纯加纳碳酸锰矿生产锰系合金的技术创新与应用

宁夏天元锰业集团有限公司

(宁夏天元锰业集团有限公司，宁夏 中卫 755103)

锰系合金是由锰、硅、铁及少量碳和其他元素组成的合金，是一种用途较广、 产量较大的铁合金。锰系合金作为脱氧剂、脱硫剂、合金剂被广泛应用于钢铁、冶金、有色、电子、化工、航天、军工等行业和磁性材料、新能源电池、石墨烯等战略性新兴产业。锰系合金用途广、用量大，是国民经济和现代国防不可替代的基础材料和战略资源。我国锰矿资源的匮乏是目前面临的严峻问题，拓展锰矿资源开发利用创新是锰冶金行业持续发展的必经之路。

1 锰系合金概述

锰系合金按国家颁布的标准主要有以下种类：锰铁(GB/T 3795—2014)[1]、锰硅合金(GB/T 4008—2008)[2]、微、低碳锰硅合金(YB/T 4240—2010)[3]。

1.1 锰系合金对锰矿的要求

锰系合金工业对锰矿有不同的要求，锰矿石中含锰量要高于22%，化学成分相对稳定，杂质含量低。锰矿中的95%的铁进入合金，根据合金品种、牌号不同对锰铁比要求不同，一般锰矿中锰铁比在3～10，锰铁比>10的矿种甚少。锰矿中的磷75%以上会被还原进入合金，而影响合金质量，根据冶炼合金牌号的不同，要求锰矿中磷锰比≤0.006。锰矿中SiO2含量要适当，有利于减少渣量降低电耗，提高回收率，同时要含有适量的CaO、MgO，使(CaO+MgO)/SiO2碱度在0.6～0.8之间，最适宜于硅的还原与渣铁分离。锰矿应有足够的强度和粒度，在密闭矿热炉内料层有良好的透气性，有利于冶炼操作。

1.2 锰系合金生产用矿

1.2.1 我国锰矿分布

我国锰矿主要分布在广西、湖南、重庆、四川、贵州、辽宁等省(市、自治区)，其中80%锰矿矿床分布面广，呈多层薄层状，埋藏深，不易开采[4]。适合露天开采的储量只占全国总储量的6%，品位低，组分复杂，高磷、高铁以及含有伴(共)生金属和其他杂质，开发利用条件差。

1.2.2 世界锰矿分布

世界陆地锰矿储量在1亿t以上的超大型锰矿产地有8处，分别是：南非的卡拉哈里、波斯特马斯堡，乌克兰的大托克马克、尼科波尔，加蓬的莫安达，加纳的恩苏塔，澳大利亚的格鲁特岛，澳大利亚西部皮尔巴拉地区的乌迪乌迪锰矿。

2 加纳碳酸锰矿

2.1 加纳碳酸锰矿的成分

加纳是世界上碳酸锰矿储量最多的国家，加纳锰矿主要分布在加纳中部的恩苏塔及雅卡地区，据资料显示，探明锰矿资源量为3.256亿t[5]。所有采矿权、探矿权和勘察许可权的区域资源量预计超过10亿t。加纳碳酸锰矿具有储量大，锰储量高，铁、硫、磷含量低的特点，是电解锰及高品位锰硅合金生产的理想矿源。宁夏天元锰业集团有限公司(以下简称为天元锰业)在2020-2021年随机抽取化验加纳碳酸锰矿的化学成分见表1。

表1 加纳碳酸锰矿化学成分

加纳碳酸锰矿为灰白色块状矿石，大部分主要技术指标锰≥27%、铁≤2.15%、磷<0.07%，化学成分稳定，杂质含量低，各项指标符合锰系合金冶炼的用矿要求，可单独使用，有利于矿热炉长期稳定生产，提高生产效率和金属回收率。锰铁比高达21以上，磷锰比低于0.002，碱度在0.6～0.8之间，适合于硅锰合金生产入炉要求。碳酸锰矿在550 ℃以上即可分解，易于烧结，且烧结矿孔隙率高，表面积大，强度高，透气性好，入炉易还原。

2.2 加纳碳酸锰矿的烧结

加纳锰矿大多为3～100 mm块状物料，在半密闭式矿热炉入炉料中可直接配入少量加纳块矿使用，但对密闭式矿热炉来说，因其在炉内受热分解爆裂，会影响料层透气性，同时分解后的CO2会进入煤气回收净化系统而影响煤气浓度。因此，在锰系合金冶炼时，先将加纳碳酸锰矿进行烧结后作为矿热炉入炉用矿，改善冶炼条件，提高还原率。加纳碳酸锰矿的烧结分为带式烧结机工艺和回转窑烧结工艺两种。

