简析提高硅回收率在硅锰合金生产中的重要意义

简析提高硅回收率在硅锰合金生产中的重要意义12/29/2009近年来，国内众多铁合金生产厂家在实现低渣比冶炼锰硅合金方面进行了深入探索与实践，虽然在供电制度、原料要求、渣型选择等方面仍有许多分歧，但普遍认为，低渣比冶炼硅锰铁合金的效果与电炉参数，供电制度，原料物化性质，炉前操作制度有关。提高炉渣中MnO、SiO2的还原率，尤其是通过提高Si的回收率来降低渣量是实现硅锰生产低渣比冶炼的关键。现结合我司二分12500KVA电炉硅锰实际生产就SiO2还原及不加硅石冶炼的条件作初步探讨，不当之处，请大家批评指正。1、影响SiO2还原的因素锰硅合金冶炼降低渣铁比，首先要提高主元素的回收率。矿热炉内硅锰合金的反应可简单表示如下：(MnO)+C=[Mn]+CO△G0=268990-183.5T(J)(SiO2)+2C=[Si]+2CO△G0=700870.32-361.74T(J)显然，提高反应温度才能促使渣中MnO和SiO2组分最大程度还原入合金，并且SiO2比MnO要求更高的还原温度，由于硅锰合金冶炼属于有渣法冶炼，必然涉及炉渣碱度对硅锰元素在渣合金熔体中的分配平衡问题，即：2(MnO)+[Si]=(SiO2)+2[Mn]文献研究1400-1500℃范围，渣的碱度与表观平衡常数Kb之间的关系，其结果如下：lgKb=1.575B0.893+0.88式中Kb=[(ɑMn)2×ɑSiO2]/[ɑSi×（ɑMnO）2]现根据以上化学反应热力学条件从以下几方面进行粗浅分析：1．1供电制度与电炉参数铁合金电炉要取得较好的冶炼效果，在原料条件、设备状况相对稳定的前题下，根据设备参数、原料条件合理地选择供电制度，通过选取合适的二次电压、二次电流、有功功率，使电炉熔池功率、极心圆功率密度达到较理想状态，并保持电极足够的有效工作端长度，最终确保电炉主要技术经济指标达到较好水平。近年来，为进一步改善冶炼指标，生产厂家大多在优化供电制度上进行大量尝试(因电炉几何尺一般不可调或可调范围较小)，取得一定效果。由于电炉原料等方面原因，按常规电气、工艺参数进行冶炼生产，往往不能取得满意的效果。实际上，目前很多冶炼工作者在实践中逐步认同了电炉超负荷运行的观念，通过提高炉膛功率密度和极心圆功率密度，强化冶炼反应，促使主元素还原，保证较好的综合指标。但极心圆功率密度并不是越高越好，过高会造成电极不好下插、三角区耐火材料侵蚀加快、元素挥发损失加大。国内数台铁合金电炉实测数据表明，极心圆功率密度选在2000KW/㎡比较合适，我司二分厂12500KVA电炉极心圆功率密度2527KW/㎡，显得过高了些，这也是造成长期生产电极难下的主要原因。以下是二分厂锰硅电炉与国内某厂实际运行数据表。表1锰硅电炉常用运行参数和回收率指标(入炉Mn:34%)生产厂家我司国内某公司电炉容量/KVA145001250016500有功功率/KW150001214014893二次电压/V149136142二次电流/A561855154961859炉膛直径/mm580058206420炉膛深度/mm240019102500极心圆直径/mm275026503000极心圆功率密度/(KW/㎡)252722022108单位电耗/（KWh/t）4200-44504055-44504035-4380Mn回收率/%8577-8178-82Si回收率/%50-6041-5845-581．2渣型选择长期以来，人们对终渣渣型的选择进行了大量研究和实践。