含碳氧化锰矿粉微波加热升温特性研究

含碳氧化锰矿粉微波加热升温特性研究太原理工大学材料科学与工程学院冶金工程系陈津2007.11长沙1.课题研究的技术背景锰是重要的炼钢原料，在国民经济中具有十分重要的战略地位，其中钢铁用锰量占到90%～95%，主要用作炼钢的脱氧剂、脱硫剂及制造合金。我国锰矿资源虽位居于世界第四位，但锰矿石品位低，碳酸锰矿石比例大，且高磷、高铁、高硅，质量和矿粉造块性能均较差。我国每年不得不进口大量富锰矿石与国内的贫锰矿石搭配使用，2006年我国锰矿石的宏观消费量为1100万t，而同年进口的锰矿石量则达到621万t，进口依存度上升至56.5%。此外，我国锰矿选矿产生的粉状矿以及块矿运输产生的粉状矿（粒度＜8mm），粉状锰矿的利用问题日益突出。锰矿粉造块相对铁矿粉来说难度较大：（1）烧损大、烧结强度低；（2）软熔温度低且区间较窄，容易引起球团的软化或欠烧；（3）造块工艺产量低、成本高，且环境污染严重。含碳锰矿粉（团块）具有优良的自还原性，但造块强度不理想，使其使用受到限制。微波可以直接加热冶金粉状物料，被加热的物料颗粒自身可以形成热源，使物料温度内外保持一致。微波加热过程不受常规传热规律的影响，不受物料形状和粒度限制，且越细越好。用微波加热还原含碳（贫）锰矿粉，可以最大限度地发挥含碳锰矿粉在高温下的自还原特性，在固态下提高锰矿粉的还原率。由于固-固相还原温度比液态低，可以控制带入的碳、磷、硫、硅以及其它杂质元素，从而为获取一定金属化率的纯净海绵锰铁提供有利的动力学条件。2.原料与试验方法脉石矿物主要为赤铁矿、针铁矿、石英、高岭石和蒙脱石等。经选矿处理后的大新氧化锰矿粉的特点是全锰（TMn）含量虽达到35.34%，但铁含量较高（Mn/Fe＜7），且属高磷（P/Mn＞0.005）锰矿粉，SiO2和K2O含量也偏高。原料还有无烟煤粉与钙质石灰粉。试验所用的锰矿粉为广西大新氧化锰矿粉，颜色为棕黑-褐黑色，矿石矿物主要为软锰矿，且含有少量的水锰矿（Mn2O3H2O）、褐锰矿（3Mn2O3MnSiO3）。由于氧化锰矿是在原生锰矿（碳酸锰矿）的基础上经风化作用转变而来的，因此氧化锰矿粉中含有少量碳酸锰矿。表1广西大新氧化锰矿粉主要化学成分（w（B）/10-2）Table1Chemicalcompositionofmanganeseoxideorefines（w（B）/10-2）TMnTFeSiO2Al2O3CaOMgOSPK2O35.3412.0415.791.721.550.150.150.201.02Na2OTiO2PbCuZnNiL.O.Iw(Mn)w(Fe)w(P)w(Mn)0.0550.400.0050.0230.0300.03811.922.940.0057表2广西大新氧化锰矿粉物相分析（w（B）/10-2）Table2Phaseanalysisofmanganeseoxideorefines（w（B）/10-2）锰矿物物相水褐锰矿（水锰矿Mn2O3H2O）（褐锰矿3Mn2O3MnSiO3）菱锰矿MnCO3软锰矿MnO2TMn≈35.34%锰元素分布2.100.7732.40铁矿物物相赤褐铁Fe2O3nH2O硅酸铁FeSiO4磁性铁Fe3O4碳酸铁FeCO3TFe≈12.04%铁元素分布11.440.28＜0.05＜0.05表3无烟煤粉主要化学成分（w（B）/10-2）Table3Chemicalcompositionofanthracitepowder（w（B）/10-2）工业分析其中灰分主要化学成分Aad灰分Vad挥发分Mad水分Stad硫Fcad固定碳合计SiO2Al2O3TiO2Fe2O3CaOMgOP合计21.125.903.760.3469.22100.3449.5018.371.2011.4611.892.400.4995.31表4钙质石灰粉主要化学成分（w（B）/10-2）Table4Chemicalcompositionofcalciclimepowder（w（B）/10-2）SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OSPL.O.I合计3.800.660.7667.030.540.200.0300.0780.03027.00100.128图1微波冶金试验炉结构示意图Fig.1Sketchofmicrowavemetallurgicalfurnace1magnetron;2thermocoupleandtemperaturemeasurementdevice;3ACpower;4.furnacechamber;5crucible;6base1.磁控管；2.双铂铑热电偶与测温表；3.交流电源；4.炉腔；5.物料与坩埚；6.支撑架；测温仪6～220V123453.试验结果与讨论图2微波加热试验原料升温特性对比图（微波加热功率10kW,物料质量1kg）Fig.2Contrastoftemperature-risingcharacteristicsamongtheexperimentstuffsbymicrowaveheating(microwavepower10kW,massofstuff1kg)图2为微波加热试验原料的升温特性对比。