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硅锰合金生产中入炉锰矿的优化搭配

文章来源：本站更新日期：2008/12/30

本文通过对以往配矿思路的缺陷分析，引入炉料含锰的概念和配矿思路，相应补充和推导部分配矿参数，浅谈了这些参数的应用方法及步骤，以达到合理配矿和优化配比的目的及效果。
        长时间以来，对锰硅合金入炉锰矿石的优劣评价和搭配思路，与冶炼高碳锰铁的用、配矿相类似，即为满足所炼产品的质量要求而严格控制入炉矿石的锰铁比和磷锰比。在合理搭配矿石来改善生产的技术经济指标上，基本遵循矿石锰含量高则技术经济指标好的思路，对提高入炉锰矿石的品位非常注重，相反对矿石所含的炉渣成分(SiO2、Al2O3、CaO、MgO)考虑较少或只有定性而无定量的考虑。这势必会产生以下问题：
        1）入炉矿石锰含量高，而矿石所含SiO2低时，为满足产品硅含量的质量要求或工艺规律，必须配加的硅石也多。
　    2）入炉矿石的锰含量高，而造渣物质的含量不理想，配人的熔剂（白云石）以及上述的硅石等辅助原料多，不仅会改变炉内反应的热力学条件，而且会增大渣量或渣比，导致冶炼的单位电耗上升，不利于指标改善。
　　3）追求矿石锰品位，忽视了矿石所含对于锰硅合金冶炼有用的成分，导致部分锰品位偏低而综合成分较适于该品种冶炼的锰矿石得不到利用，浪费了锰矿资源。

