专利名称：一种用贫锰矿粉制取低碳金属锰铁的方法
技术领域：
本发明涉及一种用贫锰矿粉制取低碳金属锰铁的方法，属黑色金属冶炼提纯的技 术领域。
背景技术：
锰元素是最重要的炼钢原料，是提高钢材硬度、增加强度、提高耐摩性的最重要 的合金元素，常用于合金结构钢、高锰钢、不锈钢、工具钢等。
锰及锰矿储量较丰富，储量最多的是南非等屈，且多是富锰矿，含锰量》30%， 我国的锰矿资源虽较多，但大都是贫锰矿，锰含量《21%，铁含量5 20%，且含磷 高，在提炼和制取锰时常常要加入进口的富锰矿进行混合炼制，使提炼锰受到了很大 限制，而且也增加了提炼成本。
目前，在提炼锰铁合金时，主要用高炉法、电炉法或炉外法等，由于锰矿石为贫锰 矿，因此锰矿石经过选矿处理提高品位后才可使用，但经过选矿处理产生的粉状锰矿不 能直接入炉使用，还需进行人工造块，例如烧结、压球、制球团处理，致使冶炼工艺投 资增大、能耗增高、加重污染、工序拉长、费时费力，由于锰矿粉种类不同，还要进行 选矿，往往需要增加2—3个选矿工艺流程才可进行造块，造块工序还需添加无机粘结 剂，增加了冶炼能耗和锰铁合金产物的杂质，使冶炼工艺和产品质量都受到了一定影响 和限制。
发明内容
发明目的
本发明的目的就是针对背景技术的不足，采用微波炉加热碳还原法，直接用贫锰 矿粉炼制低碳金属锰铁，不用造块工艺，不需添加粘结剂，达到减少工艺流程、减小 环境污染、降低炼制成本、提高产物产收率、纯度、性能的目的。
技术方案
本发明使用的化学物质原料为贫锰矿粉、无烟煤粉、石灰粉、氮气，其组合配 比是以千克、米3为计量单位
贫锰矿粉Mn 02 FeO Si02 700 kg± 10kg 无烟煤粉OH20 300kg土30kg
石灰粉CaO
氮气N2
50kg士10kg 100m3±10m3
制取方法如下
(1) 精选原料，进行含量控制 贫锰矿粉Mn02 15-25%
FeO 10-20% 无烟煤粉C 70-90%
H20 2-5% 石灰粉CaO 60-80% 氮气N2 99.5%
(2) 粉碎、细磨、过筛 对精选的化学物质原料要分别进行粉碎、细磨、过筛，成细粉状，反复粉碎、过
筛，用筛网进行细度控制
贫锰矿粉筛网200目，细粉粒径《0.075mm 无烟煤粉筛网200目，细粉粒径《0.075mm 石灰粉筛网200目，细粉粒径《0.075mm 留下细粉，剔除杂质；
(3) 原料混合、搅拌
将贫锰矿粉700 kg士10kg、无烟煤粉300kg士30kg、石灰粉50kg土10kg置于原 料搅拌箱内进行混合、搅拌，搅拌时间lOmin土lmin，使之均匀；
(4) 在微波还原炉内松散布料 将混合均匀的原料细粉置于计算机控制的微波还原炉炉腔内，从炉腔底部开始，
分层、自然、松散布料，要用〉200目的筛筐筛漏，逐层布料，并留有空隙；
(5) 微波炉预热、预还原 关闭计算机控制的微波炉炉盖，使微波炉处于密闭状态，并留有气孔； 开启微波发生器，微波炉内传感器摄取温度信息，使温度信息传输给计算机控制
器，温度从20。C土3。C升至1000。C士50。C，升温速度为50°C/min，升温时间为20min， 在此温度恒温、保温2min土lmin，微波加热频率为2. 45GHZ、功率为IOOOOKW，原料 细粉在炉腔内将进行化学反应，产生一氧化碳， 一氧化碳对原料细粉进行预还原，化 学反应式如下
1 n n 0/"* i ; n 。/"1
Mn 02 'FeO柳2+2(:0+ Ca0 ~。.」；.〉Mn 0+Fe+CaO Si02+2C02 t
