CN104451018B - 一种有色金属冶炼渣还原铁生产钢材的方法 - Google Patents
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Abstract
一种有色金属冶炼渣还原铁生产钢材的方法，熔炼镍冶炼炉渣得还原铁水；底料和还原铁水装入电弧炉，熔化成熔融铁水，通过矿石氧化、吹氧脱碳、脱磷，同时使用脱硫剂、进行造渣脱硫，得熔融钢水，若熔融钢水中的硫含量≤0.030%，则浇铸铸锭；若熔融钢水中的硫含量＞0.030%，则采用炉外脱硫处理，使熔融钢水中的硫含量≤0.030%，然后浇铸铸锭；将铸锭锻造成方形坯料；修磨后；在半连续轧制机组上轧制盘圆。该方法以从镍冶炼炉渣中获得为原料生产钢材，不仅使镍冶炼炉渣中富集的铁等资源得以综合利用，解决传统炼钢工艺依赖废钢原料的问题，也为有色金属冶炼炉渣的处理开辟了一条行之有效的路径。
Description
技术领域
本发明属于有色金属冶炼技术领域，涉及一种用有色金属冶炼渣还原铁生产钢材的方法，在镍冶炼炉渣还原铁水冶炼过程中，通过吹氧降碳、造渣脱硫，浇注成合金钢锭，并轧制成力学性能指标接近牌号Q355NH和35#钢的型材，强度和塑性较好。
背景技术
传统的炼钢方法是以铁矿石和废钢为主要原料，经电弧炉熔化后再兑入精炼炉冶炼成钢产品。但是由于世界各国钢铁治炼能力逐步扩大，铁矿石和废钢的供应已出现缺口，并导致价格升高，不少钢企为降低成本，在炼钢时有意减少废钢铁的加入量，因此在一些长流程的钢铁企业中寻求用铁水代替废钢治炼钢铁。如，专利《一种以铁水为主原料冶炼不锈钢的方法》（专利号ZL200510012599.1，公告号CN100485062C，公告日2009.05.06）公开了一种能以碳含量较高、使用铁水比例高的铁水为主原料冶炼不锈钢的方法。对高炉铁水进行脱硅、脱磷和脱硫后，用顶底复吹转炉进行初步脱碳，铁水成分（重量百分数）达到要求后，倒入钢包吹氩，然后精炼脱碳，化学成分（重量百分数）达要求后，出炉铸坯。专利《一种高铁、高硅有色金属冶炼渣中提取有价元素方法》（专利号ZL201010034519.3，公告号CN101792863B，公告日2012.05.09）公开的方法，适用于从有色金属冶炼渣中火法提取有价元素，可直接用于耐热结构钢的生产，有效地利用二次资源，同时解决了有色金属冶炼中的环保问题。
但是，有色金属冶炼产生的镍渣、铜合成炉渣、镍铜混合渣还是采用粗放管理，严重污染环境，消耗资源，浪费较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种有色金属冶炼渣还原铁生产钢材的方法，从镍冶炼炉渣中还原出铁，并用该还原出的铁生产钢材。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种有色金属冶炼渣还原铁生产钢材的方法，具体按以下步骤进行：
步骤1：将镍冶炼炉渣加入到电弧炉内，上铺焦炭送电引弧至镍冶炼炉渣熔化，控制熔炼温度1450～1550℃、熔剂石灰石率14～30%、还原剂块煤率5～17%、熔炼40～60min，得到还原铁水；将底料和该还原铁水装入电弧炉内，熔化还原铁水和底料；形成熔融铁水，在1450～1550℃温度下，通过矿石氧化、吹氧脱碳、脱磷，同时使用脱硫剂，并进行造渣脱硫，得到熔融钢水，取样分析该熔融钢水中的硫含量，若熔融钢水中的硫含量≤0.030%，则进行浇铸，得到铸锭；若熔融钢水中的硫含量＞0.030%，则采用炉外脱硫处理，使熔融钢水中的硫含量≤0.030%，然后进行浇铸，得到铸锭；
步骤2：将铸锭在1000～1150℃的温度下加热60～90min，将铸锭锻造成方形坯料；修磨后；在980～1050℃的加热温度下，加热60～80min，在半连续轧制机组上轧制盘圆。
本发明方法具有以下优点：
1）为炼钢提供含镍的还原铁水原料，解决了炼钢原料单一的问题。
2）可减少废钢的用量，降低成本。
3）为处理有色金属冶炼炉渣开辟了一条行之有效的路径。
4）利用有色金属冶炼炉渣还原铁水可冶炼多种钢种及产品。
附图说明
