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(jì)80年代開(kāi)始探索轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中使用錳礦進(jìn)行直接合金化技術(shù)以來(lái),日本鋼企通過(guò)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(guó)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(yàn)結(jié)果表明,錳收得率一般波動(dòng)在5~25%之間,經(jīng)濟(jì)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M(fèi)n進(jìn)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(diǎn)[C]含量低和轉(zhuǎn)爐終渣氧化性高等因素對(duì)氧化錳熔融還原反應(yīng)不利的影響,從而提高金屬M(fèi)n的收得率。
　　本文對(duì)比分析了以天然錳礦和富錳渣為原材料的含碳?jí)簤K自還原過(guò)程規(guī)律,并對(duì)自還原過(guò)程中金屬M(fèi)n的揮發(fā)特性及抑制措施進(jìn)行探討,在此基礎(chǔ)上通過(guò)中頻感應(yīng)爐模擬轉(zhuǎn)爐直接合金化過(guò)程,對(duì)直接合金化過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)建模計(jì)算。分析直接合金化過(guò)程對(duì)爐內(nèi)溫降的影響,提出進(jìn)行錳礦直接合金化工業(yè)性生產(chǎn)的方案與建議。
　　(1)通過(guò)天然錳礦含碳

3、壓塊自還原試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):壓塊內(nèi)C/O為1.2時(shí)最為合適;還原溫度對(duì)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(guò)程分為2個(gè)階段。在還原前期反應(yīng)速率受化學(xué)反應(yīng)控制,其動(dòng)力學(xué)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(kuò)散速度控制,其動(dòng)力學(xué)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(jìn)行置換

4、生成游離態(tài)MnO以提高其還原性。富錳渣含碳?jí)簤K自還原試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)壓塊內(nèi)C/O為1.2、堿度為1.0時(shí)錳的還原率可達(dá)到90%以上;適當(dāng)?shù)募尤胫蹌?CaF2可加速其還原,縮短還原時(shí)間。對(duì)富錳渣含碳?jí)簤K還原過(guò)程中動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析,通過(guò)計(jì)算得到化學(xué)反應(yīng)表觀活化能為24.07kJ/mol;內(nèi)擴(kuò)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(dòng)力學(xué)方程可表示如下。
　　(3)通過(guò)天然錳礦與富錳渣壓

5、塊的自還原試驗(yàn)對(duì)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(shí),天然錳礦壓塊中氧化錳與氧化鐵還原失氧度約為70%,金屬M(fèi)n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M(fèi)n揮發(fā)率約為7.2%;
　　(4)通過(guò)富錳渣含碳?jí)簤K自還原過(guò)程中金屬 Mn揮發(fā)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):在自還原過(guò)程中,金屬M(fèi)n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(diǎn)降低,液渣生成的時(shí)間縮短,從而抑制了金屬M(fèi)n的揮發(fā),當(dāng)壓塊中加入5%CaF2時(shí)還原至10min,金屬M(fèi)n的揮發(fā)率降低約40%。采用收縮未反應(yīng)核模型對(duì)C/O為1.2、堿度為1.0、CaF2為5%的富錳渣含碳?jí)簤K還原過(guò)程中金屬M(fèi)n的揮發(fā)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明在前5min內(nèi)金屬 Mn的揮發(fā)速率同時(shí)受到化學(xué)反應(yīng)和內(nèi)擴(kuò)散速率控制,化學(xué)反應(yīng)表觀活化能為24.99kJ/mol,內(nèi)擴(kuò)散表觀活化能為29.23kJ/mol。在還原至5~10m

7、in時(shí)金屬 Mn的揮發(fā)速率主要由內(nèi)擴(kuò)散速率控制,此時(shí)內(nèi)擴(kuò)散表觀活化能為219.79kJ/mol。通過(guò)對(duì)比前后內(nèi)擴(kuò)散表觀活化能可以看出在還原后期擴(kuò)散阻力要遠(yuǎn)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(guò)程,試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):富錳渣壓塊在直接合金化過(guò)程中金屬M(fèi)n的收得率在30%~70%波動(dòng),波動(dòng)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(guò)程的耦合動(dòng)力學(xué)模型,采用 Matlab對(duì)模型進(jìn)行編程

8、計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明:降低轉(zhuǎn)爐渣量和爐渣氧化性對(duì)提高壓塊中金屬M(fèi)n收得率具有明顯的效果。因此,在轉(zhuǎn)爐實(shí)際操作過(guò)程中應(yīng)該控制渣量,并避免轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)低拉碳,降低爐渣氧化性;
　　(6)將轉(zhuǎn)爐直接合金化時(shí)壓塊熔化反應(yīng)過(guò)程分為三個(gè)階段,計(jì)算每個(gè)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(shí)100kg壓塊加入時(shí)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。