鍛軋錳及其高氮化物節能環保生產工藝

摘 要:“鍛軋錳及其高氮化物節能環保生產工藝”源于湖南省科技廳科技計劃重點項目(2008CK2002)和長沙市科技計劃重點項目(K0902070-11)研究成果，具有自主知識產權，已通過產學研合作方式實施轉化，被長沙市科技成果轉化服務中心認定為重大科技成果轉化項目(20090203)。開發的鍛軋錳和氮化錳作為合金鋼及有色金屬冶煉不可缺少的添加劑，其生產過程高效、節能、環境友好性好，材料利用率接近100%，產品合格率達99.9%以上;鍛軋錳含錳量≥97%，氮化錳含氮量高達10.5%，需求缺口大，市場前景好。

關鍵詞:鍛軋錳氮化錳工藝節能環保

中圖分類號:S-3文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(a)-0046-02

Energy-saving and Environmental-firendly Production of Wrought-Mn and Its Nitride

Qing-ding WU，Jue-li CHEN

(Institute of Processing Technologies of Materials，Central South University of Forestry Technology， Changsha Hunan 410004， China)

Abstract: Energy-saving and Environmental-firendly Production of Wrought-Mn and Its Nitride originated form the research results of Hunan Science and Technology Plan Major Project (No. 2008CK2002) and Changsha Science and Technology Plan Major Project (No. K0902070-11)， it possess independent intellectual property and can be implemented by university-industry cooperation mode， this project has been affirmed Major Achievement Transformation Project by Transformation of Sci-tech Achievement Service Center in Changsha. The developed wrought-Mn and nitrided-Mn are the indispensable addtives in alloy steel and nonferrous metal smelting， these production process is high efficient， energy-saving ans showed excellent environmental friendluness. The material utilization close to 100% and the product qualification is more than 99.9%. The Mn content of wrohght-Mn is greater than or equal to 97%， the nitrogen content of nitrided-Mn can reach 10.5%， the demand gap is large and the markets prospect well.

Key words:wrought-Mn; nitrided-Mn; preparation technology; energy-saving; environmental friendly

1 技術背景

由于錳在煉鋼中起脫氧、脫硫、合金化等作用，錳的存在不僅能消除或減弱因硫引起的熱脆性，提高鋼的熱加工性能，而且能使鋼形成和穩定奧氏體組織的能力僅次于昂貴的鎳，同時也能強烈提高鋼的淬透性;而氮雖然在鋼中常常與其脆性相關，但氮元素作為奧氏體元素也能替代鎳用于奧氏體中，可與鋼中的其他元素交互作用，賦予鋼材許多優異的性能，如其強度、韌性、蠕變抗力，耐腐蝕性等，因此，往往在冶煉高強度鋼、不銹鋼、耐熱鋼等材料時，需同時加入錳、氮這兩種元素，但是，這兩種元素單獨加入時仍有不便，如氮的溶解度低、比重小、不易加入，而氮化錳不僅易于加入，而且錳、氮的利用率高，能彌補這些不足。所以，自1988年在法國召開第一次高氮鋼會議，把高氮鋼作為發展高質量冶金技術的主要方向之一以來，氮化錳便贏得了冶金界的青睞[1-4]。

為了很好地滿足高強度鋼、不銹鋼、耐熱鋼等材料生產的巨大市場需求，廣大工程技術人員先后分別以氨氣、普氮、高純氮、氫氮混合氣體為滲氮氣氛，在600℃～1000℃溫度范圍內，對氮化錳的生產工藝進行廣泛的研究，收到了較好的效果，使氮化錳的含氮量品位從4%～6%提升到了6%～8%。但所采取的工藝措施普遍沿襲常規鋼材滲氮工藝，最長滲氮時間長達50小時，不僅使滲氮工作效率大打折扣，同時也造成了能源的極大浪費[5-10]。

針對上述技術缺陷，筆者以獲得的“一種高效節能的氮化錳生產工藝”發明專利(ZL200610031155.7)為基礎展開創新研究，先后獲得了湖南省科技廳科技計劃重點項目(2008CK2002)和長沙市科技計劃重點項目(K0902070-11)的資助。研究成果不僅得到了很好的轉化，形成了優良生產力;而且先后獲得了湖南省自然科學優秀學術論文二等獎(4011-C-326)、湖南省技術發明三等獎(20093017-F3-011-R01)[11-12]。

