控制在1500~1600℃。渣液碱度在1.5~1.6，为此需要不断加入干燥锰矿石、煅烧石灰和萤石等配合料造渣控温，待吹至样品含硅量合格后出炉浇铸，高碱度中锰渣排弃。

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