英文
ferro manganese smelting inblast furnace
简介
生产高碳锰铁的最早方法，迄今仍在使用。高炉除生产高碳锰铁外，还生产过镜铁(Mn5%～20%，C3.5%～5.5%)，硅镜铁(Mn15%～20%，Si约10%)与高硅生铁(Silvery Pig Iron，Si约10%)等。还处理铁锰矿生产富锰渣(人造富锰矿)。
简史 1875年普尔塞尔(A.Pourcel)在法国泰尔努瓦(Terre Noire)的高炉内炼出含有60%～80%Mn，6%～7%C的高碳锰铁。20世纪初中国汉阳铁厂在100t高炉内冶炼镜铁。1937～1944年日商在天津建制铁所冶炼锰铁。中华人民共和国成立后，1949年阳泉钢铁厂用高炉冶炼镜铁和锰铁。鞍山钢铁公司于1950年用试验炉和临近大修的高炉冶炼锰铁。石景山钢铁厂、重庆钢铁厂与马鞍山钢铁厂等都先后用高炉生产锰铁和镜铁。新余钢铁厂于1960年开始冶炼锰铁。
图1 高炉冶炼锰铁工艺流程图
1—高炉;2—热风炉;3—鼓风机;4—氧气调压室;5—焦炭仓;6—原料仓;7—焦炭筛;8—料车; 9—斜桥;10—重力除尘器;11—旋风除尘器;12—文氏管;13—灰泥捕集器;14—洗涤塔;15—脱水器;16—半精煤气总管;17—电除尘;18—净煤气总管;19—煤气加压站;20—煤气洗涤污水池;
21—铁水罐车;22—渣罐车;23—铸铁机;24—铁块车;25—锰铁库;26—磅秤;27—冲渣池;28—皮带机
生产工艺 将锰矿(包括烧结矿)、焦炭、石灰、白云石按配比从炉顶加入高炉。鼓风机从高炉风口鼓入热空气与焦炭燃烧产生热量，使炉料熔化，还原而成为炉渣与高碳锰铁，定时从炉底排出。炉渣排入渣罐送冲渣池粒化，用作生产水泥及建筑材料的原料。高碳锰铁送铸锭间用铸铁机铸锭。(见图1)炉顶产生的荒煤气含尘量高(30～50g/m3)，粒度细(85%<2μm)，温度高(350～600℃)，粉尘易凝聚成硬块，给荒煤气净化带来很多困难。荒煤气从炉顶经重力除尘器、文氏管、电除尘净化后，净煤气含尘量<10mg/m3。部分煤气用于热风炉，其余作燃料。这种湿式除尘系统产生大量洗涤水，浊度高，含有氰化物(30～300 mg/t)、Mn、Pb、Zn、As、酚等有害物质，要用水渣过滤法或生物化学法或亚硫酸铁沉淀法等处理后，闭路循环使用，才能达到环保要求。
法国巴黎乌特罗锰铁公司(SFPO)的锰铁高炉的煤气净化系统是先用板式电除尘器除尘后再经洗涤塔水洗(图2)。荒煤气含尘约30 g/m3，处理后净煤气含尘约1 mg/m3。生产1t高碳锰铁产生的炉气粉尘中，含有氰化物4.25kg，干式除尘系统除去94%(4.0kg)。重力除尘器和板式电除尘器收集的干灰，经螺旋输送机送入集灰室。从集灰室的四周通入冷风使氰燃烧后生成CO2与N2由排气管排入大气。除氰率可达100%。洗涤塔和洗气机产生的污水含氰量为0.2 kg。经过滤(塑料层)、蒸发塔挥发约90%，废气从塔顶烟囱排入大气。余下约10%随污水经沉淀池沉淀后，循环使用。
图2 SFPO厂煤气净化系统工艺流程图
高炉特点 高炉冶炼锰铁的焦比高，负荷轻;煤气量大，在炉身极易发展边沿气流;炉料吹损大;炉顶温度高。初渣中MnO含量高，流动性好，对炉身中、下部耐火砖侵蚀快。由于上述特点和冶炼规律，锰铁高炉的内型与生铁高炉相比是扩大炉喉;加大炉腹直径使高炉有效高度和炉腰直径比降低;实践证明，无炉衬高炉(图3)能适应冶炼锰铁的要求，可以得到较好的技术经济效益。所谓无炉衬高炉是指除承受高温炉渣和铁液的炉缸与炉底部分用砖砌外，炉腹、炉身的外壳用水喷淋或汽化冷却。不砌耐火材料。锰铁高炉的其他设备基本与炼铁高炉相同，仅在一些参数和设备匹配上作适当修改。