一般认为，合理的锰硅合金炉渣应具有适宜的熔化温度、过热度、流动性、导电性、导热性等物理性质和较好的还原性能。通常把碱度作为选择锰硅合金渣型的重要参数，当前碱度的取值范围尚无定论，但大多认为在0．6～0．8之间(三元碱度)为宜。碱度过高，炉渣导电性增强，不利于电极下插。从上面反应式知道，随着终渣碱度提高，平衡常数Kb增大，渣中MnO浓度下降。但终渣中MnO含量的高低不能完全反应Mn回收率的高低，因为终渣碱度是由炉料配入的熔剂量和渣中SiO2还原程度决定的，依靠CaO,MgO加入提高碱度，虽然渣锰下降，但渣量大，锰的实际回收率并不高，碱度过高相反还制约了SiO2的还原，因此要提高锰回收率，则必须提高硅的回收率，减少熔剂加入量，降低渣铁比。炉渣中的Al2O3，具有提高炉渣熔点和稠化炉渣的作用。在同一温度下，增加Al2O3含量将降低炉渣的导电性，有助于电极下插（见图一）。硅锰炉渣粘度与成分、温度的关系图（见图二）说明，在等温条件下，提高Al2O3含量，将增大炉渣粘度。高铝渣与低铝渣在低温条件时粘度相差很大，而高温粘度差别不大。生产实践表明，在碱度相同条件下，终渣中Al2O3含量增高，合金中Si含量也容易提高。图表1Al2O3-SiO2-CaO渣系的导电率（γ，×10-2Ω-1。m-1）（1600℃）图表2硅锰炉渣粘度与成分、温度的关系1．3炉料搭配1．3．1锰矿锰矿搭配，首先应当满足合金生产要求，其入炉锰品位、Mn／Fe、P／Mn、S／Mn等要合适。若要实现无硅石冶炼锰硅，则混合锰矿中有足够的SiO2。关于入炉锰矿中铝锰比的问题，不能依靠提高入炉Al2O3来实现终渣高铝渣的目的，而是如果入炉Al2O3低，而终渣中Al2O3高，则说明MnO和SiO2还原充分，使Al2O3、CaO、MgO等组分得到富集，而最终得到高铝渣，实现低渣比操作。由于从锰矿等原料中带入的Al2O3、CaO、MgO等几乎全部人渣，如果不外加熔剂，则该3种组分在原料中的比例与终渣中比例应当一致。只是因MnO和SiO2还原率不同，而使终渣中Al2O3、CaO、MgO质量分数(百分含量)不同。如前所述，高铝渣与低铝渣在低温条件时粘度相差很大，而高温粘度差别不大。当炉温大于1500℃时，w(Al2O3)为12％的炉渣与w(Al2O3)为21％的炉渣粘度相差不到1Pa·s；炉渣温度足够高时，炉渣粘度不再成为反应趋于平衡的障碍。因而，搭配锰矿时，铝锰比值可不作考虑。但搭配过高的铝锰比锰矿入炉生产时炉渣熔点过高，炉矿波动较大，炉底温度低时排渣困难；锰铁合金的冶炼是熔态还原过程，矿物的冶金特性对矿石熔化还原和电炉操作有显著影响。(SiO2)高的锰矿和富锰渣熔化温度较低，成渣较早，将改变上层炉料导电结构和炉膛温度分布。当初渣中MnO和SiO2活度较低时，不利于锰和硅的还原。在搭配锰矿时，要合理搭配硅酸锰矿、氧化锰矿或碳酸锰矿及富锰渣的比例；同时考虑锰矿粒度和水分情况，原料外水原则上要求越低越好。2009年11月9日与湖铁交流时，湖铁建议：原矿、烧结矿、富锰渣按30%：30%：30%左右搭配入炉较为合适。1．3．2焦炭焦炭粒度和配加量必须确保炉内有合适厚度的焦炭层。锰硅电炉内，焦炭层与炉渣间是化学反应最为活跃的区域。从利于SiO2、MnO还原的角度出发，可增加焦炭层与炉渣的比表面积。但焦炭层过厚，影响电极下插深度，恶化炉况。对于粉矿比例大时，可根据情况适当增大焦炭粒度，改善炉料层的透气性。我司二分厂12500KVA电炉参数较小，生产时电极下插较难，为使电极下插较好，不宜使用粒度较大的焦炭，可采用还原性好、比电阻较大的焦炭或者其它碳质还原剂，以提高炉温，改善SiO2、MnO的还原条件。