高錳鋼具有良好的加工硬化性能和優(yōu)異的耐磨性能,在受到強(qiáng)烈的沖擊和擠壓的條件下,仍然保持著良好的韌性和硬度,因此得到廣泛的應(yīng)用,例如冶金礦山、建筑材料、鐵路農(nóng)機(jī)及國(guó)防軍工等。傳統(tǒng)冶煉高錳鋼的方法是利用錳鐵合金或者錳硅合金進(jìn)行合金化冶煉高錳鋼。但是,錳合金價(jià)格較貴,而且熔煉錳合金是一個(gè)高能耗、高污染的過程,很難滿足現(xiàn)階段提倡的綠色冶金要求。因此,本課題提出了使用菱錳礦中的主要成分碳酸錳作為直接合金化原料來冶煉高錳鋼的工藝,該工藝省去了冶煉錳鐵合金的步驟,降低冶煉的能耗,減小對(duì)環(huán)境的污染。本文以碳酸錳粉料、碳還原劑粉料為直接合金化原料,進(jìn)行了將粉狀原料制備成直接合金化塊料的原料預(yù)處理實(shí)驗(yàn)研究,考察了粘結(jié)劑用量、還原劑粒度、水分用量、成型壓力、保壓時(shí)間等因素對(duì)直接合金化塊料強(qiáng)度的影響,以期為制取優(yōu)質(zhì)的直接合金化塊料提供參考。同時(shí),本文也進(jìn)行了碳酸錳直接合金化的熔煉實(shí)驗(yàn)研究,考察了熔煉溫度、還原劑種類、還原劑粒度、粘結(jié)劑種類、料塊預(yù)處理溫度等因素對(duì)直接合金化終點(diǎn)鋼中金屬錳含量及其收得率的影響,為優(yōu)化碳酸錳直接合金化工藝提供參考。通過以上研究得出如下結(jié)論:(1)通過分析標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下碳酸錳分解反應(yīng)的熱力學(xué)得出:在溫度高于400℃時(shí)碳酸錳開始分解,當(dāng)溫度高于1716℃時(shí),錳的高價(jià)氧化物將全部轉(zhuǎn)變?yōu)镸nO;計(jì)算當(dāng)碳作為還原劑時(shí),錳氧化物與碳發(fā)生還原反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能可知,MnO2和Mn2O3與碳在1214℃條件下開始還原,全部轉(zhuǎn)化為MnO;溫度高于1394℃時(shí),MnO被碳還原的反應(yīng)正向進(jìn)行,所以從熱力學(xué)角度上看,在煉鋼溫度范圍內(nèi)MnO被碳還原的反應(yīng)是能夠進(jìn)行的。(2)根據(jù)分子離子共存理論建立了CaO-MnO-SiO2-MgO-Al2O3五元渣系活度計(jì)算模型,計(jì)算表明,當(dāng)爐渣堿度為R=1.7時(shí),(MnO)活度值達(dá)到最大,其值為0.125。保持五元爐渣堿度一定時(shí),鋼液溫度的變化范圍在1450℃~1650℃時(shí),渣中MnO活度的變化影響很小。在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,當(dāng)溫度高于1214℃時(shí),MnO與碳的還原反應(yīng)能夠順利進(jìn)行,其中當(dāng)堿度R=1.7時(shí),金屬錳的分配比最小為1×10-9,在此條件下直接合金化過程中金屬錳進(jìn)入鋼中的量最大。(3)通過正交實(shí)驗(yàn)分析了黏結(jié)劑種類、成型壓力、水分加入量、還原劑粒度和保壓時(shí)間對(duì)生料料塊和熟料料塊落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析表明,成型壓力的大小對(duì)料塊強(qiáng)度的指標(biāo)影響程度最大,還原劑粒度、水分加入量、保壓時(shí)間、粘結(jié)劑種類對(duì)料塊的落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響程度依次減小,其中粘結(jié)劑種類對(duì)料塊的落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度幾乎沒有影響。在成型壓力10MPa,還原劑粒度200目,水分加入量10%,保壓時(shí)間15s時(shí),料塊落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度最大,且在該工藝條件下生料料塊落下強(qiáng)度為6.4次/個(gè),抗壓強(qiáng)度為43.2N/個(gè),熟料料塊落下強(qiáng)度為4.2次/個(gè),抗壓強(qiáng)度為30 N/個(gè)。通過分析不同還原劑粒度對(duì)生料料塊和熟料料塊的斷面形貌,發(fā)現(xiàn)當(dāng)還原劑粒度為80目時(shí),熟料料塊斷面的裂紋粗大明顯,且有許多凹坑,產(chǎn)生裂紋,塊料易碎裂。當(dāng)還原劑粒度為200目時(shí),熟料料塊的斷面裂紋均勻分布且細(xì)小,沒有明顯凹坑,料塊不易碎裂。因此,還原劑粒度對(duì)于生料料塊和熟料料塊的成型率有較大影響,還原劑粒度越小,原料粉料成型率越高。(4)通過L12(3×24)正交實(shí)驗(yàn)分析了熔煉溫度、還原劑種類、還原劑粒度、原料預(yù)處理溫度、粘結(jié)劑種類鋼液中金屬錳含量及金屬錳收得率的影響規(guī)律。極差分析表明,熔煉溫度對(duì)終點(diǎn)鋼中金屬錳含量及其收得率的影響程度最大,還原劑粒度、料塊預(yù)處理溫度、還原劑種類、粘結(jié)劑種類對(duì)終點(diǎn)鋼中金屬錳含量及其收得率的影響程度依次減小。在最優(yōu)水平組合(即熔煉溫度為1500℃,還原劑粒度為200目,壓塊預(yù)處理溫度為500℃,還原劑為焦炭時(shí))下,直接合金化終點(diǎn)鋼中金屬錳含量和金屬錳收得率最大,合金化終點(diǎn)鋼中金屬錳含量和金屬錳收得率分別為11.37%和93.42%,終點(diǎn)鋼的化學(xué)成分達(dá)到了ZGMn13高錳鋼的成分要求。(5)為了探究直接合金化過程中金屬錳的損失量及去向,對(duì)直接合金化過程中錳的含量進(jìn)行質(zhì)量平衡計(jì)算,結(jié)果表明:初始直接合金化原料中的金屬錳量為43.2g,由于金屬錳揮發(fā)溫度為1438℃,當(dāng)熔煉溫度為1550℃、還原劑選用焦炭、還原劑粒度為200目、原料預(yù)處理溫度為500℃時(shí),直接合金化終點(diǎn)熔渣中錳含量最低為3.06%,直接合金化終點(diǎn)鋼中的錳含量最高為11.37%,其中進(jìn)入鋼中的錳質(zhì)量為40.4g,進(jìn)入渣中的錳質(zhì)量為1.5g,剩余的1.3g的錳在直接合金化過程中以熔體噴濺或揮發(fā)的形式損失;在熔煉溫度為1450℃、還原劑選用石墨、還原劑粒度為80目、原料預(yù)處理溫度為200℃的條件下,直接合金化終點(diǎn)熔渣中金屬錳含量最高12.98%,直接合金化終點(diǎn)鋼中的錳含量最低為7.38%,其中進(jìn)入鋼中的錳質(zhì)量為27.1g,進(jìn)入渣中的錳質(zhì)量為11.8g,剩余的4.3g的金屬錳也是在直接合金化過程中以熔體噴濺或揮發(fā)的形式損失。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TF76
【部分圖文】：