        1 入炉锰矿石的合理搭配
        从以上分析可知，以矿石锰含量高低作为锰硅合金入炉锰矿石优劣评价和在矿石搭配上追求入炉矿石锰含量是不全面的，也不尽合理和科学。要达到合理搭配锰硅合金入炉锰矿石的目的，除了注重锰矿这一重要品位指标外，更为重要的是确立以炉料含锰量来评价和搭配锰矿石，且分析预测其经济效果，确定最佳矿石配比的配矿思路。
        1、1炉料含锰的概念、含义及相关系数推导
　　所谓炉料含锰量就是包括入炉料比中的还原剂、附加硅石、熔剂、添加剂等在内的锰含量，可用下式表达：
　　Mn料=100×Mn矿／(100＋A＋B＋C)　　　　　　　　　　　　　　　（1）
式中，Mn料—入炉炉料含锰量，％；
　　Mn矿—入炉锰矿石含锰量，％；
　　A—以100kg入炉矿石所算料比需补充的硅石量，kg；
　　B—以100kg入炉矿石所算料比需补充的熔剂量，kg；
　　C—以100kg入炉矿石所算料比的焦炭量，kg。
　　从（1）式可看出，即使入炉矿石锰含量高，如果补充配入的硅石、白云石等辅料多，说明该炉料入炉锰含量并不高，必将影响冶炼效果。相反矿石锰含量适当，矿石所含SiO2、Al2O3、CaO、MgO等合理，不需补充或少量补充硅石、白云石等辅料，表明入炉炉料含锰量高。炉料含锰量高，不仅说明矿石锰品位高，而且弥补了前述以矿石锰品位评价的不足，还表明入炉原料的有用成分多，成渣和无用成分少，渣比下降，电能利用率和合金有用元素的收得率相应提高，单位功率和时间内电炉熔化和还原的炉料多，生产效率和冶炼的技术经济指标也就相应改善。因此，在搭配锰硅合金入炉锰矿石上，不只是考虑产品质量要求和矿石锰含量高低的问题，更重要的是从利于工艺控制、炉况顺行和生产稳定，以及能改善综合技术经济指标的角度出发，以炉料含锰量的高低作为入炉锰矿石选择搭配的依据。
　　依据以上分析和以炉料含锰配矿的思路要求，我们在锰硅合金入炉硅石的选择搭配上，除了根据所炼产品的质量要求，充分利用锰铁比、磷锰比和硫含量控制值等常规参数外，还根据锰硅合金冶炼的特点，补充了SiO2/Mn、(CaO＋MgO)/Mn、Al2O3/Mn等计算参数。
        1.1.1锰铁比、磷锰比及硫含量
　　锰铁比、磷锰比分别是指锰矿石的锰、铁、磷三种元素含量的比值。根据资料〔1〕，锰铁比、磷锰比的控制可用以下公式计算：
　　Mn矿／Fe矿≥[Mn]×ηFe／[Fe]×ηMn　　　　　　　　　　　　　                           　（2）
    P矿／Mn矿≤[P]×ηMn／[Mn]×ηP 　　　　　　　　　　　　　　                           　（3）
式中，Mn矿、Fe矿、P矿—分别表示入炉锰矿石中的锰、铁、磷含量，％；
　　[Mn]、[Fe]、[P]—分别表示所炼产品牌号的锰、铁、磷含量要求，％；
　　ηMn、ηFe、ηP—分别表示锰、铁、磷入合金率，％。
　　在锰铁合金的冶炼中，硫元素入合金的比率不到1％，且还原剂带入的硫量占炉料总硫量的比例较大，故对矿石的含硫量一般不作具体要求。
        1.1.2   SiO2矿／Mn矿(CaO＋MgO)矿／Mn矿
　　依据（1）式可知，当补充配入硅石和熔剂最少（即A、B都等于零），而含锰量最高的矿石，才是最理想的入炉锰矿石，即炉料含锰最高。根据锰硅合金冶炼中锰、硅、铁
等元素的主要还原反应可推导出如下参数式（均以100kg入炉锰矿石为基准）：
　　合金产量G=Mn矿×ηMn／[Mn]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　    　　（4）
　　硅石配比A={（G×[Si]×60／28）/ηSi－SiO2矿－C×SiO2焦}／SiO2石　　　　　　（5）
　　熔剂配比B={（G×[Si]×60／28）×（ηSi渣／ηSi）×R－（CaO＋MgO）矿－C×（CaO＋MgO）焦}／（CaO＋MgO）熔剂　　　　　　　　（6）
式中，[Si]—表示所炼产品牌号的硅含量要求，％；
　　ηSi、ηSi渣—分别表示硅入合金和入渣的比率，％；
　　SiO2矿、SiO2焦、SiO2石—分别表示矿石、焦炭和硅石的二氧化硅含量，％；
　　（CaO＋MgO）矿、（CaO＋MgO)焦、（CaO＋MgO）熔—分别表示矿石、焦炭、熔剂的氧化钙和氧化镁含量，％；
　　R—表示炉渣碱度，一般控制在06～08之间。其余与（1）、（2）、（3）式相同。
　　根据国内铁合金生产所用还原剂焦炭化学成分的普遍情况，焦炭带入的SiO2、Al2O3、CaO、MgO主要来源于灰分，其数量相对较少，含量比例类似或接近该品种冶炼
的炉渣成分。因而可将（5）、（6）两式中焦炭带入部分忽略不计。
　　通过前述的假设（A=0和B=0），将（4）式分别代入（5）、（6）两式整理得：
　　SiO2矿／Mn矿=214×（[Si]×ηMn）／（[Mn]×ηSi）　　　　　　　　　　   　　（7）
　　（CaO＋MgO)矿／Mn矿=214×（[Si]×ηMn×ηSi渣×R）／（[Mn]×ηSi）　   　　（8）
        1.1.3　Al2O3矿／Mn矿
　　在锰硅合金冶炼中，进入炉内的Al2O3一般不被还原，也不会挥发，几乎全部入渣。且因Al2O3属中性氧化物，对炉渣的熔点、流动性，以及锰、硅二元素在炉渣金属液相
间的分配和回收率，都有较大的影响和作用，是决定炉渣性质，影响渣比及锰硅合金技术经济指标的主要因素。为此用低Al2O3矿石，造高Al2O3炉渣，一直是科技人员长期研究
的课题和目标。然而实践证明，由于工艺、设备参数和所炼牌号的炉温区别，渣中Al2O3含量也不尽一致。因而在实际生产当中，要结合实际情况来确定炉渣的渣型和渣中
Al2O3的含量。
　　通过锰硅合金炉渣的普遍物质组元和上述定义可得出：
        Al2O3入渣／（SiO2入渣＋CaO入渣＋MgO入渣）≤（Al2O3）／[（SiO2）＋（CaO）＋（MgO）]　　　　　　　　　　　　　　　　    　　　（9）
　　通过代入和整理可得到：
　　Al2O3矿／Mn矿≤214×{[Si]×ηMn×ηSi渣×（Al2O3）×（1＋R）}／{[Mn]×ηSi×[（SiO2）＋（CaO）＋（MgO）]}　　　　　　　　　　　（10）
式中,Al2O3入渣、Al2O3矿、（Al2O3）—分别表示Al2O3入渣量和在锰矿石、炉渣中的含量;
　　SiO2入渣、（SiO2）—分别表示SiO2入渣量和在炉渣中的含量;
　　CaO入渣、（CaO）—分别表示CaO入渣量和在炉渣中的含量；
　　MgO入渣、（MgO）—分别表示MgO入渣量和在炉渣中的含量；