2 技術特征

“鍛軋錳及其高氮化物節能環保生產工藝”與當前國內外同類工藝技術相比具有如下特色:

(1)本工藝創造性地運用粉末冶金原理和金屬化學熱處理等多學科交叉知識與成果，通過認識金屬錳高效率成形與深度氮化規律，不僅找到了金屬錳粉的高效成形方法，而且確定滲氮工藝參數的優化組合，創新了鍛軋錳的預抽真空活化低溫滲氮工藝。

(2)本工藝直接瞄準市場應用需求，以提升我國錳資源增值加工技術、增強我國錳資源的出口創匯能力、扭轉我國(特別是湖南)豐富錳資源絕大部分都以低附加值的錳片、錳粉出口的被動局面為最終目標。

(3)本工藝注重生產效率與節能降耗，追求綠色環保，確保了經濟效益和社會效益雙豐收。經過多年的推廣應用，在證明工藝實施過程“無廢氣、無廢水、無廢渣”污染的同時，實現了節能效果的明顯突破，使節支額度達到了鍛軋錳及其高氮化物產值的1%～1.5%。統計表明，生產1噸鍛軋錳制品和1噸氮化錳的能耗分別為48.7KW.h、400KW.h，同比電熔錳錠的生產工藝，每噸鍛軋錳及其高氮化物可節約用電300～350 KW.h。

(4)本工藝的實施過程，由于空分制氮(含N99.999%)的應用，大量清潔氧彌散在生產車間，生產工人每天都能享受更新鮮更充裕的空氣;鍛軋錳及其高氮化物系列產品的生產過程，只有少量散落料需要及時回收，材料利用率接近100%，產品合格率達99.9%以上。

(5)通過數學模型，獲得了鍛軋錳制品的獼猴桃狀優化結構(如圖1)，實現了如圖2所示“一模六出”式成形模布局的大生產應用，收獲了“鍛軋錳制品結構力強、滾動性好、滲氮效率高”的良好效果。鍛軋錳制品作為一種可直接大量出口的冶金添加劑，經中國國家認證認可監督管理委員會認證檢驗機構有色金屬華北地質礦產測試中心認定，可按含Mn≥97%品位面向全球各大合金鋼和鋁合金冶煉廠商供貨。

(6)在鍛軋錳的滲氮工藝，通過預抽真空措施實現了滲氮過程的初始化，及時排除了滲氮空間和獼猴桃狀壓坯表面及開放孔中的自由氧與吸附氧;工藝采用誘發劑，既活化了金屬錳氮化過程，也為硅酸鹽粘結劑的固化提供了熱源。均勻分散在金屬錳粉中的誘發劑，在混合粉壓制成型后，釋放部分熱量，使硅酸鹽粘結劑帶來的水分大部分蒸發，并使獼猴桃狀壓坯固結。在滲氮初期，誘發劑熱分解產生還原性氣氛，使錳粉顆粒表面的微氧化層得以還原，形成新生的活性表面，使氮氣分子吸附更容易，更易建立平衡;并使錳粉顆粒表面發生物理吸附的氮氣分子隨著原子間的相互作用，更容易由物理吸附轉化為化學吸附，進而使氮氣分子分解為氮原子的過程加速，相應于吸附平衡形成穩態氮原子表面濃度。在濃度差和滲氮壓力的作用下，使得金屬錳表面的氮原子向內擴散的速度加快，從而使金屬錳氮化過程得到加速。為適應大生產的需求，筆者匯同產學研合作伙伴成功開發了日產10t的WSD-280-9-10型臥式真空滲氮爐，并首次采用了免維修雙球底罐狀滲氮舟，使滲氮更均勻、生產效率更高。

(7)經中國有色金屬工業總公司粉末冶金產品質量監督檢驗中心、中南大學粉末冶金研究院等機構分析檢測認定，按本工藝生產的氮化錳制品的含氮量高可在≤10.5%范圍內面向全球各大合金鋼和鋁合金冶煉廠商供貨。

