锰系铁合金“锰”的属性及特性(一)
一、锰的特性
锰是炼钢的主要脱氧剂和脱硫剂。锰和氧的亲和力大于氧和铁的亲和力,故能夺取钢液中的氧而形成不溶于钢液的氧化锰,使钢液中的含氧量下降,锰与硫形成不溶于钢液的MnS,使钢中的硫含量下降。硅锰合金是一种使用广泛的复合脱氧剂(还原剂),脱氧产物为硅酸锰,它的熔点低,易于上浮,锰和硅互相提高脱氧能力,脱氧效果好。锰能提高钢的强度、塑性、抗腐蚀性(大于10%)、可锻性、可轧性、耐磨(合金钢、工具钢)。锰为银白色金属。密度:7.21-7.469, 熔点1519K(1246℃), 沸点2393K(2120℃).液态锰的电阻率随着温度升高而下降。液态锰和铁能互溶。
二、锰的化合结构物
Mn-C化合物:Mn23C6(5.4%c)也可写成Mn4C,还有Mn7C3(8.57%C)。
锰的硅化物:Mn3Si、Mn5Si3、MnSi,MnSi1.7。Mn-Si-C系:当含硅量低于23.48%时析出的是石墨;大于23.48%时析出的是碳化硅(Mn5Si3Cⅹ)。
Mn与P化合物:Mn3P、Mn2P、Mn2P2、MnP,磷在液态锰中的溶解度很大,但不存在固溶体。Mn3P比Fe3P热稳定性好。
Mn-S系:生成稳定MnS,其熔点1600±10℃。
Mn-O氧化物:MnO2、Mn2O3、Mn3O4、MnO
各种氧化物分解如下:
4MnO2 = 2Mn2O3 + O2 ………287-367℃
6Mn2O3 = 4Mn3O4 + O2 ………537-637℃
2Mn3O4 = 6MnO + O2 ………997-1077℃
2MnO = 2Mn + O2 ………1329-1474℃
三、锰矿烧结
锰矿在烧结受热过程中发生分解、氧化、还原、熔结等变化,同时易与脉石生成易溶液相。硬锰矿在加热到140-185℃时开始失水,至380℃时完全失去结晶水而变成MnO2,继续加热至550-570℃,MnO2分解成Mn2O3,晶格同时膨大,至650℃基本上全部变成Mn2O3,至870-940℃时变成Mn3O4(黑锰矿)。 软锰矿分解反应大抵与硬锰矿后阶段反应相似,MnO2加热到480℃以上时,分解为Mn2O3,呈黑褐色;Mn2O3加热到930℃时变成Mn3O4,呈深红色,Mn3O4在温度为1172℃以下是是较稳定的。
碳酸锰矿加热过程变化较为复杂,除了碳酸盐分解外,还有锰的氧化物的氧化和分解反应。当碳酸锰被加热到350℃时,菱锰矿等分解生成方锰矿(MnO),显著失重并大量吸热,至530℃以后,MnO被氧化成MnO2;当温度升至570-650℃时,又分解成Mn2O3,反应过程吸热明显减少,至865℃碳酸盐锰矿的分解度已达95%,碳酸盐分解和氧化后生成稳定的Mn3O4,并放热和失重;900-920℃时结束分解,但残留CaCO3等碳酸盐继续分解失重,整个碳酸盐分解过程在980℃时结束,继续加热仍有轻微失重,直至1220℃物料全部熔化为止,这部分失重可能是由于Mn3O4的局部分解成MnO进入烧结液相所引起的。烧结矿锰主要以Mn3O4、MnO和Mn2SiO4形式存在。在烧结过程中同时存在还原反应:CO、C还原MnO2、Mn2O3、Mn3O4。CO还原为放热反应,C为吸热反应。烧结过程中新生成的MnO与Mn3O4立即与物料中的SiO2反应生成锰橄榄石(Mn2SiO4)。
锰矿烧结的特点:1、烧损大,热耗高。由于氧化锰矿和碳酸矿石在烧结过程中要蒸发水分、分解放出氧和二氧化碳,因而要消耗大量热。2、烧结后,由于水、一氧化碳、氧气的挥发,其烧结矿的组织非常疏松,需要适当的增加燃料,使之产生较多液相,才能保证有足够强度。3、由于从矿石中分解放出结晶水、氧和二氧化碳等物质,故锰矿烧损率较大,对于氧化锰矿石,烧损率一般为5-15%,碳酸矿20%以上。4、锰矿在烧结或球团焙烧过程中,在抽风负压的作用下,料层产生均匀收缩,氧化锰矿收缩率15-20%,松软锰火碳酸锰矿收缩率达30%以上。5、软化剂熔化区间窄,锰矿石受热分解为MnO及Mn3O4,它们在高温烧结易与SiO2作用,形成低熔点的硅锰酸盐,在烧结含铁较高的锰矿时,还可能生成易熔的锰铁橄榄石(FeO.MnO.SiO2),锰烧结矿通常从软化至完全熔化的的温度区间窄,如碳酸锰原矿开始软化温度为1110℃,至1220℃完全熔化,温度间距为110℃,远比铁矿石温度间距(220℃)为窄。6、锰矿时结构疏松多孔,烧结料层的透气性好,烧结过程迅速进行,垂直烧结速度要比同条件的铁矿烧结高出50-100%。
四、高碳锰铁
高碳锰铁目前生产方法有:高炉法、电炉法。高炉使用焦炭,电炉使用电作为能量来源。高炉法可以使用贫矿(28-30%),电炉使用较高品位(>35%)。相对而言,高炉法P高(但使用低磷矿也可以生产低磷锰铁)。电炉法生产高碳锰铁通常有两种方法:碱性渣法(熔剂法1.2-1.4)和酸性渣法(无熔剂法或低碱度法)。品位较低时采用熔剂法(<40%),较高时(>40%),同时,生产低硅高碳锰铁要求锰矿含SiO2尽量低(减少白灰使用及Si有效控制)。锰铁炉内反应比较复杂,氧化物MnO2、Mn2O3、Mn3O4在炉缸上部被一氧化碳还原,而MnO只能用固态碳还原。CO还原MnO2、Mn2O3、Mn3O4和Fe2O3是放热反应,而CO还原Fe3O4生成FeO和C还原FeO是吸热反应。MnO(S) + C =Mn + CO ……1410℃ 7Mn(L) + 3C = Mn7C3(S) 2Mno(s) + 20/7C = 2/7Mn7C3(S) + 2CO ……1278℃ 2Mno.SiO2 + 2C =2Mn(L) + 2CO + SiO2 ……1574℃。从硅酸盐中还原锰比从纯MnO中还原锰要困难得多。高碳锰铁主要以Mn7C3形式存在,同时存在Mn23C6。