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)機及國防軍工等。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行合金化冶煉高錳鋼。但是,錳合金價格較貴,而且熔煉錳合金是一個高能耗、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)處理實驗研究,考察了粘結(jié)劑用量、還原劑粒度、水分用量、成型壓力、保壓時間等因素對直接合金化塊料強度的影響,以期為制取優(yōu)質(zhì)的直接合金化塊料提供參考。同時,本文也進行了碳酸錳直接合金化的熔煉實驗研究,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)處理溫度等因素對直接合金化終點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)通過分析標準狀態(tài)下碳酸錳分解反應(yīng)的熱力學(xué)得出:在溫度高于400℃時碳酸錳開始分解,當溫度高于1716℃時,錳的高價氧化物將全部轉(zhuǎn)變?yōu)镸nO;計算當碳作為還原劑時,錳氧化物與碳發(fā)生還原反應(yīng)的標準吉布斯自由能可知,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,MnO被碳還原的反應(yīng)正向進行,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-Al2O3五元渣系活度計算模型,計算表明,當爐渣堿度為R=1.7時,(MnO)活度值達到最大,其值為0.125。保持五元爐渣堿度一定時,鋼液溫度的變化范圍在1450℃~1650℃時,渣中MnO活度的變化影響很小。在非標準狀態(tài)下,當溫度高于1214℃時,MnO與碳的還原反應(yīng)能夠順利進行,其中當堿度R=1.7時,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入鋼中的量最大。(3)通過正交實驗分析了黏結(jié)劑種類、成型壓力、水分加入量、還原劑粒度和保壓時間對生料料塊和熟料料塊落下強度和抗壓強度的影響。對實驗結(jié)果進行極差分析表明,成型壓力的大小對料塊強度的指標影響程度最大,還原劑粒度、水分加入量、保壓時間、粘結(jié)劑種類對料塊的落下強度和抗壓強度的影響程度依次減小,其中粘結(jié)劑種類對料塊的落下強度和抗壓強度幾乎沒有影響。在成型壓力10MPa,還原劑粒度200目,水分加入量10%,保壓時間15s時,料塊落下強度和抗壓強度最大,且在該工藝條件下生料料塊落下強度為6.4次/個,抗壓強度為43.2N/個,熟料料塊落下強度為4.2次/個,抗壓強度為30 N/個。通過分析不同還原劑粒度對生料料塊和熟料料塊的斷面形貌,發(fā)現(xiàn)當還原劑粒度為80目時,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。當還原劑粒度為200目時,熟料料塊的斷面裂紋均勻分布且細小,沒有明顯凹坑,料塊不易碎裂。因此,還原劑粒度對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)正交實驗分析了熔煉溫度、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,熔煉溫度對終點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)劑種類對終點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)下,直接合金化終點鋼中金屬錳含量和金屬錳收得率最大,合金化終點鋼中金屬錳含量和金屬錳收得率分別為11.37%和93.42%,終點鋼的化學(xué)成分達到了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,對直接合金化過程中錳的含量進行質(zhì)量平衡計算,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,直接合金化終點熔渣中錳含量最低為3.06%,直接合金化終點鋼中的錳含量最高為11.37%,其中進入鋼中的錳質(zhì)量為40.4g,進入渣中的錳質(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,直接合金化終點熔渣中金屬錳含量最高12.98%,直接合金化終點鋼中的錳含量最低為7.38%,其中進入鋼中的錳質(zhì)量為27.1g,進入渣中的錳質(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 被還原進入鋼液中，因為鋼液中的 Mn 活度小，所以還原需要的推動力較小，還原過程容易進行；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 還原成金屬錳進入鋼液時就需要較大的反應(yīng)推力，相對前者來說就較困難，需要消耗更多能量。用碳作還原劑冶煉錳鐵時還原反應(yīng)為：MnO（s）+C（s）=Mn（s）+CO ΔrG1θ=271654-168.67T （1.1）錳鐵進入鋼液中反應(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T=1773K時，式(1.1)的標準吉布斯自由能為 ΔrG1θ= 27397.91 KJ/mol，式(1.3)的標準吉布斯自由能為 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 標準狀態(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 標準吉布斯自由能△rGθ/(KJmol-1) 開始還原溫度15 △rGθ=-81123-209.7T 自發(fā)進行16 △rGθ=-56513-179.28T 自發(fā)進行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)，在標準狀態(tài)下，當固體碳作為還原劑時，錳氧反應(yīng)的標準吉布斯自由能△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：

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 江錦文;高純錳粉中金屬錳定量方法研究[J];山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版);2000年04期

