龐建明1，潘聰超1，馬永寧2，李興波2，魏云雷2，魏云松2
1.中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司資源應(yīng)用與合金材料事業(yè)部 2.陜西盛華冶化有限公司技術(shù)中心
1 引言
錳是當(dāng)代工業(yè)材料中必不可少的金屬元素，被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、有色冶金、化工、電子等領(lǐng)域，其中90%以上的錳被用于鋼鐵工業(yè)，作為合金元素加入鋼液中進(jìn)行合金化，以改善鋼的強(qiáng)度、硬度、延展性、韌性和耐磨性等機(jī)械性能[3]。錳礦石是目前工業(yè)用錳的主要來源，但我國(guó)的錳礦資源大多品位較低，平均為21.4%[4]，富錳礦石（TMn≥30%）的資源儲(chǔ)量
僅占全國(guó)總資源儲(chǔ)量的6.7%[5]，開發(fā)利用難度大。在錳鐵合金冶煉工藝中，品位直接影響了冶煉能耗和生產(chǎn)成本，尤其是以高爐法、礦熱爐法、感應(yīng)爐法[6-8]為代表的傳統(tǒng)冶煉工藝
中對(duì)低品位錳礦要進(jìn)行富化預(yù)處理，流程長(zhǎng)，能耗高，污染大。在環(huán)保要求日益提高的情況下，開發(fā)能耗低，環(huán)保，冶煉成本低的錳合金生產(chǎn)工藝具有十分迫切的需求。
微波作為一種新型高效的加熱方式，具有非接觸加熱、選擇加熱、加熱速度快等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于礦石預(yù)處理，碳熱還原及固廢處理等領(lǐng)域。對(duì)含碳鐵礦粉進(jìn)行了微波加熱還原試驗(yàn)研究[1]，結(jié)果顯示微波加熱縮短了還原反應(yīng)時(shí)間，并提高了金屬化率。對(duì)微波下兩種還原劑對(duì)MnO2還原動(dòng)力學(xué)的影響[2]，認(rèn)為微波加熱可以提高M(jìn)nO2金屬化率的速度。本文對(duì)微波加熱條件下實(shí)現(xiàn)碳熱還原低品位錳礦制備含錳生鐵進(jìn)行了試驗(yàn)研究，這對(duì)低品位錳礦的高效綜合利用具有一定的指導(dǎo)意義。
2 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)過程
2.1 試驗(yàn)原料
（1）礦料
礦料包括寧強(qiáng)錳礦、屈家山錳礦、鐵精粉，經(jīng)過破碎磨粉，烘干后檢測(cè)成分如表1所示。
（4）粘結(jié)劑
使用粘結(jié)劑為工業(yè)淀粉，用量為物料重量的2%。
2.2試驗(yàn)過程
微波碳熱還原錳礦生產(chǎn)含錳生鐵試驗(yàn)工藝流程包括原輔料預(yù)處理、混合壓球、微波加熱冶煉，其工藝流程圖見圖1。
圖1微波冶煉含錳生鐵工藝流程圖
首先通過破碎機(jī)、磨粉機(jī)等將礦料、焦炭、熔劑等制成合格粉末，分別稱取相應(yīng)重量的礦粉、還原劑粉、熔劑粉和少量粘結(jié)劑經(jīng)過混勻設(shè)備混勻后送入壓球機(jī)，添加一定比例水壓制成球，經(jīng)105℃烘干備用。將一定量干燥后的球放入容器內(nèi)，置于微波爐中加熱熔煉，加熱功率按設(shè)定溫度和設(shè)定時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，升溫至預(yù)設(shè)溫度后恒溫，還原產(chǎn)物隨爐冷卻至1000℃以下，將物料取出進(jìn)行水淬。還原產(chǎn)物經(jīng)破碎、篩分分離得到錳鐵合金和渣。對(duì)金屬成分進(jìn)行化學(xué)分析，錳的測(cè)定采用方法依據(jù)GB/T 5686.1-2008測(cè)定，鐵的測(cè)定依據(jù)GB/T 8564.1-2007測(cè)定。
