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1、关于硅锰合金的冶炼方式和方法邓绍鑫、邓元华内容摘要：硅锰合金是炼钢中常用的复合脱氧剂，因此，世界上对于硅锰合金的冶炼都十分的重视。本文通过对硅锰合金的冶炼过程进行剖析阐述，客观上总结了国内外硅锰合金冶炼的技术手段和方法。关键词：硅锰合金 复合脱氧剂 冶炼硅锰合金是炼钢常用的复合脱氧剂，又是生产中，低碳锰铁和电硅热法生产金属锰的还原剂。硅锰合金可在大中小型矿热炉内采取连续式操作进行冶炼。目前，世界上硅锰合金电炉正向大型化、全封闭的方向发展，南非 1975 年投产了一台 88000KVA 的大型硅锰合金电炉。表 1-1 某厂冶炼中低碳锰铁自用硅锰合金牌号及成分牌 号 Si% Mn% C% P% 适
2、用范围汉字 代号 不小于 不大于特一类 SiMn-0 23,0 65.0 0.3 0.19 FeMn83C0.4一类硅锰 SiMn-1 20.0 66.0 0.5 0.19 FeMn80C0.7二类硅锰 SiMn-2 19.0 67.0 0.8 0.19 FeMn78C1.0三类硅锰 SiMn-3 17.0 68.0 1.3 0.19 FeMn75C1.5生产硅锰合金的原料有锰矿、富锰渣、硅石、焦炭。生产硅锰合金可使用一种锰矿或几种锰矿（包括富锰渣）的混合矿。为保证炼出合格产品，矿石中的锰铁比和锰磷比应满足一定要求，见表 1-2 所示。所用的锰矿含锰越高，表 1-2要 求炼制合金Mn% Mn/
3、Fe P/MnSiMn-0 37 7 0.0020SiMn-1 35 6 0.0025SiMn-2 33 5.5 0.0025SiMn-3 31 5.0 0.0025Mn60Si20 31 4.5 0.0025Mn60Si17 30 4.5 0.0030Mn60Si14 30 3.5 0.0035各项指标越好，图 1-1 为锰矿品位对硅锰合金技术经济指标的影响。锰矿中二氧化硅含量通常不受限制。采用含二氧化硅较高的锰矿（3040%SiO 2）来冶炼硅锰合金在技术上是允许的，在资源利用上是合理的。锰矿中的杂质 P2O5 要低，P 2O5 使合金中磷含量升高。锰矿粒度一般为 1080mm，小于 10
4、mm 不超过总量的 10%。图 1-1470435041039076%78%80%83%0501015020250303504045050303234638锰矿品位 回 收 率 %耗 电 /度对于硅石的要求，SiO 297%，P 2O50.02 ，粒度1040mm，不带泥土及杂物。对于焦炭的要求，固定碳84%，灰分14%，焦炭粒度，一般中小电炉使用 313mm，大电炉使用525mm。对于石灰的要求与碳素锰铁对石灰的要求相同。为了改善硅的还原，炉料中必须有足够的 SiO2 使在酸性渣中进行冶炼，渣中 SiO2 过高，会使排渣困难，通常冶炼硅锰合金的炉渣成分：CaO+MgO（SiO 2）=3442
5、%，SiO2=0.60.8 Mn8%锰的高价氧化物不稳定，受热后容易分解和被 CO 还原成低价的氧化物 MnO，在 1373K1473K 的温度区间，锰的高价氧化物已经分解或还原成 MnO。MnO 较稳定，只能用碳直接还原，由于炉料中 SiO2 较高，MnO 在没开始还原时就与它反应成硅酸盐，富锰渣中的硅锰也是硅酸盐的形式存在，因此从 MnO 中还原锰的反应，实际上是液态炉渣的硅酸盐中进行还原的。由于锰与碳组成稳定的化合物 Mn3C，用碳还原 MnO得到的不是纯锰，而是锰的化合物 Mn3C。4 1MnOSiO2+ 3 C= 3 Mn3C+SiO2+CO炉料中的氧化铁比氧化锰容易还原，还原出来的