原料 高炉锰铁用锰矿石要求含Mn>30%，Mn：Fe>3，P：Mn<0.005，对SiO2量有限制。块度8～40mm。入炉锰矿经过水洗可以降低入炉矿含粉率，提高锰矿的含锰量，和降低焦比。水洗后<2 mm的粉矿可作尾泥处理。2～8 mm粉矿用带式烧结机烧结成高碱度锰烧结矿或高碱度高MgO锰烧结矿。对焦炭的要求与炼铁高炉相同。熔剂最好用生石灰，也可用石灰石。
冶炼过程 根据锰铁高炉炉体解剖的结果，加入的炉料在高炉内可分为块状带，软熔带、滴落带和再还原区。块状带位于炉身处，炉料未达熔点时，锰矿、焦炭和熔剂分层相间存在;锰矿中的锰、铁高价氧化物在块状带受热分解和被炉气中的CO还原成MnO与FeO;还原反应产生大量的热，使炉顶温度升高;炉料中的水分(附着水和结晶水)、有机物等随炉气外排。软熔带位于炉腰与炉腹，包括炉料靠炉壁的软区和中部的熔区;MnO与FeO同锰矿中的脉石和熔剂开始形成初渣，而分为软熔带和焦炭层;软熔带的存在增大了炉气的阻力，因此要求锰原料的熔点要高而软化区间要窄。滴落带位于软熔带中心;初渣液滴穿过下方的焦炭层时，MnO与FeO被焦炭直接还原。MnO在高炉中的还原过程按巴甫洛夫的观点，在高炉风口以上的炉腹是第一还原区，风口带为锰、铁氧化区，炉缸为再还原区。MnO的还原是在熔融状态被碳还原，与炉缸温度、炉渣碱度和流动性、焦炭粒度有密切关系。MnO还原为Mn需要热量是4946 kJ/kg(Mn)，FeO还原为Fe所需的热量是2699 kJ/kg(Fe)，所以高炉冶炼锰铁的焦比要比冶炼生铁高。
MnO主要是在熔渣中被碳还原。添加CaO提高炉渣碱度，可以提高渣中MnO的活度和炉缸温度，使锰的收得率增加。添加MgO可以提高炉渣碱度，改进炉渣流动性而降低炉渣中MnO含量。MgO对炉渣中MnO含量的影响见图4。当锰铁含Si 0.8%～1.2%时，适宜的炉渣成分为MnO 4%～6%，MgO8%～10%，Al2O3约16%，CaO/SiO2 1.45%～1.55%。
图3 无炉衬锰铁高炉炉型与结构
a—新余钢铁厂立式冷却壁式锰铁高炉(左半边为第5代炉尺寸，右半边为第6代炉尺寸);
b—阳泉钢铁厂立式冷却壁式锰铁高炉;c—法国SFPO厂喷淋式锰铁高炉
高炉冶炼过程是在炉料和炉气的反向运动中进行传热、传质和机械运动。炉料均匀而有节奏地下降，反应产生的煤气合理分布上升从炉顶泄出是高炉顺行的首要要求。焦炭在风口燃烧，焦炭被炉料中的氧氧化，在炉料下降过程中小块料填充于大块料之间，炉料逐渐熔化使体积缩小，定期从炉缸排放炉渣与合金等都会在炉内形成自由空间。炉料由于自重克服炉料与炉壁、炉料间的摩擦力和煤气上升的浮力而下降。锰铁高炉炉缸温度比生铁高炉高，炉料软熔带相对上移，气体通道切面相对变小，气流速度变大，阻力损失增加，对高炉的顺行影响甚大。煤气流的合理分布对高炉冶炼锰铁十分重要。多年生产实践证明：锰铁高炉炉喉处的煤气分布应维持“双峰漏斗”式的CO2含量曲线。才能够满足适当强烈而又稳定的中心气流的冶炼要求。图5是阳泉钢铁厂锰铁高炉经济指标好时的CO2分布曲线。要得到和维持“双峰漏斗”式CO2分布曲线，需保持合理炉型和适当的炉喉间隙;炉料粒度均匀，减少粉料;利用锰矿、熔剂抑制边沿气流和用焦炭疏导中心气流的布料规律;选择合适的鼓风动能(比同型生铁高炉大);此外，用生石灰比用石灰石易于保持比较稳定的中心煤气流。
图4 不同碱度的炉渣中MgO与MnO含量关系图
1986年日本川崎水岛铁合金厂，将高炉层装加料改为矿焦混装，使炉子料柱透气性改善5%，煤气利用率提高9%，焦比下降约100 kg/t，锰回收率提高约2.5%，炉顶温度下降约94℃。中国灵川铁合金厂采用矿焦混装，使焦比下降80 kg/t，锰回收率提高2%，产量提高约3%。
