碳酸锰直接合金化冶炼高锰钢的实验研究

发布时间：2020-09-19 17:11

　　高锰钢具有良好的加工硬化性能和优异的耐磨性能,在受到强烈的冲击和挤压的条件下,仍然保持着良好的韧性和硬度,因此得到广泛的应用,例如冶金矿山、建筑材料、铁路农机及国防军工等。传统冶炼高锰钢的方法是利用锰铁合金或者锰硅合金进行合金化冶炼高锰钢。但是,锰合金价格较贵,而且熔炼锰合金是一个高能耗、高污染的过程,很难满足现阶段提倡的绿色冶金要求。因此,本课题提出了使用菱锰矿中的主要成分碳酸锰作为直接合金化原料来冶炼高锰钢的工艺,该工艺省去了冶炼锰铁合金的步骤,降低冶炼的能耗,减小对环境的污染。本文以碳酸锰粉料、碳还原剂粉料为直接合金化原料,进行了将粉状原料制备成直接合金化块料的原料预处理实验研究,考察了粘结剂用量、还原剂粒度、水分用量、成型压力、保压时间等因素对直接合金化块料强度的影响,以期为制取优质的直接合金化块料提供参考。同时,本文也进行了碳酸锰直接合金化的熔炼实验研究,考察了熔炼温度、还原剂种类、还原剂粒度、粘结剂种类、料块预处理温度等因素对直接合金化终点钢中金属锰含量及其收得率的影响,为优化碳酸锰直接合金化工艺提供参考。通过以上研究得出如下结论:(1)通过分析标准状态下碳酸锰分解反应的热力学得出:在温度高于400℃时碳酸锰开始分解,当温度高于1716℃时,锰的高价氧化物将全部转变为MnO;计算当碳作为还原剂时,锰氧化物与碳发生还原反应的标准吉布斯自由能可知,MnO2和Mn2O3与碳在1214℃条件下开始还原,全部转化为MnO;温度高于1394℃时,MnO被碳还原的反应正向进行,所以从热力学角度上看,在炼钢温度范围内MnO被碳还原的反应是能够进行的。(2)根据分子离子共存理论建立了CaO-MnO-SiO2-MgO-Al2O3五元渣系活度计算模型,计算表明,当炉渣碱度为R=1.7时,(MnO)活度值达到最大,其值为0.125。保持五元炉渣碱度一定时,钢液温度的变化范围在1450℃~1650℃时,渣中MnO活度的变化影响很小。在非标准状态下,当温度高于1214℃时,MnO与碳的还原反应能够顺利进行,其中当碱度R=1.7时,金属锰的分配比最小为1×10-9,在此条件下直接合金化过程中金属锰进入钢中的量最大。(3)通过正交实验分析了黏结剂种类、成型压力、水分加入量、还原剂粒度和保压时间对生料料块和熟料料块落下强度和抗压强度的影响。对实验结果进行极差分析表明,成型压力的大小对料块强度的指标影响程度最大,还原剂粒度、水分加入量、保压时间、粘结剂种类对料块的落下强度和抗压强度的影响程度依次减小,其中粘结剂种类对料块的落下强度和抗压强度几乎没有影响。在成型压力10MPa,还原剂粒度200目,水分加入量10%,保压时间15s时,料块落下强度和抗压强度最大,且在该工艺条件下生料料块落下强度为6.4次/个,抗压强度为43.2N/个,熟料料块落下强度为4.2次/个,抗压强度为30 N/个。通过分析不同还原剂粒度对生料料块和熟料料块的断面形貌,发现当还原剂粒度为80目时,熟料料块断面的裂纹粗大明显,且有许多凹坑,产生裂纹,块料易碎裂。当还原剂粒度为200目时,熟料料块的断面裂纹均匀分布且细小,没有明显凹坑,料块不易碎裂。因此,还原剂粒度对于生料料块和熟料料块的成型率有较大影响,还原剂粒度越小,原料粉料成型率越高。(4)通过L12(3×24)正交实验分析了熔炼温度、还原剂种类、还原剂粒度、原料预处理温度、粘结剂种类钢液中金属锰含量及金属锰收得率的影响规律。极差分析表明,熔炼温度对终点钢中金属锰含量及其收得率的影响程度最大,还原剂粒度、料块预处理温度、还原剂种类、粘结剂种类对终点钢中金属锰含量及其收得率的影响程度依次减小。在最优水平组合(即熔炼温度为1500℃,还原剂粒度为200目,压块预处理温度为500℃,还原剂为焦炭时)下,直接合金化终点钢中金属锰含量和金属锰收得率最大,合金化终点钢中金属锰含量和金属锰收得率分别为11.37%和93.42%,终点钢的化学成分达到了ZGMn13高锰钢的成分要求。(5)为了探究直接合金化过程中金属锰的损失量及去向,对直接合金化过程中锰的含量进行质量平衡计算,结果表明:初始直接合金化原料中的金属锰量为43.2g,由于金属锰挥发温度为1438℃,当熔炼温度为1550℃、还原剂选用焦炭、还原剂粒度为200目、原料预处理温度为500℃时,直接合金化终点熔渣中锰含量最低为3.06%,直接合金化终点钢中的锰含量最高为11.37%,其中进入钢中的锰质量为40.4g,进入渣中的锰质量为1.5g,剩余的1.3g的锰在直接合金化过程中以熔体喷溅或挥发的形式损失;在熔炼温度为1450℃、还原剂选用石墨、还原剂粒度为80目、原料预处理温度为200℃的条件下,直接合金化终点熔渣中金属锰含量最高12.98%,直接合金化终点钢中的锰含量最低为7.38%,其中进入钢中的锰质量为27.1g,进入渣中的锰质量为11.8g,剩余的4.3g的金属锰也是在直接合金化过程中以熔体喷溅或挥发的形式损失。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TF76
【部分图文】：