6、铁与锰组成共熔体，大大改善了 MnO 的还原条件。温度升高，硅也被还原出来，其反应式是：SiO2+2C=Si+2CO由于硅与锰生成比 Mn3C 更稳定地化合物 MnSi，当硅遇到了 Mn3C 时， Mn3C 中的碳被排挤出来，使合金含碳量下降，其反应式为：1/3Mn3C+Si=MnSi+1/3C被还原出来的硅越多，碳化物破坏得越彻底，合金的含碳量就越低。用碳还原炉料中的硅和锰生产硅锰合金，其总反应式：MnOSiO2+3C=MnSi+3CO F o=3821656.6-2435.67T由于还原出来的硅与锰结合生成 MnSi，从而改善了还原条件。合金中的含硅量越低，SiO 2 的开始还原温度越低，
7、例如，冶炼硅锰 20 时，SiO 2 开始还原温度为 1763K，冶炼硅锰 14 时为 1748K。生产硅锰合金的工艺与生产碳素锰铁基本相同，但在炉况的掌握上比生产碳素锰铁要难些。为此在操作上更要求做到精心细致，正确的判断炉况和及时处理。正常炉况的标志是电极插入深度合适，炉料均匀下沉，炉口冒火均匀，成分稳定和各项技术经济指标良好。准确的配料比是保证得到正常炉况的关键。配料比中的主要问题是配碳量问题。当炉料中还原剂过多时，炉料导电性增强，电流上涨电极上抬，坩埚缩小，疵火塌料现象增多，炉口的外观和炼硅铁时的还原剂过多时有些相同，由于炉料中有过多的还原剂，二氧化硅还原较多因而合金中硅高。若还原剂过剩
8、量太大，电极上抬很严重，炉底温度低，合金中硅含量反而下降。当炉料中还原剂不足时，电极下插深，炉口火焰低，发暗，由于还原剂不足，渣中二氧化硅高，渣发粘，出铁时铁渣不分，合金中硅低碳高。配碳量是根据公式计算出来的，但要把炉上的一些实际情况考虑进去。例如炉渣碱度大渣稀，出铁带走的生料多，配料量可以大些，又如旧的出铁口炉眼大，出铁时带走的焦炭多，配碳量也要大一些。炉渣的碱度对硅锰合金的冶炼也有很大的影响。碱度过高，成渣温度大大下降，炉内温度提不高，加之 CaO 与 SiO2 结合成硅酸盐，这些都使 SiO2 的还原困难，合金含硅量上不去。此外，碱度过高，炉渣过稀，出铁时带走的生料多，出铁口也容易烧坏，
9、炉眼也不好堵，因此碱度太高是不好的。碱度太低，渣发粘，排渣困难，排渣不彻底，容易引起翻渣，碱度太低，电阻大，炉渣的导电性大大下降，常常给不满负荷，因而炉温低，坩埚缩小，化料速度慢，生产率低。由于炉温低和渣发粘，SiO 2 还原发生困难，合金中硅低碳高，渣中跑锰多。生产中可根据渣量和渣的流动性来判断炉渣碱度，正常冶炼时，每炉的渣量和铁量在一定范围内波动。若出渣过多，出铁较少，说明碱度高；若渣量少，流不出来，出铁口挂渣，说明碱度低。炉渣的流动性和碱度直接相关，渣稀，碱度就高、渣粘、碱度就低。二氧化硅是较难还原的氧化物，它的还原程度与还原剂的用量特别是与炉温有关。因此，冶炼硅含量较高的硅锰合金除适当
10、增加还原剂的用量外，关键是怎样提高炉内的温度。我们知道，在连续冶炼法中，炉渣的熔点对炉温有很大的影响。在冶炼硅锰合金时，因为炉渣中的 SiO2 和 MnO在 12400C 会组成低熔点的共晶体，而从 MnSiO3 中还原得到含硅 20%的开始还原温度为 14900C，因此冶炼高硅硅锰合金的主要困难也是炉温问题。锰矿的品位和块度对炉温是有影响的。锰矿含锰越高，渣量就少，炉温容易上去。锰矿块度大，透气性好，整个炉口冒火，料层均匀下沉。原料预热好，落入下部反应区时带入较多的热量，同时块度大，熔化很慢，成渣温度也高，这都有助于炉温的提高。提高合金的含硅量，还要有一个合适的炉渣成分。生产实践指出，当碱度
11、（CaO/ SiO2）在 0.50.7 之间，合金含硅量高。此外，炉渣中含有少量的（57%）MgO 能大大改善炉渣的流动性，又利于炉温的提高，这都能促进SiO2的还原。电 极 工 作 端 的 长 度 对 炉 温 是 有 直 接 影 响 的 。900012500KVA 的电炉冶炼硅锰合金时电极的正常埋入深度为 1.21.4 米，工作电压为130145V；30006000KVA 的电炉冶炼硅锰合金时电极的正常埋入深度为 600800mm。此外，如出铁口处炉壁变薄，出铁口炉眼太大造成出铁时淌生料严重，也都影响炉温的提高，从而影响合金中硅含量的提高。锰的回收率是生产硅锰合金的一项重要指标。提高锰的回收