图5 阳泉钢铁厂锰铁高炉炉喉煤气的双峰漏斗式CO2分布曲线(实线为东西向;虚线为南北向)
取样点与炉壳距离：1—50 mm;2—494 mm;
3—938 mm;4—1382 mm;5—1825 mm
富氧鼓风是针对性解决高炉冶炼锰铁“上热下凉”根本矛盾的办法，使风口前燃烧温度提高，更适合冶炼锰铁的要求，取得节焦增产的效果。新余钢铁厂的试验结果为：鼓风含氧量每提高1.0%(在1%～4%范围内)，焦比下降2.78%～2.88%，产量增加6.33%～6.51%，锰回收率提高1.25%～2.25%，工序能耗下降5.08%～5.62%，渣中MnO降低2.53%，炉顶温度降低2.65%，煤气发热值提高3.96%。法国SFPO厂锰铁高炉将等离子体发生器安装在送风系统弯头上，在强大电能的作用下，使进入发生器的气体离子化，达到4000～5000℃，作为高温载体在直吹管与来自热风炉的1200℃热风相混合，使入炉风温提高。该厂7号高炉的9个风口中有8个装有由法国AEROSPTALE提供的2.0MW等离子体发生器，风温由1200℃提高到1750℃，正常使用1500℃。使用结果：风温每提高100℃，可节焦炭6%～7%，或每MWh电能可代替焦炭300kg。等离子体发生器总效率已提高到80%以上，作业率达98%以上。一旦出现故障或停止使用，可采用富氧来维持风口前燃烧温度，保证高炉正常作业。1987年等离子体发生器的寿命已达3500 h，1t锰铁消耗焦炭1020 kg，耗电650 kW·h。等离子体发生器的电能，由高炉剩余煤气发电供给。
中国新余钢铁厂255m3锰铁高炉用含锰为29%～32%的锰矿冶炼的条件下，以提高锰回收率为方针，采用高碱度、高氧化镁渣、维持均匀活跃的炉缸工作，实现低氧化锰渣操作，以降低渣中锰的损失。同时不断改进炉前操作，回收渣中夹带的铁和铸块产生碎铁回炉，减少锰的机械损失。降低炉料含粉率和炉顶温度，维持合理煤气流分布和风口前合理燃烧温度，减少挥发和炉尘损失。入炉锰矿的化学成分为：Mn30.39%(Mn2O3 8.33%，Mn3O4 15.94%，MnO16.69%)，Fe 10.68%(Fe2O3 14.85%，FeO 0.48%)，CaO 13.90%，MgO 5.37%，SiO2 13.29%，A12O36.26%，P2O5 0.198%，S 0.12%，烧损12.32%。入炉混合熔剂CaO 75.07%，MgO2.33%，SiO2 4.13%，A12O3 0.99%，CaF2 5.04%，P2O5 0.007%，烧损12.32%。焦炭含固定碳83.09%，灰分15.73%，挥发分1.16%，水分5.50%，入炉焦比1785.2 kg，矿比2.411 kg。风温为950～1050℃，风压为115～120kPa，鼓风量为650～680 m3/min。计算每吨锰铁产煤气6911m3，炉顶煤气温度600℃。炉顶煤气成分为CO35.5%，CO2 3.00%，N2 59.80%，H2 1.20%，CH40.50%。产出锰铁成分为Mn 66.02%，Fe 26.10%，C6.71%，Si 0.827%，P 0.339%，S 0.007%，出炉温度约1500℃。炉渣成分为MnO 3.38%，CaO 41.17%，MgO 10.87%，SiO2 26.91%，Al2O3 15.69%，FeO0.63%。CaO/SiO2 1.35。出炉温度约1600℃。渣比1.541。255m3高炉冶炼锰铁日产量150～168吨，利用系数0.60～0.65 t/m3·d，冶炼强度1.05～1.20t/m3·d。炉渣含MnO4%～7%，渣比2.5～3.0。锰回收率78%～82%。生产1t高碳锰铁消耗锰矿2700～3000kg，焦炭1750～1900kg，石灰800～900 kg。