高成本矿价下的锰硅合金冶炼工艺研究

廖 智

（四川瑞城实业有限公司，四川 成都 610041）

国内外各生产厂家对锰硅合金冶炼进行了大量的研究和探索，但都基于良好的入炉矿石，其能较好提高Si、Mn元素的回收率，但现面临复杂的国际形势，进口矿开采、运输、价格等因素受限，给国内冶炼生产成本和连续稳定生产带来很大压力。本文基于12500KVA矿热炉设备改造等工作和有关工艺操作的要求，结合整体生产成本，采用国内低价锰矿来冶炼锰硅合金，并对实际作业情况进行总结。通过相关实践证明，国内低品位锰矿冶炼锰硅合金工艺的相关技术措施能得到有效控制，可有效降低生产成本。

1 提高和稳定整体冶炼温度

锰硅合金是通过对矿石中的锰、硅还原而形成，因含有非金属硅，因此其还原温度高。为有效使得MnO和SiO2最大程度的还原到合金，需尽量的提高反应温度，因SiO2的还原温度比MnO更高。但不同的冶炼方式，会造成炉内不同区域的温度出现差异，因而在高温下也可能得到不同的SiO2还原率。在矿热炉功率固定的情况下，从以下方面来提高反应还原温度以及稳定炉内温度。

一是需要合理设计电极极心圆直径。极心圆大小是由矿热炉功率、电极直径和炉料性质决定，极心圆过大时炉心区温度低，坩埚不易连通，对炉壁损害也大；而极心圆过小时，炉心温度过高，火焰大，元素挥发快，电极也不容易下插。因此采用极心区有功功率来作为参考指导，可对极心圆的大小及有功功率密度、极区能量强度进行合理的判断，从而提高和稳定整体的炉内温度。矿热炉中，极心圆内是温度最高处，也是发生还原的主要区域，温度是决定整体炉况的关键，及时将高熔点物质熔化，两者均需保证足够的有功功率密度，根据矿热炉整体功率，确定电极极心圆大小，可以将极区有功功率密度设置在1000 kW/m2左右作为参考。二是合理设计矿热炉炉膛直径，保证炉内达到有效的整体功率密度，对矿石熔融及还原反应温度提供保证，同时也起到维护均衡炉内整体温度的作用，将功率密度控制在400kW/m2左右，炉温较稳定。三是根据冶炼时间合理设计矿热炉炉膛深度，为避免易造成热散失、死料区形成和影响电极插入，要尽量避免低炉膛和高炉膛，此会对整体炉况、温度的控制和金属回收率带来极大影响。

2 控制碱度提升回收率

锰硅合金冶炼属于有渣冶炼，必须考虑炉渣碱度的问题。炉渣碱度是影响炉况及各项经济和技术指标的重要因素，根据碱度（CaO+MgO）/SiO2的计算，因Si的还原要在酸性条件下才更有利，因此需要保证足够的SiO2，一般控制在38%左右，所以在冶炼过程中，碱度的影响因子主要体现为对CaO、MgO的量把控。在冶炼中，碱度过高，即CaO、MgO含量增加，此会增加渣量，熔融电量增加，炉内温度无法提升，加上CaO与SiO2生成硅酸盐，使的Si还原困难。碱度过低，炉渣发粘，排渣困难且不彻底，易引起刺火翻渣，且炉渣导电性降低，矿热炉功率无法达到正常，继而造成炉温降低，坩埚缩小，化料速度慢，SiO2还原能力下降，大量Si和Mn开始进入渣中，严重影响金属回收率。根据研究以及长期的生产经验，碱度由0.2增大到0.6～0.8时，锰的回收率随着碱度的升高而提高，碱度再度提升，锰的回收率反而下降。因此，锰硅合金冶炼生产中，将碱度控制在0.65～0.8之间，此外，还需要控制炉渣中的MgO含量，此能大大改善炉渣的流动性，又利于炉温的提高，促进SiO2的还原。

