SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要 ：某不锈钢厂通过对锰矿在AOD 炉炼钢中应用 的可行性分析后，开展了锰矿在AOD 炉炼钢中应用的试 验。分两种锰矿加入工艺分别进行试验，经过数据统计分 析得出结论 ：锰矿在AOD 冶炼还原期加入，其锰的收得 率可达到 60.66% ;经过炉渣碱度控制大于 1.80.还原期锰 矿中锰收得率可提高到 71.24% ;同时对比价锰矿炉次和 不加锰矿炉次的终端有害元素含量， 发现两者并无明显差 别，加锰矿炉次成分符合钢种标准 ;最后验算加锰矿可实 现吨钢降本约20 元。
关键词 ：锰矿,AOD,炼钢,降本增效
1 不锈钢形势背景
随着新冠病毒在全球的传播、变异与蔓延，国际局部 冲突愈演愈烈，造成世界经济形势日益严峻，在严峻的经 济背景下，国内环保督察日益严厉，以及“碳达峰”“碳中 和”和能源宏观调控政策的实施下，对各原材料的生产厂 家影响较大， 原材料生产压力剧增， 价格不断上涨。
为了实现现代化炼钢厂生产经营“高效、环保、优质、 节能”的原则，某钢厂通过开发锰矿在AOD 炉炼钢的工 艺，以求实现200 系生产中的锰系材料配方优化，有效降 低吨钢成本，提升成品钢在市场上的价格竞争力，并为炼 钢企业绿色可持续发展打好基础。
2 锰在200系不锈钢中的重要地位
为适应不锈钢产业高速发展的要求，根据我国的资源 情况，大力发展以锰、氮代镍型和节镍型不锈钢，是中国 发展不锈钢产业走“节镍”之路的一个重要方向。
铬锰系(200 系)奥氏体不锈钢是在铬镍系奥氏体不 锈钢基础上， 往钢中加入锰和氮代替贵重金属镍元素而发 展起来的。它的奥氏体元素，除锰之外还有氮，国际标准 ISO15510 及中国国家标准均列有相近化学成份的牌号。 在200 系列的不锈钢中，是用足够的锰和氮来代替镍，镍 的含量越低，所需要加入的锰和氮就越高，形成 100% 的 奥氏体结构，因此200 系不锈钢具备奥氏体钢的无磁特性 钢中锰起稳定奥氏体的作用。
由于锰的作用主要是在弱形成和稳定奥氏体方面代 镍，导致此类不锈钢的可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢 的特性无法与 300 系相比较，但是根据200 系列不锈钢产 品特点，市面上大量流通，用以制作建筑构件、装饰件、 车辆结构、护栏、家用电器构件和壳体、报亭、电话亭、餐 饮用具、医疗器具等，由此可见铬锰系(200 系)奥氏体不 锈钢适用范围完全符合市场的需求。
市场对不锈钢的需求日益剧增，以及全球金属资源 的不可再生特性，镍合金的市场价格持续高位，并有上涨 的趋势。由铬锰系(200 系)奥氏体不锈钢来替代铬镍系奥 氏体不锈钢的防腐蚀性，则需要补加的铬、氮、钼、铜等 元素的支撑，由现在的原材料市场价格来看，冶炼铬锰系 (200 系)奥氏体不锈钢来替代铬镍系奥氏体不锈钢，具有 比较高的性价比。
不论是从资源前景还是从市场需求以及价格性价比 来看，由铬锰主导的(200 系)奥氏体不锈钢都是高度符 合中国发展不锈钢产业经营中高效、环保、优质、节能的 原则。
锰矿在AOD 炉炼钢中的应用就是用锰矿作为合金添 加剂，通过配加还原剂，或用钢中脱氧元素，使得锰元素 被还原出来而进入钢液达到合金化的目的。与传统的使用 铁合金进行合金化方法相比， 可省去专门炼制铁合金的设 备和能源消耗，降低合金化成本。同时，直接合金化可以 使用较低品位的合金元氧化物资源和废弃矿渣， 因而对资 源的综合利用及环境保护具有十分重要的意义。
