锰矿自还原压块转炉直接合金化基础研究

【摘要】自从20世纪80年代开始探索转炉冶炼过程中使用锰矿进行直接合金化技术以来,日本钢企通过铁水“三脱”和转炉少渣冶炼手段将锰的收得率稳定在70%左右。但我国转炉炼钢工艺与日本存在本质区别,各厂的工业试验结果表明,锰收得率一般波动在5-25%之间,经济效益不明显。本课题提出了一种新的转炉用锰矿自还原压块直接合金化方法,在转炉吹炼结束后将锰矿自还原压块加入炉内,压块内MnO被固态碳快速还原生成金属Mn进入钢中,减小了传统锰矿直接合金化工艺中因转炉渣量大、终点[C]含量低和转炉终渣氧化性高等因素对氧化锰熔融还原反应不利的影响,从而提高金属Mn的收得率本文对比分析了以天然锰矿和富锰渣为原材料的含碳压块自还原过程规律,并对自还原过程中金属Mn的挥发特性及抑制措施进行探讨,在此基础上通过中频感应炉模拟转炉直接合金化过程,对直接合金化过程中的动力学建模计算。分析直接合金化过程对炉内温降的影响,提出进行锰矿直接合金化工业性生产的方案与建议。(1)通过天然锰矿含碳压块自还原试验结果发现：压块内C/O为1.2时最为合适；还原温度对压块的还原度影响不大；助熔剂CaF2能有效提高还原前期的还原速率。根据还原结果可将还原过程分为2个阶段。在还原前期反应速率受化学反应控制,其动力学方程为：在反应后期反应速率受CO在试样内部扩散速度控制,其动力学方程为：(2)富锰渣中锰主要以2MnO.Si02的形式存在,需要添加适量的CaO进行置换生成游离态MnO以提高其还原性。富锰渣含碳压块自还原试验结果表明：当压块内C/O为1.2、碱度为1.0时锰的还原率可达到90%以上；适当的加入助熔剂CaF2可加速其还原,缩短还原时间。对富锰渣含碳压块还原过程中动力学进行分析,通过计算得到化学反应表观活化能为24.07kJ/mol；内扩散表观活化能为107.55kJ/mol,压块还原反应速率由CO气体在产物层中的传质决定,其动力学方程可表示为：(3)通过天然锰矿与富锰渣压块的自还原试验对比发现,富锰渣压块比天然锰矿压块还原得更加充分。在不添加助熔剂的情况下还原至10min左右时,天然锰矿压块中氧化锰与氧化铁还原失氧度约为70%,金属Mn挥发率约为8.3%；富锰渣压块中氧化锰的还原率约为90%,其金属Mn挥发率约为7.2%；(4)通过富锰渣含碳压块自还原过程中金属Mn挥发试验结果发现：在自还原过程中,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,当压块中加入5%CaF2时还原至10min,金属Mn的挥发率降低约40%。采用收缩未反应核模型对C/O为1.2、碱度为1.0、CaF2为5%的富锰渣含碳压块还原过程中金属Mn的挥发动力学进行分析计算,计算结果表明在前5min内金属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。在还原至5～10min时金属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。通过对比前后内扩散表观活化能可以看出在还原后期扩散阻力要远比前期大；(5)在25kg中频感应炉内模拟转炉直接合金化过程,试验结果发现：富锰渣压块在直接合金化过程中金属Mn的收得率在30%-70%波动,波动范围较大。以钢中[Mn]和渣中(MnO)的传质方程为基础,建立了直接合金化过程的耦合动力学模型,采用Matlab对模型进行编程计算,计算结果表明：降低转炉渣量和炉渣氧化性对提高压块中金属Mn收得率具有明显的效果。因此,在转炉实际操作过程中应该控制渣量,并避免转炉终点低拉碳,降低炉渣氧化性；(6)将转炉直接合金化时压块熔化反应过程分为三个阶段,计算每个阶段的最大吸收热能,由此建立了渣量为60kg/t、出钢量为100t时100kg压块加入时炉渣与钢液的最大温降公式如下：炉渣最大温降：钢液(7)建议在转炉TSO操作结束后一次性加入锰矿含碳压块进行直接合金化操作,压块的加入量由5kg/t逐渐增加至20kg/t,在加入压块前需将转炉底吹氩开至最大,以加强炉内的搅拌效果。加料尽量均匀,防止炉渣的局部过冷。在冶炼终点采用高拉碳操作,以提高转炉终点碳含量,同时也防止炉渣氧化性过高,从而提高金属Mn的收得率。
【作者】张波；
【导师】薛正良；
【作者基本信息】武汉科技大学，钢铁冶金，2014，博士
【关键词】转炉直接合金化；锰矿；自还原压块；金属Mn挥发；

【参考文献】
[1]任飞.能源视角下我国省域综合交通运输体系优化研究[D].西安科技大学,技术经济与管理,2014,硕士.
[2]李振.因特网拥塞控制机制的研究[D].西安电子科技大学,通信与信息系统,2003,硕士.
[3]李深.基于视觉的仿人机器人自定位研究[D].浙江大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[4]周广涛.多维实数向量组及模糊数的排序方法及应用[D].杭州电子科技大学,运筹学与控制论,2013,硕士.
[5]吕颜海.高中地理课堂导入教学方法与实施策略研究[D].山东师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[6]王洋.注册会计师审计职业道德建设研究[D].北京交通大学,2014.
[7]邢雁鹏.AFP阳性胃癌的临床病理特点及预后分析[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[8]徐佰鸽.野生稻内生真菌对水稻和烟草幼苗的促生作用研究[D].浙江大学,植物保护,2012,硕士.
