锰合金冶炼炉渣的特性分析

曹华云

(云南文山斗南锰业股份有限公司，云南 砚山　663101)

锰合金冶炼炉渣的特性分析

曹华云

(云南文山斗南锰业股份有限公司，云南 砚山663101)

摘要：介绍了锰合金生产过程中产生的炉渣的基本物理和化学性质，分析了炉渣粘度和导电性对冶炼的影响，认为应注意各种化学性能的矿石互相搭配，保持良好的渣型，控制合理的炉料电阻和粒度才能使炉况达到最佳的冶炼效果。

关键词：锰合金；炉料；炉渣

锰铁合金的冶炼中，锰的还原是在成渣过程中依靠炉渣的对流运动来完成的，其渣量约占总量的70%。碳素锰铁、硅锰合金的冶炼均为有渣冶炼，因此研究炉渣的性质，有助于冶炼过程中矿物的互相搭配，改善炉料的适应性，使还原更充分，对合金高产有着极其重要的意义。

1炉渣成分及分类

按冶炼产品不同或加入的溶剂不同，炉渣的化学成分也就不同。炉渣主要由氧化物组成，不同氧化物有不同的化学性质，一般铁合金生产中常见的氧化物可分为碱性氧化物、酸性氧化物和两性氧化物。

炉渣的形成主要是碱性氧化物与酸性氧化物中和而产生的盐，即硅酸盐、铝酸盐和三重化合物。冶炼碳素锰铁时MnO与SiO2结合成MnO·SiO2，使MnO还原不充分，渣中MnO高。故需要加入与SiO2化学亲和力较强的碱性氧化物CaO参加反应：CaO+MnO·SiO2=MnO+CaO·SiO2，使MnO活度提高，并充分还原。通过炉渣的置换反应使金属氧化物活度提高，有利于氧化物的还原，达到提高产量，降低消耗的目的。

碱性氧化物的加入量是由冶炼品种、冶炼条件、以及炉渣性质决定的。炉渣的碱度就是渣中碱性氧化物与酸性氧化物之比，用R表示。当R<1称酸性渣，如硅锰合金R=0.6~0.8；当R>1.2称弱碱性渣，如生产碳素锰铁R=1.2~1.4；当R>2叫强碱性渣，如中碳铬铁、钒铁。

2炉渣性质

2.1　熔点

炉渣的熔点主要与炉渣组成有关，SiO2熔点1 723℃，Al2O3熔点2 050℃，纯CaO熔点2 615℃，在冶炼碳素锰铁时炉渣所依据的成分主要有SiO2、CaO、MgO、Al2O3，几种氧化物在相互反应时，能在冶金温度下生成液体化合物或共晶，使熔点低于其单独氧化物的熔点。

2.2　粘度

冶炼锰铁时碱度过低，硅易还原，炉渣粘度增加，熔池不活跃，冶炼不能顺利进行，渣与合金未能完全分离，金属混在渣中损失大；碱度过高，渣流动性不好，严重侵蚀炉衬，降低炉衬寿命，因此合适的粘度对锰铁冶炼至关重要。

炉渣粘度与炉渣碱度有很大关系，当R=CaO/SiO2从0.9~3.2时，粘度为0.75~0.95 Pa·s，粘度会突然增加，此种渣称为短渣；炉渣碱度为0.9，温度降低粘度平衡增大，这类渣称为长渣。一般情况下，同样温度的酸性渣比碱性渣的粘度大，而温度1 450℃以下酸性渣比碱性渣粘度低，温度升高碱性渣粘度降低较明显。而在实际生产中通常是在酸性渣中加碱性氧化物CaO、MgO等，往碱性渣中加粘土块来降低渣的粘度。在冶炼碳素锰铁时，当R=CaO/SiO2≈1.4时则会增加炉渣的难熔性和粘度，致使排渣困难，影响整个冶炼过程，而且由于炉渣熔点升高，还会导致挥发损失严重，喷渣、刺火、增加电极消耗或电耗，过高的碱度只能是冲淡渣中的含锰量，造成渣量增加，炉料熔化慢，难还原，坩埚中含有不易还原的杂质，且坩埚也不易扩大，炉料透气不好，回收率下降。当R=CaO/SiO2≈0.9时，炉渣熔点下降，渣中带走金属量增多，坩埚炉口热损失较大，冶炼还原气氛变慢(见图1)[1]。

因此，降低炉渣粘度可改善渣的流动性，加快反应速度，使排渣顺利，还有利于电极下插，提高炉缸温度，使渣铁分离好，减少渣中混入金属，可提高金属回收率。

2.3　导电性

炉渣的导电性直接影响到金属的加热和电能的消耗，其导电性随着温度的升高而增强，通常矿热炉的炉渣比电阻小，即要求炉渣中的电阻大，电压小。所以有渣法生产时，电极接近炉渣，有时插在渣中，电极弧光短几乎听不到电弧声，而无渣法冶炼时电弧较长。

炉渣的导电性与组分有关，渣中含碱性氧化物多则导电性强，如碳素锰铁碱度高时炉渣粘度大，比电阻减小，导电性增强，电极插入炉缸深度浅而导致炉况紊乱，影响冶炼正常进行。而渣中酸性氧化物越多，导电性越差，比电阻大，电极插入过深，负荷送不足，渣中含Mn高，渣流动性像水一样，炉渣呈深绿色，合金硅、锰含量低。

