摘要
锰资源在全球各国都有举足轻重的地位，其90%用于钢铁领域。富锰渣是通过高炉或电炉冶炼，将锰元素富集在渣中而得到的中间产品，其通常呈浅绿色块状，在冶炼硅锰合金时可以起到调整Mn/Fe和P/Mn的作用，锰系合金也是铁合金领域不可缺少的一部分。随着全球富锰矿资源日趋减少，世界各国针对低品位锰矿普遍采用通过生产富锰渣进行富集处理，达到高效利用低品位锰矿的目的，在中国富锰矿储量极少的情况下也具有重要的现实意义。本文对现存低锰高铁矿的冶炼工艺及其国内外研究现状进行了对比，同时介绍了富锰渣领域的研究进展，发现目前冶炼工艺大都存在工艺流程长、冶炼能耗高、环境污染重等缺点。 本论文所用试验原料为科特迪瓦某公司提供的低锰高铁矿，对低锰高铁矿的化学成分及矿物成分进行分析，原料中含有锰元素27.7%，含有铁元素18.1%，Mn/Fe=1.53，属于典型的低锰高铁矿石，并且锰元素多以MnO2和Mn3O4的形式存在。本文研究在低锰高铁矿还原-熔分过程中，用焦炭作还原剂，并且通过改变碱度还原制备富锰渣的理论分析及试验工艺参数。通过计算锰矿还原过程的热力学以及采用Factsage软件的Phase Diagram模块对渣系进行理论计算，同时探索了反应温度、碱度和配碳量三种因素对渣中Mn、Fe质量分数和Mn在渣中回收率的影响规律，最后通过响应曲面法优化试验得出最佳的冶炼工艺参数。通过以上研究得到以下结论： （1）对科特迪瓦低锰高铁矿还原过程的热力学分析计算可以得出：随着还原温度的升高，还原剂焦炭会发生气化反应从而生成一氧化碳，一氧化碳进一步将锰元素的氧化物从高价态转变为低价态，当热力学条件以及动力学条件都满足时，高价态的锰氧化物可以被一氧化碳还原成一氧化锰。锰矿在加热状态下会进行自分解过程，当Tgt;1450K时，高价态的锰氧化物转化成MnO的形式存在。在还原气氛条件下，锰氧化物从高价态向低价态转变的热力学条件均能够得到满足，且与锰矿自分解反应相比，转变温度均有所降低，得出焦炭作为还原剂可以明显改善锰氧化物发生还原反应的热力学条件。另外，热力学分析表明，在铁氧化物被充分还原的情况下，Mn元素进入炉渣中，达到富集锰元素的目的。同时通过Factsage软件的Equilib模块模拟得出渣系的理论熔点在1366.84℃。 （2）单因素试验表明，反应温度、碱度以及配碳量均对锰矿还原-熔分过程有不同程度的影响。在本试验的温度范围内，升高温度有利于锰元素在渣中的富集程度，且当温度为1400℃时，Mn元素在渣相中回收率达到最大值，同时，试验过程中还可以发现升高温度有利于渣铁分离，因此应在保证渣铁分离良好的前提下尽量选取较低的反应温度。在锰矿还原熔分过程中，升高碱度有利于锰元素在渣中的富集程度，从而改善富锰渣的品位。当配碳量处于10%~15%范围内时，渣中Mn的质量分数及Mn元素在渣中的回收率均取得较大值。同时配碳量过低会导致Fe还原不充分，过高则会使Mn回收率下降及渣铁分离变差。 （3）基于Box-Behnken理论确定了响应曲面试验方案，通过对响应曲面法优化试验建立的锰元素回收率多元二次回归方程进行数据拟合后，结论显示，三种因素影响炉渣中锰元素回收率的显著性大小分别为：反应温度＞配碳量＞碱度。通过响应曲面优化试验得到的最佳理论冶炼数据为：还原温度1402.36℃，碱度0.10，配碳量10.04%。由于实际试验过程条件的限制，将最佳理论工艺参数确定为：还原温度1402℃，碱度R=0.10，配碳量10%，在此参数水平下进行验证性试验，得到Mn元素回收率的平均值为93.13%，与模拟结果误差较小，说明模型可靠，并且可以获得锰含量为40%以上的合格的富锰渣。
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