3 锰矿在AOD炼钢中使用可行性分析
锰矿中含有MnO2 、Mn2O3 、Mn3O4 和MnO化合物， 锰 的低价氧化物较高价氧化物稳定，把锰矿加入到AOD 炉 内，随温度的升高，锰的高价氧化物将逐级分解成低价氧 化物，并放出氧。当炉内处于 CO 还原性气氛时，锰的高 价氧化物也被 CO 逐级还原成低价氧化物MnO。
由于国内无钢铁企业在不锈钢炼钢中批量使用锰矿 先例，某钢厂对锰矿在AOD 炼钢中的应用进行实验，锰 矿成分主要成分为 S 含量 0.014%、SiO2 含量 4.8%、MnO含量 36.24%、P 含量 0.012%， 其中锰矿粒度为 15mm， 根 据锰矿的主要化学成分以及粒度在结合炼钢过程中的实 际情况， 可以得出如下分析 ：
(1)锰矿内含 SiO2、P 低、S 高、Mn% >30%， 其中锰 是以氧化物的形式存。从氧化锰含量上来说，可通过工艺 调整对锰矿中的锰的回收， 从而有效的减少后期电解锰的 用量。
(2)锰矿的粒度是比较小的，符合高位料仓上料入炉 的条件。
(3)锰矿可以调节炼钢热平衡。炼钢过程中提供的热 量与炼钢过程消耗的和钢水中保留下的热量之间， 在数量 关系上是守恒的。金属熔池的温度控制与热量的收支密切 相关，在碱度保证的前提下，在氧化后期加入锰矿可以平 衡炉内钢液温度， 创造脱碳保铬的条件。
(4)根据终端碱度控制≥ 2.0.因锰矿中锰以氧化物形 式存在，附带的非金属夹杂物较多，为了减少钢液中的非 金属夹杂物，提高钢液纯净度，必须补加石灰，创造高碱 度炼钢。
(5)不锈钢生产中，对成品Al%、P% 和 S% 等元素的 都是严格管控，其中Al%含量过高，在钢包自开时容易出 现结流，造成连铸停浇。钢中非金属夹杂物易使钢在压延 过程中产生裂纹或产生各向异性。因此，在轧后冷却的过 程中，在钢的基体和夹杂物周围将产生不同步收缩，产生 形变应力场， 导致钢材出现局部裂纹。
(6)考虑锰矿中的锰在AOD 冶炼中的回收率，可以 有效计算其降本效益。
炼钢原材料价格跌宕起伏，导致锰矿价格性价比高， 在200 系不锈钢中使用具备降本潜质。某钢厂通过AOD加 锰矿冶炼工艺开发与应用，设法有效的回收铁水的锰与锰 矿中的锰，从而实现配方优化、降本增效的目的。从开发 新工艺、新技术和优化产能配置等综合因素考虑，AOD 加 锰矿冶炼工艺开发与应用， 可作为降本增效的有效途径。
4 锰矿在AOD炼钢中的工艺实践
通过上述锰矿在AOD 炼钢中使用的可行性分析，可 以通过制定锰矿加入AOD 炉冶炼工艺有效回收铁水的锰 与锰矿中的锰，解决冶炼200 系材质锰系材料成本占比过 大的问题，从而实现配方优化、降本增效的目的。某钢厂 通过现场考察，制定相关工艺，进行了AOD 加锰矿试用 实验。某钢厂AOD 炉主要技术参数为 ：公称容量 70t、平 均出钢量 75t、炉容比 0.6m3/t、供氧压力 0.6m3/t、供氧强 度 0.9m3/(min·t)～ 1.2m3/(min · t)。
4.1 冶炼工艺
某钢厂AOD 炉炼钢采用“双渣法”冶炼，氧化期控制 熔池温度在 1500℃~ 1580℃进行一次倒渣操作。考虑到 氧化前中期需要倒渣，若锰矿过早加入，大部分将跟随前 中期渣子倒出炉外，达不到降本目的，因而锰矿选择在氧 化中后期入炉。此时熔池温度可达 1600℃以上，钢水中的 碳即可还原锰矿中的锰，可节约还原剂。炼钢条件下，锰 矿亦可在还原期加入，使用硅直接还原锰矿中的锰，减少 锰矿中锰的损耗。因此对锰矿加入制定两种工艺 ：