图1是采用本发明得到的轧制盘圆的拉伸断口扫描电镜显微组织图。
图2是图1所示拉伸断口的另一幅扫描电镜显微组织图。
图3～图6是采用本发明方法得到的方坯样品用3%硝酸酒精浸蚀后的金相显微照片。
图7～图10是采用本发明方法得到的盘圆样品用3%硝酸酒精浸蚀后的金相显微照片。
图11是采用本发明方法得到的轧制盘圆的能谱图。
图12是图11中“2”点的电子探针图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明方法利用1250KVA电弧炉对镍冶炼炉渣进行还原提铁，被还原出来的铁、镍、铜、钴等互熔形成粗铁合金熔体，即还原铁水，在冶炼过程中进行吹氧降碳、造渣脱硫后，浇注成合金钢锭，并轧制成力学性能指标接近牌号Q355NH和35钢的型材，强度和塑性较好，具有很高的回收利用价值。该方法具体按以下步骤进行：
步骤1：利用1250KVA电弧炉采用熔融还原法，将含水＜3.00%的镍冶炼炉渣加入到1250KVA电弧炉内，上铺焦炭送电引弧至镍冶炼炉渣熔化，控制熔炼温度1450～1550℃、熔剂石灰石率14～30%、还原剂块煤率5～17%、熔炼时间40～60min，得到还原铁水；然后将底料和该还原铁水装入电弧炉内，底料的质量为还原铁水质量的7.5%，底料由铁矿石、石灰、焦炭和废钢组成，还原铁水要装得致密，上铺焦炭和废钢给电弧炉送电熔化还原铁水和底料；形成熔融铁水，在1450～1550℃温度下，通过矿石氧化、吹氧脱碳、脱磷，同时使用脱硫剂，并进行造渣脱硫，得到熔融钢水，取样分析该熔融钢水中的硫含量，若熔融钢水中的硫含量≤0.030%，则进行浇铸，得到铸锭；若熔融钢水中的硫含量＞0.030%，则进行炉外脱硫处理，使熔融钢水中的硫含量≤0.030%，然后进行浇铸，得到铸锭；
该熔融钢水的平均成分，见表1；
表1 电弧炉中熔融钢水中的平均成分（wt%）
国家标准（GB/T4171-2008）中规定的Q355NH耐候钢的化学成分，如表2所示。
表2 国家标准Q355NH耐候钢的化学成分
从表1和表2可以看出，脱碳脱硫熔融钢水的成分与国家标准规定的Q355NH耐候钢的化学成分相近，因此，用该熔融钢水浇铸的铸锭的锻造、轧制工艺可参考耐候钢的锻轧工艺。
步骤2：采用1000kg空气锤，将铸锭在三段式推钢连续加热炉上加热，端进侧出，燃料采用热发生炉煤气，加热温度为1000～1150℃，加热时间为60～90min，将铸锭锻造成规格50×50×950～1050mm方形坯料；在方坯修磨机上修磨后；每支铸锭锻造时，将冒口与铸锭尾部切除后在头部切取一段长约70mm的样块，作为锻造后冲击样品毛坯。
在980～1050℃的加热温度下，加热60～80min，在半连续轧制机组上轧制成直径为7.5～8.0mm的盘圆，该盘圆是指未添加任何合金元素的金川镍渣软钢。切除轧制盘圆两头，截取5根长约300mm的试样。
拉伸实验和冲击实验是力学性能试验中最基本的经典方法。它包括钢和其他金属材料在受单向静拉力作用下的正弹性模量E、比例极限σp、屈服点σs、屈服强度σ0.2、抗拉强度σb、伸长率δ及断面收缩率ψ和冲击功等的测定。在拉伸试验机（德国Zwick BT1-FR250SN·A4K）上对直径7.5mm的轧制盘圆进行拉伸试验，结果如表3和表4。
表3 拉伸实验结果
表4 样品拉伸性能平均值
从表3和表4可以看出，采用本发明方法制成的直径7.5mm的轧制盘圆的平均抗拉强度526.12MPa、屈服强度374.62N/mm2、延伸率21.41%。
对锻造样品进行冲击测试（全自动摆锤冲击试验机ZBC2302N-3），结果见表5。
表5 锻造样品冲击试验数据 Ak J
表5显示，采用本发明方法制得的锻造样品的吸收功平均值为153.6J。
采用本发明方法制得的型钢与国家标准牌号相近钢材的力学性能比较，见表6。
表6 本发明制得的钢力学性能试验数据与国家标准要求比较
通过对成分合格的铸锭进行了锻造与热轧实验，取样，检测分析，采用本发明方法制得的直径为7.5mm的轧制盘圆的平均抗拉强度526.12MPa、屈服强度374.62 N/mm2、延伸率21.41%，锻造样品吸收功平均值为153.6J。