　　从上几式可知，对入炉锰矿石的锰铁比、磷锰比、硅锰比、铝锰比以及（CaO＋MgO）／Mn的具体要求，都与所炼产品的化学成分和各元素入合金的比率有关，而元素入合金率又受渣型、还原剂、炉型及设备参数等因素的影响。因此，上述参数的计算，要综合产品质量、原料条件、矿热炉特性和炉渣渣型的选择来确定。
        2 参数的应用
　　利用上述参数计算式，可确定入炉锰矿石的最佳工艺配比，达到合理配矿和改善指标的目的，其具体步骤如下：
　　1）根据所炼品种牌号的化学成分要求，矿热炉特性、回收率、入渣率、挥发率和适宜渣型等条件，代入上述公式计算出该品种牌号的理想配矿参数值。
　　2）根据锰矿石的化学成分，初步确定出若干满足锰铁比、磷锰比要求的矿石配比。
　　3）计算出上述各配比混合矿的硅锰比、铝锰比及（CaO＋MgO）／Mn等的比值，与第一步算出的理想参数值进行比较，得出与各理论参数值最为接近的几个配矿比例，并计算出各配比的炉料含锰量，以最高炉料含锰量的锰矿搭配比例为最佳工艺配比。由该比例构成的入炉料，在实际冶炼过程中，工艺易于控制，炉况较为稳定，炉渣渣型合理，且渣铁比较小，生产的技术经济指标比较理想。
        3　选择确定最经济的配矿方案
　　前已说明，合理搭配矿石的目的，不只是为稳定生产出合格产品和获取较好技术指标，更为重要的是充分利用锰矿资源，用最低的原料成本，创造较好的经济效益，也就是选择最经济的配矿方案。
　　根据单位重量锰矿石所产铁合金量、辅配料比及各矿石原料的价格，其单位原料成本可按如下公式计算：
        吨混合矿成本=ΣXiJi　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　             　      　（11）
　　吨矿石所配辅料成本=A×JA＋B×JB＋C×JC　　　　　　　　　　　　　　   　　（12）
　　吨混合矿的锰含量Mn矿=ΣXi×Mn矿i　　　　　　　　　　　　　　　　            　　（13）
　　吨矿合金产量（吨）=Mn矿×ηMn/[Mn]　　　　　　　　　　　　　　　　              　（14）
　　综合整理得：
　   单位原料成本=[Mn]×（ΣXiJi＋A×JA＋B×JB＋C×JC）／（ηMn×ΣXi×Mn矿i）　　（15）
式中,Xi—第i种锰矿石的搭配比例，％,i为自定序号；
　　Ji—第i种锰矿石的单位价格，元／吨；
　　JA、JB、JC—分别为硅石、熔剂、焦炭的单位价格，元／吨；
　　Mn矿i—第i种锰矿石的含锰量，％；
　　A、B、C—分别为1吨入炉锰矿石所需配入的硅石、熔剂、焦炭量，吨；
　　其余与前面公式相同。
　　利用前述得出的最接近各理论配矿参数的矿石配比，通过（15）式进行单位原料成本的预算，以成本最低的方案用于实际生产，即是最经济的配矿方案。

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