錳硅合金

20世紀初法國冶金學家在研究電硅熱法生產中、低碳錳鐵過程中，用碳從含錳高的硅酸錳礦還原出含Mn75%、Si20%～25%和碳約1%的錳硅合金，代替硅和硅鐵作還原劑。第一次世界大戰（1914～1918）末期，德國魏斯韋勒廠在1000kVA電爐內，用焦屑還原含約10%Mn的高爐渣，產出含Si16%的錳硅合金。1929年克萊門特（F.Clements）報導了含Mn60%～80%的錳硅合金中硅與碳含量間的關係。從圖1中看出含Si>18%時，合金含C<1%。

錳硅二元系相圖見圖1。在高温液相區有兩個穩定化合物，Mn₅Si₃和MnSi。在液相線下的化合物有Mn₆Si、Mn₉Si、Mn₃Si、Mn₅Si₂和Mn₁₁Si₉等。錳硅合金中含有約20%Fe，Mn-Si-Fe合金在錳角的液相線投影圖見圖2。圖2中的粗黑虛線為有鐵存在時Mn-Si系共晶點與包晶點的移動軌跡，即液相面相交線的投影。圖2中還給出了Mn-Si系中的共晶反應點（e₆、e₇）、包晶反應點（p₄、p₅、p₆、p₇）及Mn-Si-Fe三元共晶點p₁。錳硅合金在使用價值上的特點是含碳量與含硅量成反比（見圖3）。這是因為錳的硅化物比碳化物穩定。商品錳硅鐵合金（含Mn65%～75%、Si15%～25%）的密度約為6.3g/cm，熔化温度範圍為1075～1320℃。

錳硅合金加入鋼液中脱氧，脱氧產物為MnSiO3。比FeSiO3的熔點低，表面張力較大，容易從鋼液中上浮，因而鋼中夾雜物較少。錳硅合金脱氧時，錳和硅的利用率均較高，所以錳硅合金是良好的複合脱氧劑。錳硅合金的錳碳比高，特別適合冶煉含錳的低碳鋼。由於鎮靜鋼、高強度低合金鋼、不鏽鋼、耐熱鋼等產量的增加，錳硅合金的用量也相應增加。

錳硅合金是在埋弧還原電爐內，用碳還原錳礦和硅石煉成的。（工藝流程見圖4）電爐容量3000～63000kVA，爐型可以是封閉式、半封閉式或敞口式。（見埋弧還原電爐）

錳原料通常由幾種錳礦。富錳渣、錳燒結礦等搭配組成。入爐成分要求為Mn>30%，Mn/Fe>4.5，P/Mn≤0.0035；硅石含SiO₂>98%；焦炭含固定碳>80%，灰分<15%；熔劑有石灰（或石灰石）、白雲石與螢石等，添加量根據錳原料的脈石組分、冶煉渣型及電爐容量等決定。

在電爐冶煉時爐內分成4層，即爐料層、焦炭層、爐渣層與合金層。（圖4）爐料層是礦石、熔劑與焦炭的混合物。在電極周圍料層薄，下料速度快，靠爐牆料層厚。礦石受熱收縮而出現細裂紋和孔穴，至下部變成網狀。爐料區內MnO2與Fe₂O3被CO還原或熱分解成MnO和FeO。靠近焦炭層的礦石開始軟化和生成熔點約為1200～1300℃的初渣。中國的錳礦含Al₂O₃較高，初渣的熔點可參考MnO-SiO₂-Al₂O₃系相圖（圖5）。爐料層下面為焦炭層，厚約100mm，在錳硅合金冶煉中佔有重要位置。熔融的爐料和初渣穿過此層時，被赤熱的焦炭還原。焦炭層的焦炭孔隙中有大量的細金屬粒，它是含Si20%～30%的合金。熔渣穿過焦炭層而進入爐渣層。在電極下端及其附近是焦炭粒，熔渣和金屬粒的混合層。在電弧加熱的高温下進行碳還原MnO與SiO₂的反應。還原出來的合金下沉至熔池底部，形成合金層。 ^[1] 

錳硅合金的冶煉操作與高碳錳鐵相似，但渣鐵出爐温度應控制在1400～1500℃之間。爐渣熔點應選擇在1300℃附近。爐渣熔點過高，則爐料過熱，渣黏度大，渣中夾合金多；熔點低則成渣速度大於反應速度，造成爐內翻渣。提高爐渣鹼度可以降低渣中MnO的含量，從而提高錳的回收率。但鹼度過高會使二氧化硅的還原變得困難，渣量增加。確定適當的爐渣鹼度十分重要。鹼度CaO+MgO/SiO₂應控制在0.6～1.1範圍內。生產Si≥22%的錳硅合金取下限，生產Si≤14%的錳硅合金取上限。減少渣量是降低電耗，提高錳回收率的前提。降低渣量的主要途徑是提高錳原料含錳量及選擇Al₂O₃含量高的渣型。渣中Al₂O₃要控制在15%～20%。合金與渣需定時從爐內排出並將合金鑄錠，爐渣則送衝渣場粒化，用作建築材料。 ^[2]