第一种 ：扒渣后，在氧化期加入锰矿 31.71kg/t，入炉 时钢水温度控制 1580℃以上。该工艺试验 9 炉次。
第二种 ：锰矿还原期随硅锰合金一起加入AOD 炉内， 送氧烧硅大于1分钟，还原大于7分钟。该工艺试行27炉次。 4.2 两种锰矿加入工艺的冶炼实验数据
根据锰矿入炉工艺的使用，汇总无锰矿炉次 76 炉与加 锰矿炉次 36 炉的使用数据，加锰矿炉次的使用数据中氧 化期加锰矿炉次为 9 炉，还原加锰矿炉次为27 炉 ;无锰矿 炉次的各种数据如下(均值) ：总锰收得率 95.89%、锰铁 单耗 14.64kg/t、石灰单耗 110.33kg/t、萤石单耗26.34kg/t。 氧化期加锰矿炉次的各种数据如下(均值) ：总锰收得率 89.57%、锰矿的锰收得率 37.11%、锰铁单耗 1.54kg/t、锰矿 单耗 31.71kg/t、石灰单耗 120.42kg/t、萤石单耗 30.11kg/t。 还原期加锰矿炉次的各种数据如下(均值) ：总锰收得率 92.08%、锰矿的锰收得率 60.66%、锰矿单耗27.41kg/t、石 灰单耗 120.84kg/t、萤石单耗26.68kg/t。根据无锰矿炉次与 使用锰矿炉次的使用数据分析， 可以的到如下结论 ：
(1)锰矿的锰收得率平均为 55.11%，其中还原期加 入锰矿的锰收得率最高为 60.66%，氧化期加的锰收得率 37.11%， 可以看出氧化期加入锰矿中锰的回收率较低。
(2)锰矿中锰的回收率直接影响冶炼总锰的回收率， 其中无锰矿炉次锰收得率 95.89%、前期加锰矿炉次锰收 得率 89.57%、还原期加锰矿炉次锰收得率 92.08%
(3)加锰矿炉次的石灰单耗要比无锰矿炉次高 10.51kg/t，不同时间段加入的锰矿其萤石单耗也不同，总 体上比无锰矿炉次高。
4.3 锰矿试验炉次的渣样碱度情况
在不锈钢生产中，碱度是整个冶炼过程不可或缺的 一部分，高碱度炉渣具有较高的吸附夹杂物的能力，能够 有效的提高钢液纯净度，从而保障钢坯质量。相关文献表 示，碱度对相变的影响规律如下 ：碱度为 1.4 时，还原产 物呈熔融态，冷却过程中不能发生粉化分离，金属与渣相 结合紧密 ;碱度为 1.6 时，还原产物冷却过程中发生局部粉化，金属颗粒与熔渣有黏结现象，导致分离不便 ;碱度 为 1.8 时，还原产物冷却时未粉化的少数颗粒在筛分过程 中可得到粉化，金属与渣分离效果较好 ;碱度为 2.0 时， 产物在冷却过程中剧烈粉化，呈爆炸式体积膨胀，金属颗 粒与固相渣完全分离。
通过对锰矿入炉两种工艺的冶炼试验，某钢厂对锰 矿试验取渣样送检分析，随机抽取 18 炉加锰矿炉次渣 样，对渣样碱度和锰回收率分析，渣样结果显示其碱度 范围在 1.34 ～ 2.01.加锰矿炉次平均碱度 1.77.碱度低于 1.80 炉次总锰收得率平均值为 88.33%、锰矿中锰收得率为 35.11% ;碱度高了 1.80 炉次总锰收得率 93.33%， 锰矿中 锰收得率 71.24%。同时 11 炉碱度低于 1.80 炉次中， 锰矿 在前期加入 8 炉次，占比 72.72% ;碱度高于 1.80 的后期加 锰矿炉次占比 71.42%。整体上，后期加入锰矿的碱度控制 更优。
渣样结果显示，锰矿于前期加入AOD 炉冶炼和后期 加入炉内冶炼对比，在同样石灰单耗下，前期加入的终端 碱度严重不足，仅有 1.62 ;后期加入锰矿平均碱度 1.89. 反映出前期加锰矿，导致金属氧化更加严重。碱度越低， 渣中氧化锰含量越高， 锰的回收率越低。
4.4 终端有害元素对比
