基于转炉双渣冶炼工艺的锰矿直接还原合金化研究分析

杨治争1，2

(1．武汉科技大学钢铁冶金及资源利用教育部重点实验室，湖北武汉430081；2．武汉钢铁(集团)公司研究院，湖北武汉430080)

摘 要：以提高转炉双渣冶炼条件下锰矿直接还原合金化过程中锰的收得率为目的，进行了热力学理论分析，开展了实验室渣钢平衡试验和中试试验，在此基础上得出了基本结论；通过转炉工业化试验，验证了前期结论的可信性，同时得出在特定的双渣冶炼条件下，转炉锰矿直接还原过程中锰的收得率可稳定在35％～45％，具有经济上的优势，且对转炉冶炼效果有益，同时从总体上达到节能降耗、减少温室气体排放的效果。

关 键 词：锰矿直接还原；合金化；双渣；锰收得率

转炉锰矿直接还原是指在转炉冶炼过程中加入锰矿物，使之还原进入钢液，成为钢液中合金成分的工艺。该工艺的最大优势是从总体上降低钢铁的合金化成本，同时消减或消除锰合金生产这一高污染高耗能产业。然而，在常规冶炼条件下，锰的收得率基本低于20％，如果直接采用锰矿直接还原合金化，并无经济优势[1—2]，因此，通过与新工艺结合，有效提高该工艺过程中锰的收得率和总体效率，是推进该工艺工业化应用的前提。在工业化应用之前，开展实验室渣钢反应和中试规模试验研究十分必要。

锰矿直接还原合金化已经在日本和中国的少数几个厂家得以实现，这些厂家或者具备对铁水进行“脱磷、脱硅、脱硫”的“三脱”处理，或者拥有双联炼钢工艺设备。对绝大多数国内钢铁企业来说，传统转炉炼钢工艺的较大渣量成为有效提高该工艺过程中锰收得率的难以克服的障碍。

转炉双渣冶炼工艺在倒渣后的少渣条件则为实现该工艺提供了较好的基础条件。武钢钢铁股份有限公司(以下简称武钢)炼钢总厂在某些特定钢种实行双渣法冶炼操作，具备双渣冶炼工艺技术的有效积累和相关经验，为开展锰矿直接还原合金化试验提供了基础。

1 钢液中反应的热力学分析

转炉冶炼时，主要的化学反应在冶炼终点基本达到平衡，因此可以以热力学原理对反应进行分析[3]：

[Mn]+(FeO)(1)=(MnO)+[Fe]

△G1θ=﹣123300+56．1TJ／mol      (1)

△G1θ=﹣PTln[aMnO／(aMn·aFeO)]≈﹣RTln{[γMnO·(MnO)]／[fMn·[Mn]·γFeO·(FeO)])    (2)

设定：γ=γMnO／γFeO，ωs为加入锰矿后的总渣量。

则锰的渣钢分配比的关系式可写为：

LMn=(fMn／γ)·(％FeO)×106440／T－2．94    (3)

代入固有关系式：

γ=1／6×106440／T－2．94fMn·B    (4)

最终可得到锰收得率的关系式如下：

ηMn=1／(1+β·ωs)=1／[1+6(％FeO)·ωs／1290B]    (5)

其中：B=[(％CaO)+1．4(％MgO)]／[(％SiO2)+0．84(％P2O5)]，β=(1／1290)·(fMn／γ)·(％FeO)×106440／T－2．94

根据有关理论，渣中FeO含量与终点碳含量具有一定关系式，因此根据钢的终点控制情况，计算渣中FeO含量，具体公式为：

当钢液ω(C)≥0．1％时：

(∑％FeO)=4R+0．3／[％C]+10－6T2+1．25    (6)

当钢液ω(C)<0．1％时：

(∑％FeO)=12+0．9／[％C]    (7)

