高炉锰铁的生产---高炉锰铁冶炼原理

    高炉锰铁冶炼以炭作发热剂和还原剂，在高炉中将锰和铁的氧化物还原，生成锰铁合金及炉渣、煤气，是一系列复杂的物理化学过程。
    1.锰在高炉内的还原过程
    在高炉上部的较低温度区域，锰的高价氧化物易分解，逐级还原为MnO,但由于锰矿石中含有SiO₂，MnO在未达到还原温度以前，即与脉石中(或燃料熔剂中)的SiO2结合生成硅酸锰进入渣中，锰的还原实际上是在液态炉渣中进行的。炉渣中的硅酸锰比自由状态的MnO更稳定，使锰的还原更加困难，需要的温度更高。
    2.锰铁炉渣的形成及其对冶炼的影响

    在冶炼锰铁高炉不同高度取样进行岩相分析，并测定炉渣粘度、温度，将测定结果编制锰铁高炉造渣过程示意图(图1)。图中表明，在温度600~700℃区间内，炉料以固相存在，这里MnO₂还原为Mn₃O₄，吸附水和结晶水蒸发。到750~900℃区间锰矿石局部进入到塑性状态——矿石熔结，新的矿相如3CaO·SiO₂,2CaO·SiO₂及3CaO·2SiO₂开始出现。800~1000℃温度范围内，除塑性体外还出现了液相。由于在该区域内存在着钙锰橄榄石(2CaO·SiO₂,2MnO·SiO₂)而生成液相，使得该区域透气性变差。在此温度区间矿石已经软化并转变成为塑性状态并生成含锰的液相初渣。当温度高于1100℃以后，除塑性体外主要的是液相，其成分基本上与上区域相似，大部分石灰仍为固相。在炉腹区域，由于大量锰从炉渣中由碳进行直接还原，渣中CaO含量急剧增加，MnO含量相应降低。在炉缸中，熔渣最终吸收焦炭中的灰分及熔剂中的CaO,MgO等，形成终渣。[next]
    在高炉锰铁炉渣的形成过程中，炉渣中各组分对冶炼有不同程度的影响。

    炉渣中的CaO可以改善硅酸锰的还原条件，将硅酸锰中的MnO置换出来，增加渣中自由MnO的浓度，利于MnO的还原。炉渣中CaO含量与MnO含量的关系见图2。炉渣中的CaO可以提高炉渣及铁水温度，对MnO还原有利。表1说明了CaO含量与炉渣、铁水温度的关系。在生产中，渣中CaO含量不应超过高炉工作条件允许范围，还和炉料中SiO₂的含量有一定关系，n(CaO)/n(SiO₂)之比为炉渣碱度，CaO含量过高使炉渣碱度过高，会使炉缸阻塞，炉况不顺。
    炉渣中合适的MgO既可调节炉渣碱度，又可改善渣的流动性，为MnO的还原创造有利条件，从而促使高炉各项指标的改善。根据国内生产实践,n(CaO)/n(SiO₂)=1.40~1.55时，渣中MgO含量增加1%，渣中MnO含量可降低0.5%~1%。

    渣中的A1₂O₃对MnO的还原也有影响，如图3所示。在相同碱度下，渣中MnO含量随其中Al₂O₃的增加而降低。这是因为A1₂O₃含量的增加，提高了炉渣的熔点．初渣在高炉中形成的位置降低,炉料预热充分，带入炉缸的热量增加，MnO的还原速度加快创造了条件。但A1₂O₃含量过高，会使炉渣粘度增高，反而恶化MnO的还原条件。高炉生产实践证明：炉渣中A1₂O₃的含量应控制在10%~15%为宜，最高不要超过20%。[next]
    3.煤气流在高炉内的形成及运动规律
    高炉内煤气产生于风口区的焦炭燃烧(2C+O₂===2CO).风口前生成的煤气分布称煤气初始分布。其分布情况决定于风口布置、风口个数、风口直径、风口角度及伸入炉内的长度、风量大小和风温高低。以上因素综合体现为鼓风功能。鼓风动能高，煤气流向中心集中，中心气流发展，反之边缘气流发展。
    煤气的第二次分布发生在高炉中部的软融带。软融带的形状大体可分为V型、倒V型和W型。软融带形状与高炉上下部调节、炉内温度分布、炉料性质等有关。软融带形状不同，煤气通过后流向也不同。根据对炉喉CO₂曲线的检测分析，高炉内煤气流的分布主要有四种类型。
    (1)边缘发展型——煤气主要沿炉墙附近的边缘通过。
    (2)双峰型——煤气主要由边缘与中心两条通路经过。
    (3)中心发展型——也称双峰漏斗型、煤气主要由中心区通过。
    (4)平坦型——煤气沿高炉截面均匀通过。
    以上四种类型煤气分布对高炉冶炼过程影的响如表2.所示。

    生产实践表明，锰铁高炉炉喉煤气CO₂径向分布采用双峰漏斗型曲线控制较为理想，如图4所示。采用此种曲线操作，其软融带为倒V型,“气窗”面积大，煤气易于通过，使高炉操作顺行。