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含碳氧化锰矿粉微波加热 升温特性研究 太原理工大学 材料科学与工程学院冶金工程系 陈 津 2007.11 长沙 1. 课题研究的技术背景 锰是重要的炼钢原料，在国民经济中具有十分重要的战略地锰是重要的炼钢原料，在国民经济中具有十分重要的战略地 位，其中钢铁用锰量占到位，其中钢铁用锰量占到90%90%95%95%，主要用作炼钢的脱氧，主要用作炼钢的脱氧 剂、脱硫剂及制造合金。剂、脱硫剂及制造合金。 我国锰矿资源虽位居于世界第四位，但锰矿石品位低，碳酸我国锰矿资源虽位居于世界第四位，但锰矿石品位低，碳酸 锰矿石比例大，且高磷、高铁、高硅，质量和矿粉造块性能均锰矿石比例大，且高磷、高铁、高硅，质量和矿粉造块性能均 较差。较差。 我国每年不得不进口大量富锰矿石与国内的贫锰矿石搭配使我国每年不得不进口大量富锰矿石与国内的贫锰矿石搭配使 用，用，20062006年我国锰矿石的宏观消费量为年我国锰矿石的宏观消费量为11001100万万t t，而同年进口，而同年进口 的锰矿石量则达到的锰矿石量则达到621621万万t t，进口依存度上升至，进口依存度上升至56.5%56.5%。此外，。此外， 我国锰矿选矿产生的粉状矿以及块矿运输产生的粉状矿（粒度我国锰矿选矿产生的粉状矿以及块矿运输产生的粉状矿（粒度 8mm8mm），粉状锰矿的利用问题日益突出。），粉状锰矿的利用问题日益突出。 锰矿粉造块相对铁矿粉来说难度较大：（锰矿粉造块相对铁矿粉来说难度较大：（1 1）烧损大、烧结）烧损大、烧结 强度低；（强度低；（2 2）软熔温度低且区间较窄，容易引起球团的软化或）软熔温度低且区间较窄，容易引起球团的软化或 欠烧；（欠烧；（3 3）造块工艺产量低、成本高，且环境污染严重。）造块工艺产量低、成本高，且环境污染严重。 含碳锰矿粉（团块）具有优良的自还原性，但造块强度不 理想，使其使用受到限制。 微波可以直接加热冶金粉状物料，被加热的物料颗粒自身 可以形成热源，使物料温度内外保持一致。 微波加热过程不受常规传热规律的影响，不受物料形状和 粒度限制，且越细越好。用微波加热还原含碳（贫）锰矿粉 ，可以最大限度地发挥含碳锰矿粉在高温下的自还原特性， 在固态下提高锰矿粉的还原率。 由于固-固相还原温度比液态低，可以控制带入的碳、磷、 硫、硅以及其它杂质元素，从而为获取一定金属化率的纯净 海绵锰铁提供有利的动力学条件。 2.原料与试验方法 脉石矿物主要为赤铁矿、针铁矿、石英、脉石矿物主要为赤铁矿、针铁矿、石英、 高岭石和蒙脱石等。经选矿处理后的大新氧化高岭石和蒙脱石等。经选矿处理后的大新氧化 锰矿粉的特点是全锰（锰矿粉的特点是全锰（tmntmn）含量虽达到）含量虽达到 35.34%35.34%，但铁含量较高（，但铁含量较高（mnmn/fe/fe7 7），且），且 属高磷（属高磷（p/p/mnmn0.0050.005）锰矿粉，）锰矿粉，siosio 2 2 和和 k k2 2 oo含量也偏高。含量也偏高。 原料还有无烟煤粉与钙质石灰粉。原料还有无烟煤粉与钙质石灰粉。 试验所用的锰矿粉为广西大新氧化锰矿粉，颜色为棕黑试验所用的锰矿粉为广西大新氧化锰矿粉，颜色为棕黑- -褐黑色，矿石褐黑色，矿石 矿物主要为软锰矿，且含有少量的水锰矿（矿物主要为软锰矿，且含有少量的水锰矿（mn2o3mn2o3 h2oh2o）、褐锰矿（）、褐锰矿（ 3mn2o33mn2o3 mnsio3mnsio3）。由于氧化锰矿是在原生锰矿（碳酸锰矿）的基础上经）。由于氧化锰矿是在原生锰矿（碳酸锰矿）的基础上经 风化作用转变而来的，因此氧化锰矿粉中含有少量碳酸锰矿。风化作用转变而来的，因此氧化锰矿粉中含有少量碳酸锰矿。 表表1 1 广西大新氧化广西大新氧化锰矿锰矿锰矿锰矿 粉主要化学成分（粉主要化学成分（w w（b b）/10/10-2 -2） ） table 1 chemical composition of manganese oxide ore fines table 1 chemical composition of manganese oxide ore fines （w w（b b）/10/10-2 -2） ） tmntfesio2al2o3caomgospk2o 35.3412.0415.791.721.550.150.150.201.02 na2otio2pbcuznnil.o.i w (mn) w (fe) w (p) w (mn) 0.0550.400.0050.0230.0300.03811.922.940.0057 表表2 2 广西大新氧化广西大新氧化锰矿锰矿锰矿锰矿 粉物相分析（粉物相分析（w w（b b）/10/10-2 -2） ） table 2 phase analysis of manganese oxide ore fines table 2 phase analysis of manganese oxide ore fines （w w（b b）/10/10-2 -2） ） 锰锰 矿矿 物 物相 水褐锰矿锰矿 （水锰矿锰矿 mn2o3h2o） （褐锰矿锰矿 3mn2o3mnsio3 ） 菱锰矿锰矿 mnco3 软锰矿软锰矿 mno2 tmn 35.34% 锰锰元素分布2.100.7732.40 铁铁 矿矿 物 物相 赤褐铁铁 fe2o3nh2o 硅酸铁铁 fesio4 磁性铁铁 fe3o4 碳酸铁铁 feco3 tfe 12.04% 铁铁元素分布11.440.280.050.05 表表3 3 无烟无烟煤粉主要化学成分煤粉主要化学成分（w w（b b）/10/10-2 -2） ） table 3 chemical composition of anthracite powdertable 3 chemical composition of anthracite powder（w w（b b）/10/10-2 -2） ）工业业分析其中灰分主要化学成分 aad 灰 分 vad 挥发挥发 分 mad 水分 stad 硫 fcad 固定碳 合计计sio2al2o3tio2fe2o3caomgop合计计 21.1 2 5.903.760.3469.22100.3449.5018.371.2011.4611.892.400.4995.31 表表4 4 钙质钙质钙质钙质 石灰粉主要化学成分（石灰粉主要化学成分（w w（b b）/10/10-2 -2） ） table 4 chemical composition of table 4 chemical composition of calciccalcic lime powder lime powder（w w（b b）/10/10-2 -2） ） sio2al2o3fe2o3caomgok2ona2ospl.o.i合计计 3.800.660.7667.030.540.200.0300.0780.03027.00100.128 图图1 1 微波冶金试验炉结构示意图微波冶金试验炉结构示意图 fig. 1 sketch of microwave metallurgical furnacefig. 1 sketch of microwave metallurgical furnace 1 magnetron; 2 thermocouple and temperature measurement device; 3 ac 1 magnetron; 2 thermocouple and temperature measurement device; 3 ac power; 4. furnace chamber; 5 crucible; 6 basepower; 4. furnace chamber; 5 crucible; 6 base 1. 1.磁控管；磁控管；2. 2. 双铂铑热电偶与测温表；双铂铑热电偶与测温表；3. 3.交流电源；交流电源；4. 4.炉腔；炉腔； 5. 5.物料与坩埚；物料与坩埚；6. 6.支撑架；支撑架； 测温仪 6 220v 1 2 3 4 5 3.试验结果与讨论 图图2 2 微波加热试验原料升温特性对比图微波加热试验原料升温特性对比图 （微波加热功率（微波加热功率10kw, 10kw, 物料质量物料质量1kg1kg） fig.2 fig.2 contrast contrast of of temperature-rising temperature-rising characteristics characteristics among among the the experiment experiment stuffs by microwave heating (microwave power 10kw, mass of stuff 1kg)stuffs by microwave heating (microwave power 10kw, mass of stuff 1kg) 图2为微波加 热试验原料的升 温特性对比。试 验可知，氧化锰 矿粉与碳酸锰矿 粉对微波吸收的 性能较好，优于 无烟煤粉和烟煤 粉，也优于磁铁 矿粉，只是钙质 石灰粉对微波的 吸收性能较弱。 