2min土 lmin
式中
Mn02: 二氧化锰 MnO:氧化亚锰 FeO:氧化亚铁 Fe:铁
Si02: 二氧化硅 CO: —氧化碳 C02: 二氧化碳
(6) —氧化碳终还原炼制锰铁
一氧化碳预还原结束后，微波炉温度由1000'C土5(TC继续升温至1300°C±50°C， 在此温度恒温、保温5min土lmin，微波加热频率为2. 45GHZ、功率为10000KW，贫锰 矿粉+无烟煤粉+石灰粉充分进行化学反应，化学反应式如下
13Gfl。r十wr
Mn02 FeO Si02+3C+CaO ~:丄二 〉 Mn Fe+ CaO Si02+3CO t
5min± lmin
式中 C:碳Mn:锰
(7) 锰铁产物出炉
炼制结束后，关闭微波加热器，使产物随炉自然冷却至200。C土2(rC; 打开炉体卸料斗，将产物卸入专用产物箱内；
(8) 氮气保护冷却
将产物箱封闭，并充入惰性气体一氮气，充入速度为2m7min; 产物箱及产物在氮气保护下自然冷却至20°C ±3°C; 其产物为海绵锰铁；
(9) 粉碎、过筛
冷却后的海绵锰铁，要进行粉碎、过筛，反复粉碎，反复过筛，成细粉； 筛网目数200目 细粉粒径0. 075mra
(10) 磁选提纯
冷却、粉碎、过筛后的海绵锰铁置于专用磁选机内，进行磁选、提纯、剔除杂质， 留存金属锰铁粉末；
磁选机风机转数为3-5转/min; 磁选机磁场强度为15000—20000高斯；
磁选后金属锰铁产收率为98%;
(11) 检测、化验、分析
对磁选提纯后的金属锰铁粉末要进行色泽、成分、纯度、含锰量、含铁量、含碳
量、含硫量、含磷量、含杂质量、全相组织形貌、产物性能进行检测、化验、分析；
用原子吸收容量法进行锰Mn、铁Fe分析；
用燃烧法进行硫S分析；
用原子吸收分光光度计进行磷P分析；
用非水滴定法进行碳C分析；
金属锰铁粉末含锰量为75%、含铁量为20%、含碳量<0.5%、含硫量<0.5%、 含磷量<0.2%、含杂质量<2%，粉末粒径为0. 075mm;
(12) 储存包装
对炼制提纯后的产物——金属锰铁粉末，密闭储存于专用容器，置于干燥环境， 要防水、防潮、防氧化、防酸碱侵蚀，储存温度2(TC士3。C，相对湿度《20%。
所述的用贫锰矿粉制取金属锰铁，是以贫锰矿粉为原料、以无烟煤粉为还原剂、 以石灰粉为熔炼剂、以氮气为金属锰铁粉末冷却的保护气体。
所述的用计算机控制的微波加热炉炼制金属锰铁，预热、 一氧化碳预还原 温度为1000°C±50°C，恒温、保温时间为2min士lmin， 一氧化碳终还原炼制温度为 1300°C±50°C,恒温、保温时间为5min土lmin，微波加热频率为2. 45GHZ、功率为 10000KW。
所述的用贫锰矿粉制取金属锰铁，其产物粉末粒径为0. 075mm、含锰量为75%、 含铁量为20%、含碳量<0. 5%、含硫量<0. 5%、含磷量<0. 2%、含杂质量<2%，产收 率为98%。
所述的金属锰铁的提纯是在磁选机上进行的，磁选机风机转数为3-5转/min，磁 选磁场强度为15000—20000高斯。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，它是根据我国锰矿资源的实际情况， 平均含锰量《21%的贫矿现状，用贫锰矿粉、用微波炉加热法，直接制取金属锰铁， 不使用能耗大、污染严重的烧结造块工艺，经原料精选、粉碎、细磨、过筛、混合、 搅拌、微波炉预热、 一氧化碳预还原、终还原、化学反应、高温炼制、氮气保护冷却， 制成海绵锰铁，再经粉碎、过筛、磁选提纯、检测分析，最终制成低碳金属锰铁粉末， 粉末粒径为0. 075mm，锰含量可达75%，铁含量可达20%,杂质量<2%，含碳量<0. 5%， 含硫量<0.5%，含磷量<0.2%，此制备方法工艺流程短，不污染环境，不经造块工序， 为洁净生产，填补了我国用贫锰矿粉直接制取金属锰铁的科研空白。