3冶煉原理、配料計(jì)算及結(jié)果分析
3.1冶煉原理
錳礦的碳熱還原過稱中主要發(fā)生以下反應(yīng)：
由圖3和圖4可知，隨著冶煉溫度的升高，金屬元素的收得率整體呈上升趨勢(shì)；當(dāng)冶煉溫度超過1420℃時(shí)，金屬元素收得率變化不大。在溫度為1420℃時(shí)，對(duì)屈家山錳礦配比的料球中鐵元素和錳元素收得率分別達(dá)到98.9%和76.7%；對(duì)寧強(qiáng)錳礦配比的料球中鐵元素和錳元素收得率分別達(dá)到96.9%和74.7%。在相同冶煉溫度下，屈家山錳礦配比料球中，金屬元素的收得率高于寧強(qiáng)錳礦配比的料球。微波冶煉低品位錳礦生產(chǎn)含錳生鐵冶煉溫度控制在1400℃~1420℃為宜。溫度為1420℃時(shí)兩種錳礦冶煉的含錳生鐵見圖5和圖6，冶煉出的含錳生鐵合金成分見表5。
4 微波冶煉含錳生鐵連續(xù)化批量試驗(yàn)
在小試結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行了連續(xù)化批量試驗(yàn)，采用150kW微波冶金示范線，冶煉窯總長(zhǎng)15米如圖5所示，采用全微波冶煉，分為預(yù)熱段、反應(yīng)段、保溫段等多個(gè)區(qū)域，年處理能力為1000噸。將寧強(qiáng)錳礦粉礦、鐵礦粉、無煙煤粉、熔劑，按一定比例混合配料，用壓球機(jī)壓制成含碳球團(tuán)，干燥后通過臥式布料機(jī)，平鋪至臺(tái)車上（中試線臺(tái)車800×1000mm），物料隨著臺(tái)車首先進(jìn)入干燥區(qū)，通過后段產(chǎn)生的尾氣余熱進(jìn)行干燥、預(yù)熱、脫去物理水及結(jié)晶水。然后依次經(jīng)過預(yù)熱段、反應(yīng)段和保溫段，發(fā)生直接還原、晶粒團(tuán)聚長(zhǎng)大等反應(yīng)，成為一定粒度的金屬粒鐵（30~100mm）此時(shí)物料為半熔融狀態(tài)，溫度為1400℃，如圖5所示。冷卻破碎后最終得到含錳生鐵，如圖6所示。
連續(xù)化批量試驗(yàn)運(yùn)行7天，生產(chǎn)30批次含錳生鐵合金產(chǎn)品（見表6），合金收得率90%以上，得到的含錳生鐵成分（見表7）基本符合設(shè)計(jì)要求，合金收得率與實(shí)驗(yàn)室小型微波試驗(yàn)爐相當(dāng)。
5 結(jié)論
本文對(duì)在微波加熱條件下實(shí)現(xiàn)碳熱還原低品位錳礦制備含錳生鐵進(jìn)行了試驗(yàn)研究和連續(xù)化小批量生產(chǎn)，冶煉出了符合設(shè)計(jì)預(yù)期的含錳生鐵，得出微波冶煉低品位錳礦生產(chǎn)含錳生鐵冶煉溫度控制在1400℃~1420℃為宜，合金收得率達(dá)到90%以上，錳元素收得率達(dá)到76.7%，這對(duì)這對(duì)低品位錳礦的高效綜合利用具有一定的指導(dǎo)意義。
微波冶煉含錳生鐵主要用于摸索微波冶金特性，對(duì)目標(biāo)合金成分不要求。就利用微波方式冶煉合金產(chǎn)品而言，應(yīng)該根據(jù)微波冶煉的特點(diǎn)，制定微波冶煉合金產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。