12、率就是要减少进入炉渣和随同炉气逸出的锰。炉渣中锰量与炉渣碱度有关。生产统计中有如下关系，见表 1-3。表 1-3碱度（CaO/ SiO 2） 0.210.3 0.240.4 0.410.5 0.510.6 0.610.7 0.710.8 0.810.9渣中含 Mn 量 10.3 9.6 8.35 8.41 7.25 576 4.88碱度越高，渣中含锰量越低，但不应由此得出结论。碱度越高锰的回收率越高。因为碱度越高，渣量就越大，虽然渣中的锰的百分比下降，炉渣中总的跑锰量不一定下降。生产经验认为：碱度由 0.2 增大到 0.70.8 时，锰的回收率随着碱度的增加而提高，碱度再高，锰的回收率反而下降
13、。为了减少随炉气逸出的锰，就要避免高温区过于集中，减少锰的挥发。因此，二次电压不能过高，电极插得深，料柱厚，炉气外逸时有比较长的行程，以便炉料吸收部分挥发的锰，可以减少锰的汽化损失。封闭电炉炼硅锰合金时，判断炉况除根据原料情况（粒度、成分）电极位置、炉渣碱度、合金成分、渣量（同敞口炉）外，还要考虑炉气成分，炉膛各部分温度变化等情况对冶炼过程进行全面分析，综合判断，如:(1) 炉膛出口压力波动，炉盖温度局部升高说明炉膛内局部翻渣或刺火。(2) 炉气出口压力增大，炉盖温度未升高，二次电流下降，说明炉内有塌料现象。(3) 炉气出口压力增大，炉盖温度升高，电极波动，出炉压力显著下降，是炉膛内翻渣的象征
14、。(4) 炉气分析中氢含量急剧上升，在原料湿度不变情况下，说明炉内设备有严重漏水现象，应立即停电处理。如氧气含量增加，说明密封不好，应搞好密封。近年来，俄罗斯有的工厂利用碱性铝代硅酸盐冶炼硅锰合金，使合金产量提高，单位电耗降低，锰和硅收得率提高。如当用伟晶花岗岩代替石灰石及一部分硅石时。按末渣中（Na 2O+K2O）为 57%计算，硅收得率从 43.8%提高到 48.4%，锰收得率则从 73.1%提高到 79.3%。炉渣中合金珠的数量将减少 5/66/7。表 1-4 为利用伟晶花岗岩熔炼硅锰合金的技术经济指标。伟晶花岗岩，碱性花岗岩这类材料均是电炉铁合金工业的新型溶剂。普通工业炉渣的粘度在 1
15、773K 时为0.51.0Pas，而在 1723K 时为 0.82.0Pas。当炉渣含7.4%（Na 2O+K2O）时，其粘度应降低 25%，而当炉渣含15.3%（Na 2O+K2O）时，其粘度几乎降低 50%，达0.4Pas。表 1-4 利用伟晶花岗岩冶炼硅锰合金的主要指标炉 料指 标采用伟晶花岗岩的炉料 普通炉料PM3-16.5 型炉子工作的昼夜数 9.0 9.0炉子生产能力：t/d 102.3 96.0原料中平均锰含量：% 43.87 43.91原料单位消耗量：Kg锰原料 1730 1885硅 石 257 382焦 炭 420 454石灰石 - 43伟晶花岗岩 161 -单位电耗：kWh
16、 3820 4060炉渣的平均化学成分：%MnO 22.2 21.2SiO2 48.6 50.3CaO 11.7 13.5MgO 1.0 2.2Al2O3 10.2 8.5Na2O3+K2O 6.2 3.9炉渣碱度：(CaO+MgO)/SiO 2 0.26 0.33（Na 2O+K2O） /SiO2 比例 0.128 0.078渣铁比 0.93 1.03合金元素中各元素的回收率：%Mn 79.3 73.1Si 48.4 43.8P 88.1 80.8俄罗斯有的铁合金厂，使用次石墨作还原剂冶炼硅锰合金及硅铁，电气制度稳定，铁合金炉熔池的有效电阻增大。事实表明，在铁合金中应用次石墨作还原剂是很必要的。近来，对液体硅锰合金进行炉外脱磷进行了研究，实践证明，炉外脱磷可得到含 P0.1%的产品，适用于冶炼特殊用途的钢和用作生产低碳的低碳锰