[9]杨婉悌.中国档案职业资格认证的探索[D].辽宁大学,档案学,2012,硕士.
[10]毛莉莉.我国官员财产申报制度研究[D].苏州大学,公共管理（专业学位）,2012,硕士.
[11]贾明伟.网络环境下通信自由的刑法保护[D].西南政法大学,刑法学（专业学位）,2012,硕士.
[12]任家东,任东英,高伟.分布式多层关联规则挖掘[J].计算机工程,2003,05:96-98.
[13]董胜利,王树青,谢磊.鲁棒PLS在间歇生产过程监控中的应用[J].控制与决策,2005,07:823-826.
[14]李牧南.浙江瑞昶实业有限公司电视购物渠道管理研究[D].浙江理工大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[15]赵建峰.多地域公路桥梁常规车辆及特重车荷载研究[D].长安大学,桥梁与隧道工程,2014,硕士.
[16]孙元章,刘海涛,程林,王鹏.运行可靠性在线短期评估方案[J].电力系统自动化,2008,03:4-8.
[17]魏先政.高速InGaAs单光子探测器设计[D].山东大学,电路与系统,2013,硕士.
[18]李云龙.电动汽车无线供电系统磁耦合机构研究[D].重庆大学,控制科学与工程,2014,硕士.
[19]蔡慧.扬中市可持续农业中的植保专业化防治的调查与建议[D].南京农业大学,植物保护,2013,硕士.
[20]沈哲芬.城市公园建设与管理市场化研究[D].华侨大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[21]刘文明.《淮南子》成语研究[D].内蒙古大学,汉语言文字学,2013,硕士.
[22]赵宝永.模糊控制技术在变频调速恒压供水系统中的应用研究[D].辽宁工程技术大学,控制理论与控制工程,2004,硕士.
[23]周怡,周卫平,李燕茹.用SQLServer2000构建数据仓库的尝试[J].数理医药学杂志,2003,01:75-76.
[24]郭燕萍.应用于微弱信号检测的20位高精度Sigma Delta ADC设计[D].西安电子科技大学,软件工程,2012,硕士.
[25]王文邦.论我国中小学教育中的知识冲突及其消解[D].东北师范大学,教育学原理,2012,硕士.
[26]颜远.同步原理在E1链路扩展中的应用[D].武汉理工大学,通信与信息系统,2004,硕士.
[27]周丽娟.《简说林肯》（引言和第一章）翻译实践报告[D].重庆大学,翻译（专业学位）,2014,硕士.
[28]王晓君.后巩膜加固术后巩膜生物力学性能的研究[D].太原理工大学,生物医学工程,2004,硕士.
[29]刘兰锋,魏修成,黄中玉,王鲁,李丽华.基于数据库的并行抽道集技术[J].石油地球物理勘探,2015,03:565-568+8.
[30]王建军.箱形拱桥静力分析与动力分析的QR法[D].广西大学,固体力学,2004,硕士.
[31]张倩.基于重复控制的永磁同步电机伺服系统研究[D].哈尔滨工业大学,电气工程,2014,硕士.
[32]彭冲.大学生完美主义、成就动机与就业期望的关系研究[D].湖南师范大学,应用心理学,2014,硕士.
[33]袁铭虹.武汉市地方税务局税务稽查改革研究[D].华中师范大学,公共管理,2014,硕士.
[34]王鸿.固态电解质和电催化材料的制备及其在染料敏化太阳电池中的应用[D].复旦大学,无机化学,2013,博士.
[35]张舰.全胸腔镜肺叶切除术治疗早期肺癌的学习曲线[D].河北医科大学,外科学,2013,硕士.
[36]陆波.中国小卫星工程管理要点研究[D].北京交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[37]桂一丹.大学英语口语教学中的档案袋评价实证研究[D].西南民族大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[38]肖嘉耀.暂态电能质量检测与监测数据压缩方法研究[D].华东交通大学,交通信息工程及控制,2014,硕士.
[39]赵洁.双轴运动远程控制系统及其控制方法研究[D].南京航空航天大学,模式识别与智能系统,2004,硕士.
[40]陶金花.数据流管理框架的研究[D].大庆石油学院,计算机应用技术,2004,硕士.
[41]陶斌斌.多孔介质对流干燥传热传质机理的研究及其数值模拟[D].河北工业大学,热能工程,2004,硕士.
[42]尹劲松.智能温室环境控制系统的设计与试验研究[D].西南农业大学,农业机械化工程,2004,硕士.
[43]钦白兰,吴宗杰,丰杨.遗址历史空间的深度绘图及其经义接续[J].东南文化,2014,04:15-24+127-128.
[44]丛丹,王俊普,杨文,张劭一.基于FP-Tree的模式分解算法[J].计算机工程,2005,16:77-79+88.
[45]张丹萍.通用技术教师教科书使用水平及提高策略研究[D].南京师范大学,职业技术教育学,2012,硕士.
[46]马廷淮,赵亚伟,张海盛,曾振柄.基于粗糙集的决策规则约简[J].计算机工程,2003,12:5-7.
[47]黄林.半乳糖化白蛋白磁性阿霉素纳米粒对大鼠肝脏移植性恶性肿瘤bcl-2及bax蛋白表达影响的研究[D].中南大学,外科学,2004,硕士.
[48]马丰.基于数据仓库的电信客户关系管理研究[D].广东工业大学,2004.
[49]赵有铖,赵曼勇,张结.IEC61850信息模型一致性的检验和控制方法[J].电力系统自动化,2007,22:61-64.
[50]宋静静.留守青少年社会关系网络、互联网使用对社会创造性的影响[D].华中师范大学,发展心理学,2014,硕士.