在不锈钢成品中，对Al%、P% 和 S% 等元素的都是严 格要求。其中Al% 含量过高，在钢包自开时容易出现结 流，造成连铸停浇 ;磷和硫均是有害元素，磷元素过高会 导致钢的“冷脆性”;硫元素极易与铁水中其他元素反应 形成硫化物。硫化物是钢中最常见的夹杂物之一，它对钢 的力学性能有恶化作用，硫化物对钢的性能影响很大，在 热加工温度下，硫化物夹杂很容易被延展成长条状，从而 造成钢韧性的各向异性，造成了钢的力学性能的恶化。某 钢厂使用锰矿冶炼，对无锰矿炉次与加锰矿炉次后期P、 S、Al 元素进行跟踪对比，跟踪无锰矿炉次 76 炉，终端有 害元素成分为(均值)：P 元素 0.0493%、S 元素 0.002%、Al 元素为 0.0041% ;跟踪加锰矿炉次 36 炉，终端有害元素成 分为(均值)：P 元素 0.0496%、S 元素 0.002%、Al 元素为 0.0042%。
通过以上数据对比分析，加锰矿与不加锰矿炉次的有 害元素高度接近。表明在AOD 炉炼钢工艺中，可以做到 有效去除锰矿中的有害元素， 确保终端成分有害元素符合 标准。
综上所述，通过对锰矿工艺冶炼试验，结合锰矿使用 的实际情况，在还原期加入锰矿冶炼，锰矿中锰的回收率做到 60.66%， 远远高于氧化期的 37.11%。再者， 当锰矿在 后期加入，还原碱度控制在 1.80 以上时，锰矿中的锰收得 率提高到 71.24%。最后，通过加锰矿炉次和补加锰矿炉次 终端成分中有害元素的对比，可见加锰矿对成分影响较 小，符合钢种成分标准。
5 锰矿的降本效益
锰矿在AOD 炉炼钢工艺中的应用降本作用体现在通 过对锰矿中锰的回收， 从而减少后期电解锰使用量产生降 本效益。
取某一时期市场原材料价格， 锰矿的市场价格在 1500 元 / 吨，其中氧化锰含量 36%，结合实际后期加入锰矿冶 炼回收率 60.66% 计算，每吨锰矿可以回收锰218.38kg， 折 合 99.7% 的电解锰 219.03kg。取电解锰价格 14425.23 元 / 吨为基准计算219.03kg 电解锰成本为 3159.56 元。则 1 吨锰 矿相对电解锰可节约成本 1659.56 元。其中石灰吨钢多消 耗 14kg/ 吨，成本 7.83 元 / 吨钢 ：萤石吨钢多消耗4kg/ 吨， 成本 7.37 元 / 吨。
根据本次冶炼试验材料单耗绘制后期加锰矿炉次和 不加锰矿炉次的成本对比，其结果显示，后期加锰矿炉次 吨钢成本比不加锰矿炉次低 20.33 元 / 吨钢。该实践结果 和上述推算结果一致。可见，AOD 炉后期加锰矿冶炼可 实现降本效益。
6 结论
某钢厂经过对锰矿在AOD 炉炼钢工艺应用中的可行 性分析后，开展了锰矿在AOD 炉中的应用试验。经过两 种加入工艺的比较， 得出以下结论 ：
(1)锰矿可以在AOD 炉炼钢中直接还原合金化使用。
(2)锰矿中的有害杂质可通过炼钢中的炉渣吸附去 除，满足洁净钢夹杂物含量要求。
(3)锰矿通过在后期加入AOD 炉冶炼，可实现锰矿 中的锰回收率达 60.66%， 实现吨钢降本约20 元。
在金属资源日益衰竭，国内环保督察日益严厉，“碳 达峰”“碳中和”以及能源宏观调控政策实施等多重背景 下，某钢厂开展锰矿在AOD 炉炼钢工艺中的应用实践， 进一步优化200 系不锈钢锰系材料配方，有效降低吨钢成 本，有利于提升成品钢在市场上的价格竞争力，适应不锈 钢产业绿色可持续发展之路。
(作者单位 ：广西北港新材料有限公司)
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/67766.html