3 應用推廣與市場前景

自于2008年1月，啟動“鍛軋錳及其高氮化物節能環保生產工藝”成果轉化工作以來，以中南林業科技大學材料成形技術研究所為依托，以錳三角的通華、容超、信豪、鴻昱、光明等為合作伙伴，建成了總產能達“20000噸/年”的鍛軋錳及其高氮化物生產線。產品全部出口到歐、亞、美10多個國家，用戶反饋良好，貨款回籠及時;預計將在相當長時間內無暇顧及國內市場。

3.1 市場需求預測

鍛軋錳及其高氮化物等系列制品形狀規則、密度均勻、含錳/氮量高，不僅可實施精確添加，且實收率均達95%以上，可賦予合金鋼/鋁合金許多優異性能(如韌性好，蠕變抗力大，耐腐蝕性好等)，因而贏得了冶金界的廣泛親昵。

目前國內外能生產鍛軋錳及其高氮化物的企業屈指可數，產量十分有限，市場需求缺口巨大。國內僅鞍鋼、西北鋁業等10余家合金鋼/鋁合金冶煉企業對鍛軋錳及其高氮化物的需求額就高達10萬余噸/年;而美國鋁業、韓國譜項制鐵、印度米塔爾等大型國外冶金集團，每年對鍛軋錳及其高氮化物的需求分別超過5萬t。

3.2 對相關產業發展的促進與帶動作用

本工藝成果，在大幅提升我國(特別是錳三角)豐富錳資源的增值加工水平與能力，增強出口創匯能力的同時，可在一定程度上扭轉我國作為金屬錳主要原產國卻只能靠出口量的增加來提高出口創匯額的被動局面。從而實現在適度延緩錳資源外流速度的同時，增加創匯額，并最大限度的滿足合金鋼/鋁合金冶煉行業巨大的市場需求。

3.3 節能環保潛力

目前，全球最大的電解錳生產基地“湖南電解錳基地”，緊花垣縣電解錳年產量達60萬噸，占全國電解錳的總產量的80%以上，但環境污染問題也非常突出，已引起國家環保總局等部門的高度重視。如果鍛軋錳及其高氮化物的生產所采用的“無廢氣、無廢水、無廢渣”三無節能環保工藝最終能在錳三角推廣，當產能擴大到10萬t時，每年可節約用電3000～3500萬kWh;可節省電解錳32450t，相當于少開采錳礦石15萬噸，在可節省開采、冶煉費用5.2億元的同時，按照中國環境科學研究院在花垣當地調研結果，可減少約16.2萬t含錳的廢渣、廢水、廢氣的排放。

參考文獻

[1]機械工程手冊編輯委員會.機械工程手冊(材料部分)[M].北京:機械工業出版社，1978.

[2]夏立芳.鋼中滲氮[M].北京:機械工業出版社，1989.

[3]吳慶定.一種高效節能氮化錳生產工藝[P]，中國專利:ZL200610031155.7，2008.

[4]吳慶定，向仕龍.一種高效節能氮化錳生產工藝[J].鐵合金，2008，39(6):14-15.

[5]蔣漢祥，劉廷軍，戴清香.制取氮化錳工藝和技術[J].重慶大學學報(自然科學版)，2001，24(4):102-105．

[6]趙躍萍，丁松，張金柱.金屬錳滲氮及熱力學分析[J].貴州工業大學學報(自然科學版)，2002，(1):33-35．

[7]蔣漢祥，王少娜，黃英，等.氮化錳生產及結構分析[J].重慶大學學報，2004，27(5):70-73．

[8]易振鴻.電解金屬錳深加工產業的發展前景[J].中國錳業，2005，23(3):21-24.

[9]趙躍萍，張金柱，徐楚韶.Mn-N相圖和金屬錳氮化[J].鐵合金，2001(5):1-6.

[10]張金柱，徐楚韶，趙躍萍.金屬錳氮化的動力學研究[J].鐵合金，2004(3):9-12.

[11]吳慶定，胡勁松.塊狀氮化錳生產工藝的優化[J].機械工程材料，2006，30(11):33-35.

[12]吳慶定，李新華，王榮吉，等.基于粉末壓坯的氮化錳制備技術[J].金屬熱處理，2007，32(9):5～8.