2 龔仁復(fù);;金屬錳粉生產(chǎn)的動向與展望[J];中國錳業(yè);1985年02期

3 蔣太錢;;國外金屬錳簡況[J];中國錳業(yè);1986年02期

4 陳正;;我國金屬錳的生產(chǎn)與銷售淺析[J];中國錳業(yè);1987年02期

5 ;我國金屬錳出口、內(nèi)銷近況[J];中國錳業(yè);1988年03期

6 馬躍;;我國金屬錳的產(chǎn)銷及發(fā)展概況[J];湖南冶金;1988年02期

7 左宗利;;淺談粉狀金屬錳[J];湖南冶金;1989年06期

8 張先覺;;對我國金屬錳生產(chǎn)現(xiàn)狀的宏觀分析及今后發(fā)展的幾點建議[J];鐵合金;1990年04期

9 本刊通訊員;;我國金屬錳新標準正在制訂中[J];中國錳業(yè);1991年05期

10 Ю.В.ВацакоB;А.Ц.Шурцн;羅敦益;;金屬錳的電解[J];中國錳業(yè);1992年01期

相關(guān)會議論文 前6條

1 張穎;張勝濤;萬禎;;隔膜對于金屬錳電解過程的影響[A];第十三次全國電化學(xué)會議論文摘要集（下集）[C];2005年

2 陶長元;李敏;劉作華;杜軍;陳燕;范興;;利用復(fù)雜含錳廢渣提取金屬錳的研究[A];2012年全國冶金物理化學(xué)學(xué)術(shù)會議專輯（下冊）[C];2012年

3 趙躍萍;張金柱;;金屬錳氮化的動力學(xué)研究[A];2004年全國冶金物理化學(xué)學(xué)術(shù)會議專輯[C];2004年

4 彭雄義;劉海洋;王湘利;張雷;;金屬錳(Ⅲ)Corrole模擬DNA斷裂酶的研究[A];全國第十四屆大環(huán)化學(xué)暨第六屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文專輯[C];2008年

5 蔣漢祥;李明;王文鋒;;碳酸錳礦還原焙燒工藝技術(shù)[A];2009（重慶）中西部第二屆有色金屬工業(yè)發(fā)展論壇論文集[C];2009年

6 陳津;潘小娟;趙晶;張猛;;含碳碳酸錳礦粉與含碳氧化錳礦粉微波加熱特性對比研究[A];“第十四屆全國微波能應(yīng)用學(xué)術(shù)會議”暨“2009年微波創(chuàng)造美的生活高峰論壇”論文集[C];2009年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 連小芳邋實習(xí)生 丁輝;全國最大金屬錳企投產(chǎn)華夏特鋼冶金項目奠基[N];寧夏日報;2008年

2 ;我國錳出口價再次轉(zhuǎn)跌[N];中國有色金屬報;2002年

3 記者 韓均;寧夏企業(yè)坐上全球金屬錳生產(chǎn)“頭把交椅”[N];銀川晚報;2011年

4 陳小潯;金屬錳需求旺季不旺 價格疲軟[N];世界金屬導(dǎo)報;2011年

5 劉霄鴻;天元金屬錳業(yè)集團7.2萬噸金屬錳工程在中寧竣工投產(chǎn)[N];華興時報;2008年

6 連小芳;全國最大金屬錳基地產(chǎn)業(yè)集群壯大[N];寧夏日報;2008年

7 本報記者 陳小潯;不銹鋼需求預(yù)期和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整致使金屬錳旺季難旺[N];中國冶金報;2011年

8 金廷舉;秀山依靠科技重點發(fā)展金屬錳系列產(chǎn)品[N];中國冶金報;2000年

9 ;選用電冶金屬錳，低成本生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼[N];中國冶金報;2011年

10 本報記者 馬存斌　王建宏 蒲利宏;無錳之地的“世界錳都”[N];寧夏日報;2012年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前5條

1 丁莉峰;電解制金屬錳和高錳酸鉀過程中的非線性動力學(xué)研究[D];重慶大學(xué);2014年

2 李文坡;微/納米金屬錳及其合金的電沉積與基礎(chǔ)理論研究[D];重慶大學(xué);2011年

3 周銀;TC11合金人造摩擦層的演變、作用及磨損機理研究[D];江蘇大學(xué);2017年

4 魏先平;海洋用Inconel 718合金性能研究及成分優(yōu)化[D];昆明理工大學(xué);2013年

5 牛中毅;稀土Y對β相Mg-Li-Al系合金顯微組織和力學(xué)性能的影響[D];哈爾濱工程大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 石建峗;碳酸錳直接合金化冶煉高錳鋼的實驗研究[D];重慶大學(xué);2017年

2 錢偉濤;細晶強化改善金屬錳微觀組織及力學(xué)性能研究[D];昆明理工大學(xué);2017年

3 陳燕;脈沖電場強化金屬錳沉積行為研究[D];重慶大學(xué);2012年

4 王珊;大新低品位碳酸錳礦工藝礦物學(xué)特性與選礦工藝研究[D];昆明理工大學(xué);2013年

5 趙立新;含錳廢水制備高純度碳酸錳的研究[D];西北大學(xué);2001年

6 陳飛宇;從銀錳礦的浸錳液中制取硫酸錳和碳酸錳的工藝研究[D];中南大學(xué);2004年

7 屈雄;碳酸錳微晶制備過程的形貌控制研究[D];廣西大學(xué);2008年

8 唐娜娜;從金屬錳廠錳礦浸渣中回收鈷的試驗研究[D];廣西大學(xué);2006年

9 林清泉;低品位碳酸錳礦的回收利用研究[D];中南大學(xué);2014年

10 王俊紅;亞微米級碳酸錳和磷酸錳的制備研究[D];南昌大學(xué);2013年

本文編號：2822782