图1为制取工艺流程图
图2为微波加热制备状态图
图3为产物磁选提纯状态图
图4为碳还原炼制过程温度与时间坐标关系图
图5为贫锰矿粉碳预热预还原100(TC时放大40倍状态图
图6为贫锰矿粉碳终还原炼制温度130(TC时放大80倍状态图
图7为金属锰铁产物粉末形貌图
图中所示，附图标记清单如下
1、炉支架，2、炉座，3、炉体，4、炉盖，5、炉底，6、炉腔，7、传感器，8、 传感器，9、传感器，10、传感器，11、微波加热器，12、计算机控制器，13、液晶 显示屏，14、指示灯，15、炉盖开关，16、炉底开关，17、微波调节键，18、指示灯， 19、电源开关，20、出气孔，21、卸料斗，22、原料粉末，23、冷却箱，24、氮气瓶， 25、氮气阀，26、氮气，27、产物粉末，28、进料斗，29、细磨机，30、输送管，31、 筛网箱，32、振荡器、33、输料管，34、磁选箱，35、电机，36、搅拌器，37、叶轮， 38、杂质出口， 39、杂质箱，40、杂质，41、磁吸管，42、磁选机，43、电磁铁，44、 电磁电源、45、产物出口， 46、产物粉末，47、产物箱。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明做进一步说明
图1所示，为制备工艺流程图，是制取低碳金属锰铁的全过程，从原料开始到入 库储存，要严格按程序操作。
制备使用的化学物质原料贫锰矿粉、无烟煤粉、石灰粉是按预先设置的量比而确 定的，当规模化制取时，可按此量比进行计算。
贫锰矿粉主要由15-25M的Mn02、 10-20%的FeO组成，其他为金属和非金属杂质， 在碳还原、炼制、磁选过程中去除或成为废渣。
原料的粉碎、细磨、过筛要分别用机器进行，控制好细粉粒径《0.075mm，混合 后要搅拌均匀。
原料细粉的布料要按层松散布料，要用>200目的专用筛筐在微波加热炉腔内筛
漏，逐层布料，使细粉粒径间留有空隙，切勿压实。
微波加热预还原、终还原炼制均在微波加热炉内依次进行，先进行预热、 一氧化
碳预还原，再进行终还原，温度由2crc土3t:逐渐升温至iooo°c±50°c，恒温保温
2min士lmin，然后升温至1300°C士5(TC，进行终还原高温炼制，恒温、保温5min土 lmin，并进行化学反应，制成海绵锰铁，然后关闭微波加热器，当温度降至200'C时， 将炉底打开，产物进入冷却箱。
海绵锰铁的冷却是在专用冷却箱中进行的，并在氮气全程保护下，冷却至20°C 士3。C。
冷却后的海绵锰铁要进行粉碎、过筛，然后在磁选机上进行磁选、磁选机磁场强 度为15000—20000高斯，以保证磁选后的锰铁纯净及产物锰铁的产收率，金属锰铁 产收率可达98%，锰含量可达75%，铁含量可达20%，碳含量<0.5%，硫含量<0.5%， 磷含量<0.2%，杂质含量<2%，为低碳、低磷锰铁。
金属锰铁在微波预热、 一氧化碳预还为2min土lmin，终还原炼制为5min士lmin， 由于时间短、渗碳过程很小，故为低碳型金属锰铁、含碳量<0.5%。
