锰矿团块高温熔融自还原过程中金属锰的聚集及挥发行为研究

It is a new steelmaking technology that the manganese ore is directly used as the alloy element to increase residual manganese content of molten steel at the end-point of converter operation. The essence of the technology is the smelting reduction of MnO by carbon dissolved in molten steel. Less volume of steelmaking slag and higher content of carbon at end-point control are the necessary condition in order to improving the manganese yield. At present, BOF steelmaking process can not achieve less slag operation in China. Therefore, this project proposed a technology of direct alloying using self-reduction briquettes made of lean manganese ore mixed with coal powder at the end-point of converter blowing. The manganese ore and coal could be mixed evenly and contact closely on the briquettes. The reduction reaction between MnO and carbon taking place in briquettes is quite fast. And the BOF slag volume and carbon content of steel at end-point of converter have little influence on the self-reduction reaction. The reaction of lean manganese ore containing carbon during the period of blowing end to tapping finish will be investigated in this project. The aims are to interpret the melting self-reduction mechanism of manganese and iron oxides in the converter slag, find out the aggregation and growth behavior during the metal generating process, and verify the volatilization characteristics, its influencing factors and suppression measures of manganese. The results could provide theoretical basis for the popularization and application of the technology.

转炉炼钢过程中加锰矿直接合金化提高终点钢水残锰含量这一炼钢新技术，其实质是渣中的MnO与钢水中的C之间的熔融还原，转炉少渣炼钢及终点高拉碳操作是提高锰收得率的必需条件。鉴于我国转炉还无法实现少渣炼钢的现况，本项目提出了将由贫锰矿粉和煤粉压制成的自还原团块在吹炼后期加入转炉以进行直接合金化的方法。由于锰矿与还原剂充分混合且紧密接触，在团块内部氧化锰与内配碳进行高温熔融自还原反应，该反应受转炉渣量和终点钢水碳含量的影响很小。本项目旨在模拟从转炉吹炼结束到出钢完成的几分钟时间内，利用炉内高温条件使贫锰矿含碳团块快速发生自还原，解明自还原团块在转炉熔渣中的锰、铁氧化物的高温熔融自还原机理，查明在高温熔融自还原过程中生成金属的聚集长大行为，探明在高温熔融自还原过程中产物金属锰的挥发特性及其影响因素和抑制措施，为该技术的推广应用提供理论依据。

鉴于我国转炉还无法实现少渣炼钢的现况，本项目提出了将由锰矿粉和煤粉压制成自还原团块在吹炼后期加入转炉以进行直接合金化的方法，利用炉内高温条件使团块内快速发生自还原反应，从而实现钢水合金化。采用理论计算和实验研究相结合的方法，研究了锰矿含碳团块在转炉高温条件下的自还原和渣浴还原过程，发现团块在熔渣中的熔化还原过程可分为3个阶段，熔渣温度对还原过程中金属颗粒的聚集长大过程影响显著，锰矿含碳团块在渣浴还原前期还原速度决定于化学反应，而中后期反应速度的限制环节均为气相扩散。通过对高温熔融自还原过程中生成金属的聚集长大行为研究，发现当熔渣温度T=1600℃时，团块在熔渣中停留时间t＜120s时，铁氧化物的还原占主导地位，金属颗粒生长指数n≈2.27，颗粒生长速率常数k=56.96µm2/s；t≥120s时，锰氧化物的还原占主导地位，金属颗粒生长指数n≈0.4，颗粒生长速率常数k为0.044µm2/s。熔渣温度的升高对团块内金属颗粒的聚合长大有促进作用。通过研究炉渣同化行为对金属锰挥发的抑制作用，发现在还原过程中，金属Mn的挥发速率在还原前3min最大，而后随着液渣量增加而逐渐降低。CaF2的加入使得炉渣熔点降低，液渣生成的时间缩短，从而抑制了金属Mn的挥发。通过对含碳压块还原过程中金属Mn的挥发动力学进行分析计算，发现在还原前期金属Mn的挥发速率同时受到化学反应和内扩散速率控制，化学反应表观活化能为24.99kJ/mol，内扩散表观活化能为29.23kJ/mol。在还原后期金属Mn的挥发速率主要由内扩散速率控制，此时内扩散表观活化能为219.79kJ/mol，在还原后期扩散阻力要远比前期大。在100t顶底复吹转炉上进行了工业性尝试，在采用锰矿自还原压块进行转炉直接合金化时，金属锰的收得率平均为65.17%，但具有较大波动；提高转炉终点[C]，减少转炉渣量，降低炉渣氧化性可有效提高金属Mn的收得率；当按15kg/t配入团块，转炉终点温度平均降低18℃，未对转炉的正常冶炼造成影响。通过本项研究，为转炉用锰矿自还原团块直接合金化炼钢技术的工业化推广应用提供理论参考。