终渣量的计算为物料平衡计算范畴，计算出终点渣量，即可得到锰的收得率和终点锰含量。

式(5)中锰收得率计算的初始锰含量包括铁水中和锰矿中的全部锰当量，从式(3)可知，锰的分配比主要由渣中。FeO含量决定，在稳定的转炉冶炼条件下，波动不大，则收得率主要由总渣量决定。而由式(6)和式(7)，渣中的FeO含量与钢液中碳含量存在对应关系，进而，锰收得率可根据多因素相互关系式计算得出。据式(5)～式(7)可得出提高锰收得率的条件，包括少的渣量、低的炉渣氧化性，较高的碱度和终点碳含量等。

在双渣冶炼条件下，第二渣的渣量明显减少，如果适当提高冶炼终点碳含量，渣中FeO含量相应减少，依据式(5)，则总渣量、锰收得率可相应提高。

2 实验室及中试试验

转炉锰矿直接还原可简化为热力学过程，在达到平衡的条件下，反应仅受起点和终点的诸因素控制，与反应的规模和过程无关。所以，可以先进行相关的实验室渣钢平衡试验和中试试验研究，为工业化试验和应用提供必要的依据。

实验室试验在SK10—16管式高温反应炉上进行，该反应炉的最大装入容量为2kg，试样反应器部位装有气体保护系统以及精确控温系统，反应温度最高可达1650℃，温控精度为±10℃[4]。试验所用锰矿、渣料及金属成分见表1～表3。

试验基本过程如下：将配制好的钢样装入MgO坩埚中，将相应混匀的渣样覆于钢样表面，然后将MgO坩埚置入石墨坩埚中，装入电阻炉内高温室。在控温仪的控制下分步加大电流升温，温度升至800℃时通入1L／min的氩气保护。升温至指定1630℃时保温3h，之后取出坩埚，迅速淬冷取样。

中试试验试验用主体设备为50kg真空感应炉，由于不具备吹氧条件，可通过人工搅拌优化反应的动力学条件，提高试验与实际转炉冶炼的相似度。中试试验用锰矿、渣料及金属成分如表1、表4、表5所示。

中试试验基本过程如下：将30kg工业纯铁装入真空感应炉内，在真空条件下加热，熔化后配加其他成分，组成初始钢液，混匀几分钟后，打开感应炉，迅速取样并加入部分渣料，之后边搅拌边加入渣料。渣金反应充分后测温，用提样器取样。

中试试验的稳定反应温度为1622～1635℃，与实验室试验的对应温度基本一致。共完成9炉实验室试验和6炉中试试验，将两组结果合并分析，锰收得率的变化趋势见图1。

从图1中看出，在锰矿直接还原试验中，在初始钢(铁)液碳含量足够高的条件下，锰的收得率均随终点碳含量的增加而提高，由于反应终点时渣中(FeO)与钢中碳含量达到平衡，因此以上关系实际上与式(3)和式(5)所示一致。特别在终点钢液ω(C)从零开始增加到0．1％左右时，锰收得率从5％左右迅速提高至45％左右。如果反应温度由试验中的1630℃左右提高到转炉终点的1650℃以上，从式(5)可以看出，锰的收得率将进一步提高。同时，图中的两条理论计算曲线也显示出渣量对于锰收得率的明显影响，渣量越大，收得率越低，试验结果与曲线的差异主要由渣量的区别引起。

以上两类试验结果基本验证了热力学分析结论，同时为常规转炉冶炼中，采用锰矿直接还原工艺，稳定和提高锰收得率提供了基础依据。

3 工业性试验

工业性试验是推进锰矿直接还原工艺实际应用的必要步骤，转炉试验于2011年10月在武钢炼钢总厂某分厂进行，该厂转炉冶炼终点钢水平均ω(C)在0．04％～0．05％，试验方案如下：

1)试验钢种：Q195和Q235。

2)原料情况：(1)锰矿成分与前期试验所用一致，粒度10～40min，占用改质剂料仓；(2)使用脱硫铁水，入炉温度不小于1280℃，成分符合标准；(3)废钢比不大于10％，并减少返矿加入量；(4)其他散装料符合现行生产需求。