3改善锰合金渣型的建议

3.1　原料搭配

由于锰铁和锰硅合金的冶炼是埋弧有渣法操作，炉料熔化后被还原成Mn、Si合金元素，通常是连续加入炉料的，如果碱性矿石加入量越多，就会导致渣量增加，渣浅上移，电极上抬，熔池温度下降，还原得不到满足，产品产量和质量下降，料面翻渣，吃料速度慢，消耗高，产量低。反之酸性矿石加入量越多，熔化速度慢，渣中MnO含量高，即渣中跑锰过高。因此在酸性矿石中加入碱性矿石，在碱性矿石中加入酸性矿石必须适宜。

3.2　保持合理的炉料电阻

一般情况下炉料软化温度越低，软化就越快，其导热性和导电性均有改善，炉内热分散程度越大，下料速度越慢。通常的做法是混合均匀，分批入炉，但有些冶炼碳素锰铁时用加入低碳的办法起到了良好的效果，这也不是无道理的，因为还原MnO和SiO是在渣层中进行，低碳直接进入渣层中改变了渣的比电阻，使还原更充足，而在炉料层中减少了部分的碳，使比电阻升高，有利于电极深插。这种操作对于品位较高的锰矿尤其有效，因为这时往往需要较多的配碳量，当然对于冶炼硅锰合金来说就没有必要了，因为冶炼硅锰合金时渣层表面存在一层致厚的焦炭层。

3.3　炉料粒度

粒度小的造渣剂和矿石，比电阻大，熔化速度较快，而粘度偏大的矿石熔化较慢。粉矿比电阻太大，加入过多往往造成炉况恶化，不仅透气性不好，也不利于气相物的排出，而且化料过快，造成翻渣，熔池变冷。有的厂家直接用石灰石代替石灰，起到了良好的效果，这是因为石灰石比石灰粒度大，改变了炉料的成渣速度。这种情况对于水份含量过高或粉石灰过多时效果更为明显。

4锰硅合金冶炼

4.1　冶炼工艺

在电炉冶炼时炉内分成4层，即炉料层、焦炭层、炉渣层与合金层。炉料层是矿石、熔剂与焦炭的混合物。电极周围料层薄，下料速度快，靠炉墙料层厚。矿石受热收缩而出现细裂纹和孔穴，至下部变成网状。炉料区内MnO2与Fe2O3被CO还原或热解成MnO和FeO。靠近焦炭层的矿石开始软化，生成熔点约为1 200~1 300℃的初渣。由于国内锰矿含Al2O3较高，初渣的熔点可参考MnO2-SiO2-Al2O3系相图[1]。炉料层下面为焦炭层，厚约100 mm，在锰硅合金冶炼中占有重要位置。熔融的炉料和初渣穿过此层时，被赤热的焦炭还原。焦炭层的焦炭孔隙中有大量的细金属粒，他是含Si 20%~30%的合金。熔渣穿过焦炭层进入炉渣层。在电极下端及其附近是焦炭粒，熔渣和金属粒的混合层。在电弧加热的高温下进行碳还原MnO与SiO2的反应。还原出来的合金下沉至熔池底部，形成合金层。冶炼过程中锰和铁的高价氧化物被还成低价氧化物，MnO与SiO2的结合成复合硅酸盐，并在1 250~1 500℃熔化[2]。

4.2　冶炼操作

锰硅合金的冶炼操作与高碳锰铁相似，但渣铁出炉温度应控制在1 400~1 500℃附近。炉渣熔点过高，则炉料过热，渣黏度大，渣中夹合金多；熔点低则成渣速度大于反应速度，造成炉内翻渣。提高炉渣碱度可以降低渣中MnO的含量，从而提高锰的回收率。但碱度过高会使二氧化硅的还原变得困难，渣量增加。炉渣碱度越高，其锰含量越低，但随着炉渣碱度的增加，渣量相应增大，虽然渣中锰的百分比下降，但跑锰却不一定下降(见表1)。

确定适当的炉渣碱度十分重要。碱度(CaO+MgO)/SiO2应控制在0.6~1.1范围内。生产Si≥22%的锰硅合金，取碱度为0.6，生产Si≤14%的锰硅合金，取碱度为1.1。减少渣量是降低电耗，提高锰回收率的前提。降低渣量的主要途径是提高锰原料含锰量及选择Al2O3要控制在15%~20%。合金与渣需定时从炉内排出并将合金铸锭，炉渣则送冲渣场粒化，用作建筑材料。

5结语

控制好炉料的成渣速度和相应的还原速度是冶炼的关键，炼好渣也就能控制好合金的还原，只有这样，才能保证电极深插，保持熔池的温度达到所需的还原温度，使炉况正常，做到优质、高产、低耗。

参考文献：

[1]林聪.中国冶金百科全书[M].北京：冶金工业出版社，1998：431.

[2]刘卫，王宏启.铁合金生产工艺与设备[M].北京：冶金工业出版社，2009.

Characteristics Analysis on the Manganese Alloy Slag

CAO Huayun

(YunnanWenshanDounanManganeseIndustryCo.,Ltd,Yanshan,Yunnan663101,China)

Abstract:It introduced Mn alloy production in process in the slag of basic physical and chemical nature, including slag stick degrees and conductive mixture in smelting. It should be noted that various chemical performance of ore mutual match will keep good of slag type and reasonable charging to be controlled.

Key words:Mn-alloy; Furnace charge; Slag

中图分类号：TF792

文献标识码：B

doi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2015.01.010

作者简介：曹华云(1963-)，男，云南文山人，冶炼工程师，研究方向：铁合金冶炼，手机：13769613555，E-mail：249765024@qq.com.

收稿日期：2014-10-25