CN102051482A - 微波直接还原铬铁粉矿的工艺及其专用坩埚 - Google Patents

Abstract

一种微波直接还原铬铁粉矿的工艺，具体步骤为：a）配制炉料：炉料包括铬铁粉矿、还原剂、熔剂；所述炉料的重量百分比各为：铬铁粉矿为67%～74%、还原剂为18%～23%、熔剂为8%～10%；b）将所述配比的炉料混匀散装平铺于坩埚内，该坩埚的主体内加有防粘层，而主体外依次加有保温层及固定保温层的固定层；铺料厚度为3.0㎝～4.0cm；所述坩埚中的炉料在微波炉中被加热至1450℃～1480℃进行还原，还原时间为90～120分钟；还原后的炉料经颚式破碎机破碎和电磁分离，获得粒状碳素铬铁。本发明的还原产品的含铬量达48%～50%，金属化率≥78%，Cr的回收率≥85%，与矿热炉产品的指标相当，而且摆脱了依靠焦炭和蓝炭冶炼铬铁的传统工艺，实现了非焦煤冶金。

Description

微波直接还原铬铁粉矿的工艺及其专用坩埚

技术领域

    本发明涉及一种生产碳素铬铁的工艺，尤其指用微波直接还原铬铁粉矿得到碳素铬铁的工艺及该工艺专用的坩埚。

技术背景：

目前碳素铬铁均采用矿热炉进行生产，其缺点是能耗高，污染大，过程难控制，劳动条件差。随着节能减排和降低排碳量要求的日益提升，该工艺已处于淘汰之列，采用高科技改造传统的铁合金产业，已成为当前的紧迫任务。

微波属于清洁能量，其加热效率高达95%，远高于一般加热方法（仅为30%~40%），尚具有节能减排及便于控制等优点。不仅如此，而且还具有非热效应，可加快物质中质点的扩散运动，降低反应活化能，降低反应物温度（200℃---—300℃）和加快反应速度。自1945年第一台微波加热炉问世后，微波加热技术在各个相关领域得到了迅速发展。近年来，微波加热在冶金过程中的应用，成为研究热点，但在微波高温冶金方面目前仍处于试验阶段，在铬铁矿还原领域，尚处于起步阶段。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种非焦煤冶金、节能减排又降低排碳量的用微波直接还原铬铁粉矿得到碳素铬铁的工艺。

本发明的另一目的在于该工艺所专用的坩埚。

为此，采用如下技术方案：一种微波直接还原铬铁粉矿的工艺，工艺流程为：

a）、配制炉料：炉料包括铬铁粉矿、还原剂、熔剂；所述炉料的重量百分比各为：铬铁粉矿为67%～74%、还原剂为18%～23%、熔剂为8%～10%；

b）、将所述配比的炉料混匀散装平铺于坩埚内，铺料厚度为3.0㎝～4cm；所述坩埚中的炉料在微波炉中被加热至1450℃～1480℃进行还原，还原时间为90～120分钟；还原后的炉料经颚式破碎机破碎和电磁分离，获得粒状碳素铬铁。

所述还原剂是无烟煤粉和烟煤粉，其重量百分比为：无烟煤粉为12%～15%、烟煤粉为6%～8%；所述熔剂是硅微粉。

一种微波直接还原铬铁粉矿工艺中专用的坩埚，该坩埚的主体内加有防粘层，而主体外依次加有保温层及固定保温层的固定层。

所述坩埚主体由氧化铝陶瓷制成，所述防粘层由煤粉加6%的硅溶胶混合料制成，而所述保温层由氧化铝纤维制成，而固定层由玻璃或陶瓷制成。

本发明的还原产品的含铬量达48%～50%，金属化率≥78%，Cr的回收率≥85%，与矿热炉产品的指标相当，而且摆脱了依靠焦炭和兰炭冶炼铬铁的传统工艺，实现了非焦煤冶金。且本发明与传统工艺相比，还有以下特点：

1、节能减排和降低排碳量：节能40%～50%，烟尘排放量减少90%，排碳量降低30%。

2、采用非焦煤做还原剂，改变了传统工艺中采用焦炭做还原剂的局面。在当今焦煤资源紧缺，焦炭价格快速上涨的情况下，扩大了还原剂来源，还原剂成本下降了30%以上。

3、硅微粉（硅灰）的利用。由于铬铁矿在还原中，随着Cr₂O₃被还原，矿中MgO和Al₂O₃的富集，在矿的表面会形成镁铝尖晶石，它的结构致密，熔点高达2100℃。它的生成，就在矿粒（块）表面形成一个“屏障”，阻隔了还原剂C和CO与Cr₂O₃的接触，使还原反应终止。这就是铬铁矿还原的难点。为此，必须在炉料中添加一定量的熔剂，降低其熔点，使其熔融渣化，自矿粒表面离开，让还原反应继续进行。本发明中采用的熔剂为含SiO₂为85%的硅微粉（硅灰），它具有火山灰的反应活性，在400℃ 就与铬铁矿中的MgO发生反应，生成熔点为1557℃的MgO·SiO₂；在800℃左右与铬矿中的Al₂O₃反应，生成熔点为1850℃的2 SiO₂·3Al₂O₃，阻止了高熔点（2100℃）的镁铝尖晶石的形成。由它们构成了SiO₂—MgO—Al₂O₃三元渣系，只要控制成分在适当的范围内，渣的熔点可控制在1450℃—1500℃范围内，即在较高的温度范围内，使熔点高达2800℃的MgO和熔点2050℃的Al₂O₃与SiO₂形成低熔点渣，自矿粒表面离开，消除“隔离层”，让矿粒中的Cr₂O₃继续与还原剂接触反应，使还原反应得以继续进行。添加硅灰的另一作用，可以破坏铬铁矿中的镁铝尖晶石（MgO·Cr₂O₃），高活性的SiO₂夺取MgO·Cr₂O₃中的MgO，生成MgO·SiO₂，释放出Cr₂O₃。刚被释放出的Cr₂O₃具有较大的反应活性，能迅速与还原剂反应，加快铬的反应速度，这也是本发明中炉料配方的特点。