得到的 MnO 中的 Mn 被還原進(jìn)入鋼液中，因?yàn)殇撘褐械?Mn 活度小，所以還原需要的推動(dòng)力較小，還原過程容易進(jìn)行；而在冶煉錳鐵合金過程中，錳鐵合金中錳的活度較大，這樣將 MnO 還原成金屬錳進(jìn)入鋼液時(shí)就需要較大的反應(yīng)推力，相對(duì)前者來說就較困難，需要消耗更多能量。用碳作還原劑冶煉錳鐵時(shí)還原反應(yīng)為：MnO（s）+C（s）=Mn（s）+CO ΔrG1θ=271654-168.67T （1.1）錳鐵進(jìn)入鋼液中反應(yīng)可理解為：Mn（s）=[Mn] ΔrG2θ=-38.12T （1.2）碳酸錳直接合金化過程反應(yīng)為：MnCO3=MnO+CO2MnO（s）+C（s）=[Mn]+CO ΔrG3θ=294244-211.29T （1.3）當(dāng)T=1773K時(shí)，式(1.1)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能為 ΔrG1θ= 27397.91 KJ/mol，式(1.3)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能為 ΔrG3θ= 80373.17 KJ/mol，可以看出反應(yīng)式(1.3)更易于進(jìn)行。該過程的吉布斯自由能變化可用圖 1.1 表示。

錳氧化物分解熱力學(xué)狀態(tài)圖

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文表 2.2 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下碳酸錳還原熱力學(xué)Table 2.2 Thermodynamics of reduction of manganese carbonate in standard state方程式編號(hào) 標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能△rGθ/(KJmol-1) 開始還原溫度15 △rGθ=-81123-209.7T 自發(fā)進(jìn)行16 △rGθ=-56513-179.28T 自發(fā)進(jìn)行17 △rGθ=113826-202.54T 1173K18 △rGθ=294244-211.29T 1667K根據(jù)上表中熱力學(xué)數(shù)據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，當(dāng)固體碳作為還原劑時(shí)，錳氧反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能△rGθ及各還原反應(yīng)發(fā)生的開始還原溫度繪制圖（ΔGθ-T 圖），如圖 2.2 所示：

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本文編號(hào)：2822782