2.2.1 带式烧结机工艺

采用带式烧结工艺，矿石入料粒度为0～10 mm，根据矿石中的粉料量可适当调整粒度大小，配入适量兰炭粉，经混料后，进入烧结机头布料器，布料厚度为600～800 mm，根据烧结参数可做适当调整。烧结温度在800～1 000 ℃，烧结后经环形冷却机冷却，出口配套单齿破碎机破碎后，经筛分机筛分，合格矿输送至炉前配料站，粒度小于10 mm的粉料返回至烧结配料仓二次配料。根据入炉铁含量要求，在加纳碳酸锰矿中配入自产硫酸废渣——铁精粉烧结成高铁烧结矿，与原矿烧结矿配料，以满足入炉要求，也可用高铁锰矿代替。具体配料见表2～3，烧结工艺流程见图1～2。

表2 高锰烧结矿配料 %

表3 高铁烧结矿配料 %

图1 低铁烧结矿工艺流程

图2 高铁烧结矿工艺流程

2.2.2 回转窑烧结工艺

采用回转窑烧结工艺时，将加纳碳酸锰矿石粉磨成150 μm以下的粉料，经预热器预热后进入回转窑，煤经磨机磨成煤粉后由喷煤嘴喷入回转窑点燃，以满足回转窑供热需求，高温区烧结温度约为1 200 ℃，烧结后经蓖冷机冷却后破碎至合格粒度，输送至炉前配料站使用。工艺流程见图3。

图3 回转窑烧结工艺流程

2.3 加纳碳酸锰烧结矿化学成分及特点

天元锰业利用加纳碳酸锰矿烧结生产的化验数据见表4～5。

表4 加纳碳酸锰烧结矿化学成分(高锰烧结矿)

表5 加纳碳酸锰矿配铁精粉烧结矿成分(高铁烧结矿)

根据烧结矿的化学成分并结合锰硅合金生产实际，总结归纳加纳碳酸锰烧结矿有以下特点：①锰含量在39%以上，锰铁比≥24，磷锰比≤0.001 8，高品位、高锰铁比、低磷烧结矿属锰硅生产的最佳矿源，尤其对高品质锰硅合金更为适用，其指标近似或优于富锰渣，完全可作为富锰渣使用；②根据生产实践证明，加纳碳酸锰烧结矿强度高，表面蜂窝状明显，有利于改善矿热炉料层透气性，可将矿热炉入炉焦炭用兰炭替代或部分替代，从而大大降低还原剂采购成本；③烧结矿中碱度约为0.77，是矿热炉冶炼时锰的回收率最高的最佳碱度范围，大大减少或取消白云石配料量，从而降低生产成本，简化配料操作。

3 硅锰合金冶炼

天元锰业有6台30 000 kVA密闭式锰硅炉，自投产后，由混合锰矿启动后逐步转换为全加纳碳酸锰烧结矿，至今6台矿热炉全部采用纯加纳碳酸锰烧结矿生产锰硅合金(牌号为FeMn68Si18)，其特点为：①矿热炉入炉锰矿100%使用加纳碳酸锰烧结矿，开辟了矿热炉全部使用烧结矿的先河；②矿热炉入炉还原剂采用部分兰炭代替焦炭，最大比例达到60%；③入炉矿品种单一，成分稳定，配料快捷，操作简单。

天元锰业密闭式锰硅矿热炉生产入炉料配料汇总见表6。

根据表6统计可知：入炉矿除回炉渣及部分锰渣回用外，全部使用加纳碳酸锰烧结矿，按平均值算高锰烧结矿占比65.1%，高铁烧结矿占比26.1%，回炉渣占8.8%；还原剂由兰炭代替部分焦炭，兰炭的配入量达还原剂总量的60%；因加纳矿碱度较适宜锰硅生产，入炉料白云石基本不用或少量调节时适当添加少许。按平均值算，所有入炉料中锰矿占比71.8%，焦炭占比6.7%，兰炭占比10%，硅石占比10.7%，白云石占比0.8%。

表6 密闭式锰硅矿热炉生产入炉料配料汇总 kg

天元锰业密闭式锰硅矿热炉生产锰硅产品化学成分见表7。

表7 密闭式锰硅矿热炉生产锰硅产品化学成分 %

采用加纳碳酸锰烧结矿冶炼锰硅合金炉前排出渣中锰含量平均在6.52%，优于锰硅生产平均水平，随着生产操作熟练程度的提升，该指标仍有降低的空间，炉前锰硅干渣化学成分汇总见表8。

表8 炉前锰硅干渣化学成分 %

4 结 语

采用加纳碳酸锰烧结矿生产锰硅合金工艺可行，入炉原料单一稳定，操作简单，运行可靠。与此同时，完全使用纯加纳碳酸锰烧结矿冶炼锰硅合金具有以下优势。

1)矿石品位稳定，配料单一，有利于矿热炉长期稳定生产，从而提高生产效率和金属回收率。

2)烧结矿表面积大，强度高，透气性好，对还原剂强度要求不高，可用兰炭代替焦炭，并提高其使用量，从而大大降低冶炼成本。

3)矿石碱度适合于锰硅合金生产入炉要求，减少白云石生料配入量，降低冶炼电耗。

4)综合利用园区生产废渣，实现废渣资源化循环利用，使其变废为宝。