微波加热时间/min 广西大新氧化锰矿粉 湖南湘潭碳酸锰矿 磁铁矿粉 无烟煤粉 烟煤粉 钙质石灰粉 温度/ 微波加热时间/min 图图3 3 微波加热不同配碳比含碳氧化锰矿粉至微波加热不同配碳比含碳氧化锰矿粉至11001100时的升温特性对比图时的升温特性对比图 （微波加热功率（微波加热功率10kw, 10kw, 物料质量物料质量1kg1kg，加钙质石灰），加钙质石灰） fig.3 fig.3 contrast contrast of of temperature temperature rising rising characteristics characteristics among among manganese manganese oxide oxide ore ore fines fines containing containing coal coal by by microwave microwave heating heating to to 11001100(microwave (microwave power power 10kw, 10kw, mass of mix 1kg, mixing the mass of mix 1kg, mixing the calciccalcic lime fines) lime fines) 温度/ 图图4 4 微波加热不同配碳比含碳氧化锰矿粉至微波加热不同配碳比含碳氧化锰矿粉至12001200时的升温特性对比图时的升温特性对比图 （微波加热功率（微波加热功率10kw, 10kw, 物料质量物料质量1kg1kg，加钙质石灰），加钙质石灰） fig.4 fig.4 contrast contrast of of temperature temperature rising rising characteristics characteristics among among manganese manganese oxide oxide ore ore fines fines containing containing coal coal by by microwave microwave heating heating to to 12001200(microwave (microwave power power 10kw, 10kw, mass of mix 1kg, mixing the mass of mix 1kg, mixing the calciccalcic lime fines) lime fines) 微波加热时间/min 温度/ 图5 微波加热不同配碳比含碳氧化锰矿粉至1300时的升温特性对比图 （微波加热功率10kw, 物料质量1kg，加钙质石灰） fig.5 contrast of temperature rising characteristics among the manganese oxide ore fines containing coal by microwave heating to 1200(microwave power 10kw, mass of mix 1kg, mixing the calcic lime fines) 微波加热时间/min 温度/ 图图6 mno6 mno 2 2 与与mnmn 3 3 oo 4 4 微波加热升温特性对比图微波加热升温特性对比图 fig.6 fig.6 contrast contrast of of temperature temperature rising rising characteristics characteristics between between mnomno 2 2 and mn and mn 3 3 oo 4 4 by microwave heatingby microwave heating 微波加热时间min 温度/ 表表6 6 锰锰锰锰系系矿矿矿矿物的介物的介电电电电性性质质质质比比较较较较 table 6 comparison of dielectric property among the minerals consisting of manganesetable 6 comparison of dielectric property among the minerals consisting of manganese 物质质名称 化学组组成密度/gcm-3直流电导电导率/sm-1 相对电对电介质质常数/r （频频率1mhz） 软锰矿软锰矿mno25.2341.010000.00 水锰矿锰矿mnooh3.9841.9102917.00 方锰矿锰矿mno5.36618.00 菱锰矿锰矿mnco33.6996.8 蔷蔷薇辉辉石mnsio23.7261.5101110.00 锰锰橄榄榄石mn2sio44.1555.8101110.00 锰铝锰铝石榴石mn3al2si2o123.0227.60 锰锰mn7.4707.4105 石墨c2.2677.0104 水h2o