在此碱度区间下，尽量提高炉渣碱度，可有效的提升Mn的回收率，最终达到较为理想的冶炼目标。通过研究，提高炉渣中的Al2O3含量，有提升Mn回收率的效果，随着渣中Al2O3含量的增高，生产单位锰硅合金的渣量也就越小。这是由于进入炉内的Al2O3基本不参加还原，也不挥发，全部进入炉渣，同时，Al2O3为中性氧化物，对炉渣的熔点、流动性，以及Mn和Si元素在炉渣-金属液相间的分配和回收率，有较大的影响和作用，也就直接影响硅锰合金生产经济技术指标，为此在原料中引入Al2O3来调整冶炼渣，形成新的高Al2O3炉渣。根据Al2O3不参与还原的特点，通过研究计算（CaO+MgO)/Al2O3的比值与炉渣中Mn的关系，比值不断增大，其Mn含量也开始降低，但含量比未引入Al2O3时要高，同时在炉渣中的Al2O3达到一定值后，渣量会明显减少，此可减少渣中带走Mn。经对渣量与渣Mn量的测算，当炉渣中的Al2O3在增加时，虽炉渣中的Mn较正常高，但炉渣量相应减少，即炉渣中的Mn的总含量下降了。因此对Mn、Al、Mg、Ca、Fe、Si组成的炉渣碱度系统进行了重新调整，在炉温稳定的情况下，炉渣碱度和Al2O3提高后，形成低渣比冶炼。近年来，炉料中Al2O3的组分的影响作用还存在较大的争议，随着进口锰矿使用量的增加，为我国锰硅合金另一种低渣比冶炼工艺的实施创造了良好的条件，对Al2O3的应用和探讨有所降低。

3 低成本配矿原则

锰硅合金一般是采用多种锰矿（包括富锰渣）混合生产，为保证产品质量，即符合锰硅合金的锰、硅、磷、硫、碳的含量要求，需要满足冶炼矿石的锰铁比和锰磷比、碱度等。同时，在冶炼中，入炉矿中综合锰品位越高，各项指标也会越好，基本决定着冶炼的经济和技术指标。在技术指标、炉温得到满足的情况，对低渣比配矿进行研究，因国内的锰矿基本为中低品位矿，为达到基本的入炉品位，需搭配进口高锰矿进行调节。进口高锰矿资源全部集中在沿海港口，对于西南腹地来说，无论采用铁路还是公路，运费均达到矿价的25%，采用水陆联运可降低一半运费，因配船、装船等因素，周期达一个半月，加上资金费用也大致相当。而锰硅合金市场波动性大，长周期对成本适应性较差，为降低成本，一般作为补充、调节用矿。

在上述基础上，配矿不仅满足技术指标，还要考虑经济指标，给冶炼带来较大的局限性，通过生产实践，现已经达到要求。在计算出混合矿的各种成分与锰含量的比值，得出与各理论配料值进行比较，以最高入炉锰含量、最合理、最经济的配比进行入炉。一是合理利用资源，尽量采用原生矿成份，满足炉渣碱度、硅等要求。由于矿石中的Ca、Mg、Al等均不易被还原，其在熔融后将全部进入炉渣中，并且若采用其他非锰矿石作为添加，必定增加电耗，结合排渣的顺畅性、碱度控制、入炉品位等，矿石选择上，尽量使用高硅、高钙镁锰矿，减少单独添加如白云石、萤石等，避免降低综合入炉品位，这样可将锰矿综合成分得到充分利用，资源不浪费。二是生熟料搭配使用，保障熔融速率。因技术要求，矿石中的Ca、Mg、Al提高，且均难还原元素，其熔化均较慢，为保障还原反应的匹配，避免浪费能量以及还原剂，其综合矿石需匹配还原速率，采用生料和熟料搭配方式，解决此问题，熟料一般采用烧结矿或富锰渣，也可适当搭配部分冶炼渣。三是减少高成本进口高锰矿使用量，降低生产成本。全部使用国内锰矿作为原料是无法满足合格的锰硅合金生产，必须采用进口高锰矿以稳定综合入炉矿石品位，并由原来的主料作为辅料，进口矿比例控制在20%左右。