3)转炉双渣法操作工艺流程。(1)装入制度：适当减少废钢比，根据铁水温度按废钢比5％～10％装入废钢，然后装入量75～80t铁水。(2)供氧制度：按现有双渣软吹模式吹炼，首先低枪位点火提温，1～2min以后采用高枪位操作，前期供氧强度不大于2．5m3／(t·min)。350～450s时第1次倒渣后，仍采取高枪位化渣，之后降枪进入脱碳模式。(3)造渣制度及锰矿加入模式：与供氧制度相配合，吹炼开始前加入第1批渣料，渣料以白云石为主，配加部分石灰，第1批渣碱度控制在1．5～2．5，高枪位软吹提高渣中FeO含量。吹炼350～450s时，摇炉倒渣，当倒渣量为第1批渣量的1／3～1／2左右，摇正炉体。分批加入第2批散状料，同时分批加入0．8～1．2t的锰矿石，继续吹炼。最后一批料在吹炼结束前3min内加完，终渣碱度控制在3．5～4．0。(4)底吹制度、终点控制及合金化、取样制度与正常生产一致。

共进行6炉工业性试验，试样包括了吹氧80％以后的过程样和冶炼终点样，其结果与中试试验结果合并分析，如图2所示。图2显示了中试试验与转炉锰矿直接还原试验中相似的锰收得率趋势，即同样地随着终点碳含量的提高而升高。而转炉试验中收得率数值总体较低，可归结于较大的渣量(实际80～100kg／t)和转炉中的过氧化环境，即在其冶炼终点时渣中(FeO)高于平衡值，且倒炉时倒出的渣中含有MnO也影响了总体收得率。从转炉试验结果可以看出，在终点钢水ω(C)达到0．06％～0．09％，且其他条件基本满足锰矿直接还原要求的情况下，锰收得率可以达到35％～45％。

将锰矿直接还原中试与转炉试验对炼钢过程的影响进行了综合分析，结果表明，冶炼过程中的脱磷率均稳定在88％～92％，脱硫率提高5％以上，且每加入1kg的锰矿，实践中可减少0．2kg左右的石灰消耗量，同时完全省去萤石等化渣剂的使用，因此，可以表明锰矿加入后的熔融还原对转炉冶炼过程有利。

从经济因素考虑，锰矿的加入，可以减少作为转炉渣料的活性石灰的加入量，且随着锰矿与锰铁价格比逐渐减小，在锰收得率达到35％～45％的条件下，采用锰矿直接还原方法的锰合金化成本优势将十分明显；同时，从环境因素来讲，生产锰铁或硅锰电量消耗约为3000～6000kWh／t，并产生大量污染物，锰矿直接还原合金化工艺直接跳过此高耗能、高污染环节，是全流程降耗的体现。因此，总体来讲，锰矿直接还原合金化是控制炼钢合金化成本、降低总体能耗、减轻行业环境污染的一项有效技术。2011年10月以来，武钢炼钢总厂已经在扩大试验该项技术，并逐步向更多普通碳素结构钢的冶炼过程推广。

4 结论

1)基于转炉双渣冶炼工艺的锰矿直接还原过程中，终点钢水ω(C)达到0．06％～0．09％，锰的收得率可以稳定提高至35％～45％。

2)双渣条件下，终点碳含量是影响转炉锰矿直接还原的决定性因素。

3)基于双渣工艺操作，转炉锰矿直接还原具有实践意义和经济优势。

参 考 文 献：

[1]   蒋晓放，陈兆平．宝钢转炉少渣炼钢的实践[J]．宝钢技术，2003(1)：5—8．

[2]   LI Guangqiang，CHEN Zhaoping，JIANG Xiaofang，et al．A model for Mn ore smelting reduction in BOF process[J]．International Congress on Science and Technology of steelmaking．Gifu，2008：279—283．

[3]   文永才，董艳华，王涛，等．采用锰矿对钢进行直接合金化[J]．钢铁钒钛，1998，19(3)：7～13．

[4]   杨治争，曹同友．锰矿直接还原合金化模型与实验研究[J]．武钢技术，2009，47(4)：25—27．