试验可知，氧化锰矿粉与碳酸锰矿粉对微波吸收的性能较好，优于无烟煤粉和烟煤粉，也优于磁铁矿粉，只是钙质石灰粉对微波的吸收性能较弱。051015202530354045500200400600800100012001400温度/℃加热时间/min广西大新氧化锰矿粉湖南湘潭碳酸锰矿磁铁矿粉无烟煤粉烟煤粉钙质石灰粉微波加热时间/min广西大新氧化锰矿粉湖南湘潭碳酸锰矿磁铁矿粉无烟煤粉烟煤粉钙质石灰粉温度/℃051015202530020040060080010001200温度/℃加热时间/minC:O=1.06C:O=1.16C:O=1.26C:O=1.36C:O=1.46C:O=2.0C:O=3.0微波加热时间/min图3微波加热不同配碳比含碳氧化锰矿粉至1100℃时的升温特性对比图（微波加热功率10kW,物料质量1kg，加钙质石灰）Fig.3Contrastoftemperaturerisingcharacteristicsamongmanganeseoxideorefinescontainingcoalbymicrowaveheatingto1100℃(microwavepower10kW,massofmix1kg,mixingthecalciclimefines)温度/℃图4微波加热不同配碳比含碳氧化锰矿粉至1200℃时的升温特性对比图（微波加热功率10kW,物料质量1kg，加钙质石灰）Fig.4Contrastoftemperaturerisingcharacteristicsamongmanganeseoxideorefinescontainingcoalbymicrowaveheatingto1200℃(microwavepower10kW,massofmix1kg,mixingthecalciclimefines)051015202530020040060080010001200temperature/℃time/minC:O=1.06C:O=1.16C:O=1.26C:O=1.36C:O=1.46C:O=2.0C:O=3.0微波加热时间/min温度/℃05101520253035400200400600800100012001400温度/℃时间/minC:O=1.06C:O=1.16C:O=1.26图5微波加热不同配碳比含碳氧化锰矿粉至1300℃时的升温特性对比图（微波加热功率10kW,物料质量1kg，加钙质石灰）Fig.5Contrastoftemperaturerisingcharacteristicsamongthemanganeseoxideorefinescontainingcoalbymicrowaveheatingto1200℃(microwavepower10kW,massofmix1kg,mixingthecalciclimefines)微波加热时间/min温度/℃图6MnO2与Mn3O4微波加热升温特性对比图Fig.6ContrastoftemperaturerisingcharacteristicsbetweenMnO2andMn3O4bymicrowaveheating02468101214162004006008001000YAxisTitleXAxisTitleMnO2Mn3O4微波加热时间／min温度/℃表6锰系矿物的介电性质比较Table6Comparisonofdielectricpropertyamongthemineralsconsistingofmanganese物质名称化学组成密度/g·cm-3直流电导率/S·m-1相对电介质常数/εr（频率≤1MHz）软锰矿MnO25.2341.010000.00水锰矿MnO·OH3.9841.9×10－2917.00方锰矿MnO5.366－18.00菱锰矿MnCO33.699－6.8蔷薇辉石MnSiO23.7261.5×10－1110.00锰橄榄石Mn2SiO44.1555.8×10－1110.00锰铝石榴石Mn3Al2Si2O123.022－7.60锰Mn7.4707.4×105－石墨C2.2677.0×104－水H2O0.9975.5×10－678.34.结论氧化锰矿粉具有优良的微波加热特性，且优于无烟煤粉。在一定的微波加热功率10kW、质量1kg和配碳比C:O＝1.06条件下，微波加热含碳氧化锰矿粉到1100℃、1200℃、1300℃的升温速率分别为73.83℃/min、46.33℃/min、37.46℃/min。随着配煤比的提高，含碳氧化锰矿粉的升温速率有所下降，但影响不大。钙质石灰对微波的吸收能力较差，应尽量减少配加量。值得注意的是，在合适的微波功率下，低介电常数的物质是可以被微波加热的。6.致谢感谢国家自然科学基金资助本项目的研究工作（50674069）作者简介及通讯方式：陈津（1955－），男，博士，教授，冶金系主任；手机：[phone]Email：[e-mail]谢谢