贫锰矿粉的碳还原炼制是在竖式微波加热炉中进行的，可使用单炉炼制，也可使 用双炉，还可使用4炉、6炉、8炉同时炼制，形成工艺流程循环，以提高生产效率。
图2所示，为微波加热炼制状态图，微波加热炉为竖式，用计算机程序控制，传 感器摄取炉内温度信息，液晶显示屏显示碳还原炼制及各数据参数。
炉支座1上部为炉座2、炉座2上部为炉体3、炉体3内为炉腔6、炉腔6内底 部为炉底5、并均布原料粉末22、顶部为炉盖4，炉体3外部为微波加热器11、上侧 部设有出气孔20，炉体3的炉壁上对称设有传感器7、 8、 9、 10，炉座2下部为卸料 斗21，炉体3侧部设有计算机控制器12，计算机控制器12由上至下依次设有液晶显 示屏13、指示灯14、 18、电源开关19、微波调节键17、炉盖开关15、炉底开关16; 在炉支架1的下部中间位置设有冷却箱23，冷却箱23联接氮气阀25、氮气瓶24， 冷却箱23内底部为产物粉末27、上部为氮气26。
图3所示，为产物磁选提纯状态图，产物粉末磁选提纯是在专用磁选机上进行的， 磁选机为立式，上部为进料斗28，向下联接细磨机29、输料管30，输料管30联通 筛网箱31，筛网箱31内设有振荡器32，筛网箱31联接输料管33、磁选箱34，磁选
箱34内设有搅拌器36、叶轮37、电机35，磁选箱34下部联接杂质出口 38，杂质出 口 38联接杂质箱39，杂质箱39内为杂质40;磁选箱34右部联接磁吸管41，磁吸 管41联接磁选机42，磁选机42内设有电磁铁43、并联接电磁电源44，磁选机42 下部联接产物出口45，产物出口 45联接产物箱47，产物箱47内为产物粉末46。
磁选箱34为分离箱，杂质直接由杂质出口排入杂质箱39，金属锰铁粉末经磁吸 管41、磁选机42磁选，产物细粉进入产物口45，并排入产物箱47，磁选机42、电 磁铁43的磁场强度以1. 5—2万高斯为宜，也可视制取产物的量值进行调控。
图4所示，为碳还原炼制过程温度与时间坐标关系图，微波加热、碳还原温度由 2(TC士3。C升至1000°C±50°C，相交于A点，恒温保温2min土lmin，即A—B区段， 然后再升温至1300°C±50°C， S卩C点，恒温保温5min士lmin，即C一D区段，然后关 闭微波加热器，产物随炉自然冷却至20(TC士2(rC出炉，即E点，最后在冷却箱内、 在氮气保护下冷却至20。C士3t:，即F点。
图5所示，为贫锰矿粉碳还原IOO(TC时，放大40倍状态图，图中可知白亮色 物质为金属锰铁，深灰色物质为锰铁矿粉，矿粉间有空隙，较松散，图像标尺单位 lmnio
图6所示，为贫锰矿粉终还原炼制130(TC时，放大80倍状态图，图中可知白 亮色物质为金属锰铁，浅灰色物质为锰铁矿粉，金属锰铁聚集、结块增大，矿粉间有 空隙、较松散，图象标尺单位500ura。
图7所示，为金属锰铁产物粉粒形貌图，图中可知产物形貌为黑色颗粒，粉末 单个晶粒致密性强，呈金属状。
权利要求