1．3．3熔剂要实现低渣比，因入炉锰矿中铝锰比和碱性氧化物含量较低，可以不外加任何熔剂。但在生产实践中，根据实际情况临时调整炉况。例如，终渣中Al2O3含量过高时，可加入萤石稀渣，有助于顺利排渣，稳定炉况。1．4操作工艺1．4．1适当延长出炉间隔时间，提高炉温，有利于MnO、SiO2的还原。但是，出炉间隔时间过长时，将导致炉口和出炉温度升高，增加挥发损失。从理论上讲，冶炼周期受炉渣中MnO、SiO2的还原程度及熔池反应区域容积影响。在实际生产中，出炉间隔时间还受镇静盆容积和行车负载能力的限制。二分厂12500KVA硅锰电炉08年生产周期为6小时，通过生产运行发现，生产后期电极上抬较快，炉口温度较高，热损较大，09年通过炉前改造，逐渐改为4小时出一炉，回收率指标（09年1-9月份）86.89%较08年83.57%高出3.32个百分点，其中虽有入炉品位因素，但4小时冶炼周期通过实践对改善生产指标起到积极作用。另外，应尽量缩短出炉时间，减少出炉热损失和尚未充分还原的炉渣排出。1．4．2准确配料，特别是焦炭。炉内缺炭，导致MnO、SiO2还原不充分；炭过剩，电极上抬，炉温下降，影响还原反应，配炭时充分考虑外水波动，炉口烧损炉眼排炭等影响因素；1．4．3设备保证做好设备维护工作，减少电炉热停炉时间。1．4．4提高炉衬蓄热能力，锰硅合金电炉内衬采用碳质材料，其导热性较好，筑炉前要对炉衬保温层的导热能力进行估算，采用石棉及轻质粘土砖作为炉衬外衬，减少炉衬热散失，以利于炉内长期保持冶炼高温条件。2、硅锰合金生产硅石用量计算2．1计算假设不加硅石冶炼锰硅合金，设定Si的回收率，计算锰矿中应带入SiO2的质量分数(百分含量)。2．1．1计算条件锰硅合金成分：(Mn)：65.5％，(Si)：17.5％；以100㎏混合锰矿计算，品位34％，焦炭配量24㎏，其灰分(SiO2)为1．5kg。按二分厂硅锰生产现行工艺水平Mn回收率85％进行相关计算。入合金锰量为34％×100×85％=28．9kg，合金净重为28．9÷65.5％=44.122kg，合金中含Si量为44.122×17.5％=7.721kg，折合成SiO2为7.721×60／28=16.545kg，以Si入合金50％计算，则炉料中需带入SiO2总量为16.545÷50％=33.09kg，扣除焦炭中带入SiOz量1．5kg，则从混合矿中应加入33.09-1．5=31.59kg，即混合锰矿中(SiO2)应为31.59％。同理可以计算Si以其它比例入合金的情况下混合锰矿中应含SiO2的量，如表2所示。表2设定Si回收率与混合锰矿w(SiO2)的对应关系％Mn回收率%Si回收率%焦炭灰分w(SiO2)混合锰矿（100kg）MnSiO28540约1.53439.868545约1.53435.278550约1.53431.598555约1.53428.588560约1.53426.088565约1.53423.953、结语硅锰生产通过选择合理的电炉供电制度、合理的电炉参数、优化配料在加上适当的炉前操作制度，得到合适的终渣渣型，从而提高主元素还原率，实现低渣比操作，对于一定的Si回收率情況下，入炉锰矿中自身带入的SiO2足够时，可以实现不外加硅石冶炼锰硅合金。参考文献：1.张启轩赵乃成《铁合金生产实用技术手册》北京：冶金工业出版社，2003；2.周进华铁合金北京：冶金工业出版社1993生产管理中心：王安佑