4、为低品位硅微粉（硅灰）开辟了新的利用途径，实现了铁合金冶炼中物料的循环利用。硅微粉为硅铁、金属硅冶炼中的除尘产物，其主要成分为SiO₂，含量在85%～92%，粒度在0.5㎜～2.5㎜范围内的非晶体物质。具有较高的反应活性。当硅微粉（硅灰）中SiO₂≥90%时，是耐火材料—水泥混凝土的重要添加剂，供应较紧张，价格较高。而SiO₂<90%时的硅灰，几乎无工业应用价值。本发明所采用的SiO₂含量为85%的硅灰，来源丰富，价格低廉。它在铬铁矿直接还原中的应用，实现了铁合金生产中资源的循环利用。

5、创新的微波冶金坩埚的设计：微波冶金要求坩埚具有透波、耐火、保温、防磁和防粘连等多项性能，选用合适的陶瓷坩埚，实现透波与耐火要求，保温防止炉料内部产生的热量外逸，是获取高温的必要条件，采用保温耐火的高铝纤维，就能达到目的。铬铁矿还原要求炉料渣化。融化后的渣子就会凝结于坩埚壁上，形成粘结层，难以消除。使坩埚容积缩小，且降低透波能力，使炉料接受微波的能量下降，发热能力减小，从而难以达到还原所需的温度。因而防粘是微波冶金的难点，至今未获突破。本发明中使用的坩埚结构如附图2示。在陶瓷坩埚的内壁上敷一层3~5㎜厚的较松散的碳素材料层，用以隔离渣化炉料与坩埚壁，还原后的炉料凝聚成整块，可在坩埚中顺利吊走，其表面仅附着着少量的煤粉。煤粉敷垫层的作用不仅是防粘，还用作还原吸波发热和保温作用，在微波冶金炉料中，煤粉既是还原剂，又是主要吸收微波而发热的物料。如果将坩埚架空，微波就可能通过坩埚底部，加热底部的煤粉垫衬，有效提高底部温度，以克服由于微波穿透深度不足，坩埚底部温度过低，还原程度差的弊病。

附图说明

图1为本发明工艺最佳实施例的流程图；

图2为本发明专用坩埚的结构示意图。

具体实施方式

下述实施例是在4KW微波实验炉中进行，所采用的有关原料成分见表1。

表1：试验用原料成分

实施例1，南非铬铁粉矿444g,硅灰48g,无烟煤粉72g，烟煤36g，混均后，平铺于坩埚中，铺料厚度3㎝；送入4KW微波实验炉中，加热至1460℃，还原120分钟，得到220g的产物经化验知为碳素铬铁，其含Cr： 51.53%，Si：1.61%,C：4.45%，Cr的回收率达85%。

实施例2，南非铬铁粉矿417g,硅灰53g, 无烟煤粉76g，烟煤粉41g，混均后，平铺于坩埚中，铺料厚度3.2㎝；送入4KW微波实验炉中，加热至1480℃，还原100分钟，得到205g的产物，经化验知为碳素铬铁，其含Cr：52.08%，Si：2.07%,C：4.63%，Cr的回收率85.3%。

实施例3，南非铬铁粉矿400ｇ，硅灰47ｇ，无烟煤粉72g，烟煤粉37ｇ，混匀后，平铺于坩埚内，铺料厚度4cm； 送入4KW微波实验炉中，加热至1480℃，还原100分钟，得到200g的产物，经化验知为碳素铬铁，其含Cr：51.56%，Si：1.95%,C：4.36%，Cr的回收率85.6%。

Claims (5)

1.一种微波直接还原铬铁粉矿的工艺，其特征在于：工艺流程为：

a）、配制炉料：炉料包括铬铁粉矿、还原剂、熔剂；所述炉料的重量百分比各为：铬铁粉矿为67%～74%、还原剂为18%～23%、熔剂为8%～10%；

b）、将所述配比的炉料混匀散装平铺于坩埚内，铺料厚度为3.0㎝～4. 0cm；所述坩埚中的炉料在微波炉中被加热至1450℃～1480℃进行还原，还原时间为90～120分钟；还原后的炉料经颚式破碎机破碎和电磁分离，获得粒状碳素铬铁。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述还原剂是无烟煤粉和烟煤，其重量百分比为：无烟煤粉为12%～15%、烟煤粉为6%～8%；所述熔剂是硅微粉。

3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于：所述硅微粉中SiO₂的含量小于90%。

4.一种微波直接还原铬铁粉矿工艺中专用的坩埚，其特征在于：所述坩埚的主体（3）内加有防粘层（4），而主体（3）外依次加有保温层（2）及固定保温层的固定层（1）。

5.根据权利要求4所述的坩埚，其特征在于：所述坩埚主体（3）由氧化铝陶瓷制成，所述防粘层（4）由煤粉加6%的硅溶胶混合料制成，而所述保温层（2）由氧化铝纤维制成，而固定层（1）由玻璃或陶瓷制成。

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