1、一种用贫锰矿粉制取低碳金属锰铁的方法，其特征在于使用的化学物质原料为贫锰矿粉、无烟煤粉、石灰粉、氮气，其组合配比是以千克、米3为计量单位贫锰矿粉MnO2·FeO·SiO2 700kg±10kg无烟煤粉C·H2O300kg±30kg石灰粉CaO 50kg±10kg氮气N2100m3±10m3制取方法如下(1)精选原料，进行含量控制贫锰矿粉MnO215-25％ FeO 10-20％无烟煤粉C 70-90％ H2O 2-5％石灰粉CaO 60-80％氮气N2 99.5％(2)粉碎、细磨、过筛对精选的化学物质原料要分别进行粉碎、细磨、过筛，成细粉状，反复粉碎、过筛，用筛网进行细度控制贫锰矿粉筛网200目，细粉粒径≤0.075mm无烟煤粉筛网200目，细粉粒径≤0.075mm石灰粉筛网200目，细粉粒径≤0.075mm留下细粉，剔除杂质；(3)原料混合、搅拌将贫锰矿粉700kg±10kg、无烟煤粉300kg±30kg、石灰粉50kg±10kg置于原料搅拌箱内进行混合、搅拌，搅拌时间10min±1min，使之均匀；(4)在微波还原炉内松散布料将混合均匀的原料细粉置于计算机控制的微波还原炉炉腔内，从炉腔底部开始，分层、自然、松散布料，要用＞200目的筛筐筛漏，逐层布料，并留有空隙；(5)微波炉预热、预还原关闭计算机控制的微波炉炉盖，使微波炉处于密闭状态，并留有气孔；开启微波发生器，微波炉内传感器摄取温度信息，使温度信息传输给计算机控制器，温度从20℃±3℃升至1000℃±50℃，升温速度为50℃/min，升温时间为20min，在此温度恒温、保温2min±1min，微波加热频率为2.45GHZ、功率为10000KW，原料细粉在炉腔内将进行化学反应，产生一氧化碳，一氧化碳对原料细粉进行预还原，化学反应式如下MnO<sb>2</sb>·FeO·SiO<sb>2</sb>+2CO+CaO<chf height="32" width="90" align="middle" arrowtype="SINGLE" ><upper><![CDATA[1000℃±50℃]]></upper><lower><![CDATA[2min±1min]]></lower></chf>MnO+Fe+CaO·SiO<sb>2</sb>+2CO<sb>2</sb>↑</reaction><!--img id="icf0001" file="A2007100623050003C1.gif" wi="602" he="37" img-content="drawing" img-format="tif"/-->式中MnO2.二氧化锰MnO氧化亚锰FeO氧化亚铁Fe铁SiO2二氧化硅CO一氧化碳CO2二氧化碳(6)一氧化碳终还原炼制锰铁一氧化碳预还原结束后，微波炉温度由1000℃±50℃继续升温至1300℃±50℃，在此温度恒温、保温5min±1min，微波加热频率为2.45GHZ、功率为10000KW，贫锰矿粉+无烟煤粉+石灰粉充分进行化学反应，化学反应式如下MnO<sb>2</sb>·FeO·SiO<sb>2</sb>+3C+CaO<chf height="32" width="90" align="middle" arrowtype="SINGLE" ><upper><![CDATA[1300℃±50℃]]></upper><lower><![CDATA[5min±1min]]></lower></chf>Mn·Fe+CaO·SiO<sb>2</sb>+3CO↑</reaction><!