锰硅合金的生产工艺的原料配比是一个既简单又复杂的工作，不但考虑矿石问题，还涉及焦炭等其他问题，要做到合理搭配，不仅要利用好各中有利成分，还要考虑各种矿石的物理结构如矿石粒度，理化指标等因素的影响，然后通过补充计算和设定参数值的方法，从矿石成分上可达到充分合理利用，最终可达到以降低生产成本，改善生产效果，取得最好的经济效益。锰矿经过合理配料后，入炉锰含量适当时，辅料加入量少，矿石中所含的SiO2、CaO、MgO、MnO等有利元素合理，这些辅料补充少时，也就提高了锰含量，而且弥补了单用锰矿石含锰量来评价锰矿搭配的不足。通过此方案，综合入炉锰矿品位降低至29%左右，进口高锰矿用量降低了60%以上。

4 严控操作和用电制度

现不同单位的Mn和Si的还原率相差还是很大，单项差异可达40%。产生差异的根本原因是矿热炉设备参数和电气操作制度的不同造成炉内熔池反应区的温度差别较大，个别地方可能会形成集中高温区。而从锰硅合金冶炼的能量平衡角度来讲，能否满足入炉有效功率的要求，是能否实现低渣比操作的关键。为使矿热炉稳定运行，应保持三次出炉间电极顶端位置有一个稳定移动，以便在炉内有稳定的还原反应区，并有恒定有功功率的输人。要达到上述要求，采用恒定电流的操作方式不妥当。在实际生产中，炉前仪表工是根据电极把持器的位置，采取电极电流先升后降的控制模式，实现恒功率操作。要保证稳定的冶炼温度，冶炼过程的操作和用电必须控制，因为在矿石入炉到合金出炉整个周期内，矿石和熔渣中的锰和硅是同步进行还原的，温度的保障是关键，既能提供稳定的进行矿石融化环境和有效的还原温度，也可为炉底的炉渣和成品提供稳定的气氛，整个过程要尽量避免集中高温，造成锰气化挥发逸出，此还得控制二次电压，不得过高，且需深插电极，炉料厚度有效，使炉气外逸时可充分与炉料接触，吸收部分挥发的锰，减少损失，提高回收率。所以在实际操作过程中，需严格控制相关过程，一是科学的确定冶炼周期，根据矿热炉功率、炉内体积、锰硅还原程度，确定冶炼周期，也可以根据耗电量来判断冶炼周期；二是用电操作需保持恒定功率，但考虑操作安全和冶炼程度，可进行梯度调节功率；三是减少起停电次数，保障炉内温度的持续稳定；四是电极插入炉料深度和升降时间控制，满足炉内的温度要求；五是控制炉料高度，即满足冶炼需求也可防止炉内能量散发和提前对矿石进行预热，冶炼过程中及时对炉面周围的烧结和硬块清理，使炉料冒火均匀。

5 结语

经生产实践，生产指标控制较好，在矿石成本价高的情况下，充分利用国内的低品位矿石，将综合入炉Mn品位降低5%，增加冶炼电耗9%。本锰矿综合入炉品位29%左右，Si的回收率达到了55%左右，Mn的回收率最高可达到91%左右，平均矿耗2.5t/t，冶炼综合电耗低于4200kWh/t，日均产量可以高达70t，综合成本得到有效控制。根据最新颁布的铁合金单位产品能源消耗限额标准，锰硅合金冶炼限定电耗不仅进行了限额等级分类，还较之前降低了150kWh/t，在降低入炉矿石品位的情况下，其能耗也符合国标要求。