示意图,直接合金化,碳酸锰,锰铁

得到的 MnO 中的 Mn 被还原进入钢液中，因为钢液中的 Mn 活度小，所以还原需要的推动力较小，还原过程容易进行；而在冶炼锰铁合金过程中，锰铁合金中锰的活度较大，这样将 MnO 还原成金属锰进入钢液时就需要较大的反应推力，相对前者来说就较困难，需要消耗更多能量。用碳作还原剂冶炼锰铁时还原反应为：MnO（s）+C（s）=Mn（s）+CO ΔrG1θ=271654-168.67T （1.1）锰铁进入钢液中反应可理解为：Mn（s）=[Mn] ΔrG2θ=-38.12T （1.2）碳酸锰直接合金化过程反应为：MnCO3=MnO+CO2MnO（s）+C（s）=[Mn]+CO ΔrG3θ=294244-211.29T （1.3）当T=1773K时，式(1.1)的标准吉布斯自由能为 ΔrG1θ= 27397.91 KJ/mol，式(1.3)的标准吉布斯自由能为 ΔrG3θ= 80373.17 KJ/mol，可以看出反应式(1.3)更易于进行。该过程的吉布斯自由能变化可用图 1.1 表示。

状态图,锰氧化物,状态图,碳酸锰

锰氧化物分解热力学状态图

锰氧化物,还原反应,标准吉布斯自由能,标准状态

重庆大学硕士学位论文表 2.2 标准状态下碳酸锰还原热力学Table 2.2 Thermodynamics of reduction of manganese carbonate in standard state方程式编号标准吉布斯自由能△rGθ/(KJmol-1) 开始还原温度15 △rGθ=-81123-209.7T 自发进行16 △rGθ=-56513-179.28T 自发进行17 △rGθ=113826-202.54T 1173K18 △rGθ=294244-211.29T 1667K根据上表中热力学数据，在标准状态下，当固体碳作为还原剂时，锰氧反应的标准吉布斯自由能△rGθ及各还原反应发生的开始还原温度绘制图（ΔGθ-T 图），如图 2.2 所示：

【相似文献】