--img id="icf0002" file="A2007100623050003C2.gif" wi="584" he="37" img-content="drawing" img-format="tif"/-->式中C碳Mn锰(7)锰铁产物出炉炼制结束后，关闭微波加热器，使产物随炉自然冷却至200℃±20℃；打开炉体卸料斗，将产物卸入专用产物箱内；(8)氮气保护冷却将产物箱封闭，并充入惰性气体-氮气，充入速度为2m3/min；产物箱及产物在氮气保护下自然冷却至20℃±3℃；其产物为海绵锰铁；(9)粉碎、过筛冷却后的海绵锰铁，要进行粉碎、过筛，反复粉碎，反复过筛，成细粉；筛网目数200目细粉粒径0.075mm(10)磁选提纯冷却、粉碎、过筛后的海绵锰铁置于专用磁选机内，进行磁选、提纯、剔除杂质，留存金属锰铁粉末；磁选机风机转数为3-5转/min；磁选机磁场强度为15000-20000高斯；磁选后金属锰铁产收率为98％；(11)检测、化验、分析对磁选提纯后的金属锰铁粉末要进行色泽、成分、纯度、含锰量、含铁量、含碳量、含硫量、含磷量、含杂质量、全相组织形貌、产物性能进行检测、化验、分析；用原子吸收容量法进行锰Mn、铁Fe分析；用燃烧法进行硫S分析；用原子吸收分光光度计进行磷P分析；用非水滴定法进行碳C分析；金属锰铁粉末含锰量为75％、含铁量为20％、含碳量＜0.5％、含硫量＜0.5％、含磷量＜0.2％、含杂质量＜2％，粉末粒径为0.075mm；(12)储存包装对炼制提纯后的产物——金属锰铁粉末，密闭储存于专用容器，置于干燥环境，要防水、防潮、防氧化、防酸碱侵蚀，储存温度20℃±3℃，相对湿度≤20％。
2、 根据权利要求1所述的一种用贫锰矿粉制取低碳金属锰铁的方法，其特征在 于所述的用贫锰矿粉制取金属锰铁，是以贫锰矿粉为原料、以无烟煤粉为还原剂、 以石灰粉为熔炼剂、以氮气为金属锰铁粉末冷却的保护气体。
3、 根据权利要求1所述的一种用贫锰矿粉制取低碳金属锰铁的方法，其特征在于 所述的用计算机控制的微波加热炉炼制金属锰铁，预热、 一氧化碳预还原温度 为100(TC土5(TC，恒温、保温时间为2min土lmin， 一氧化碳终还原炼制温度时间为 为1300。C土5(TC，恒温、保温5min土lmin，微波加热频率为2. 45GHZ、功率为IOOOOKW。
4、 根据权利要求1所述的一种用贫锰矿粉制取低碳金属锰铁的方法，其特征在 于所述的用贫猛矿粉制取金属锰铁，其产物粉末粒径为0. 075mm、含锰量为75%、 含铁量为20%、含碳量<0. 5%、含硫量<0. 5%、含磷量<0. 2%、含杂质量<2%，产收 率为98%。
5、 根据权利要求1所述的一种用贫锰矿粉制取低碳金属锰铁的方法，其特征在 于所述的金属锰铁的提纯是在磁选机上进行的，磁选机风机转数为3-5转/min，磁 选磁场强度为15000—20000高斯。
全文摘要
本发明涉及一种用贫锰矿粉制取低碳金属锰铁的方法，它是用储量丰富的贫锰矿粉，用微波加热、碳还原、高温炼制、磁选提纯，直接制备低碳金属锰铁，不经能耗大、污染严重的烧结造块工序，经精选原料、粉碎、细磨、过筛、混合、搅拌、微波炉预热、一氧化碳预还原、终还原、高温炼制、氮气保护冷却、磁选提纯，最终制得高纯度低碳金属锰铁，此制备方法工艺流程短、使用设备少、可大规模工业化制取、产收率高，可达98％，锰含量可达75％，铁含量20％，碳含量低，＜0.5％，有害物质硫含量＜0.5％、磷含量＜0.2％，为低碳，低磷、低硫型，不经造块，不污染环境，是十分理想的用贫锰矿粉直接制取金属锰铁的方法，填补了我国此类技术的科研空白。
文档编号B03B1/00GK101113496SQ20071006230
公开日2008年1月30日 申请日期2007年7月13日 优先权日2007年7月13日
发明者刘金营, 猛 张, 林原生, 王社斌, 晶 赵, 津 陈 申请人:太原理工大学