根据所测力学性能，与国家标准《GB/T4171-2008耐候结构钢》、《GB/T699-1999优质碳素钢》对比，该直径7.5mm轧制盘圆的力学性能指标接近牌号Q355NH耐候钢和35#钢，强度和塑性较好。
对钢材进行拉伸实验后观察断口形貌，如果产生杯锥状断口，其一端中部平坦形成杯底，周围高起形成杯壁，另一端则呈锥形，合起来叫做杯锥状断口，也称韧窝断口，产生这种断口是正常断裂，说明钢材塑性和韧性较好。对直径7.5mm轧制盘圆进行拉伸试验，拉伸断口扫描电镜显微组织（日本电子 JSM6700F）如图1和图2所示。观察断口显微组织为杯锥状断口，说明钢材韧性较好，与表6中拉力测试的延伸率数据一致。
对锻造样品和直径7.5mm轧制盘圆进行硬度测试（布氏硬度计BH-5S、维氏硬度计VH-5A），结果如表7和表8所示。
表7 硬度检测结果
表8 样品硬度平均值
表7和表8显示：锻造样品平均布氏硬度160.97HB、维氏硬度152.78HV；直径7.5mm轧制盘圆的平均布氏硬度187HB、维氏硬度244HV。
在金相显微镜（蔡司Axio Observer A1mxD1m）不同放大倍数下观察锻造后金相组织，如图3～图6所示，在金相显微镜不同放大倍数下观察轧制后金相组织，图7～图10所示，由金相照片可以看出得到的镍渣钢为铁素体+少量珠光体金相组织，晶界处有碳化物析出。
根据《GB/T 6394-2002金属平均晶粒度测定方法》，采用截点法得到平均截距，根据平均晶粒度级别计算公式：G=（-6.643856lgl）－3.288，锻造和轧制样品晶粒度分别是6.5～7.6级、10.3～12.1级，具体列入表9中。
表9 锻造和轧制样品晶粒度评级汇总
一般将晶粒度小于4级为粗晶粒，5～8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。按照《GB/T4171-2008耐候结构钢》要求，钢材晶粒度不小于7级，晶粒度不均匀性应在三个相邻级别范围内；按照《GB/T699-1999优质碳素结构钢》，可根据用户要求进行晶粒度检测。与钢材一般要求和标准对比，采用本发明方法制得的直径7.5mm轧制盘圆的晶粒度满足要求。
直径7.5mm轧制盘圆样品的能谱图如图11所示，其电子探针（日本电子JXA-8800R）图，如图12所示，图12是图11中 “2”点处的电子探针分析情况，从中可以看出，该直径7.5mm的镍渣软钢轧制盘圆样品基体元素主要为铁，并含有少量的碳、氧、铜等杂质。
采用镍冶炼炉渣还原铁水生产钢材，从试验产品的化学成分和相关物理性能检测上看，与国家标准《GB/T4171-2008耐候结构钢》、《GB/T699-1999优质碳素钢》对比，金川镍渣钢力学性能指标接近牌号Q355NH和35钢，强度和塑性较好，并且达到相关物理性能检测，可以实现制备工艺的连续性，保证产品质量的稳定，为冶炼钢材提供了一种含镍的还原铁水原料，可减少废钢的用量，降低成本，同时为处理镍冶炼炉渣开辟了一条行之有效的路径。利用镍冶炼炉渣还原铁水可冶炼多种钢种及产品，实现了资源综合利用目标。
本发明以从镍冶炼炉渣中获得的含有少量镍、铜、钴等有价金属的还原铁水为原料生产钢材，不仅使镍冶炼炉渣中富集的铁等资源得以综合利用，解决传统炼钢工艺依赖废钢原料的问题，也为有色金属冶炼炉渣的处理开辟了一条行之有效的路径。
实施例1
将含水＜3.00%的镍冶炼炉渣加入1250KVA电弧炉内，上铺焦炭送电引弧至镍冶炼炉渣熔化，控制熔炼温度1450℃、熔剂石灰石率14%、还原剂块煤率5%、熔炼时间40min，得到还原铁水；然后将底料和该还原铁水装入电弧炉内，底料的质量为还原铁水质量的7.5%，底料由铁矿石、石灰、焦炭和废钢组成，还原铁水要装得致密，上铺焦炭和废钢给电弧炉送电熔化还原铁水和底料；形成熔融铁水，在1450℃温度下，通过矿石氧化、吹氧脱碳、脱磷，同时使用脱硫剂，并进行造渣脱硫，得到熔融钢水，取样分析该熔融钢水中的硫含量，熔融钢水中的硫含量≤0.030%，进行浇铸，得到铸锭；采用1000kg空气锤，将铸锭在三段式推钢连续加热炉上加热，端进侧出，燃料采用热发生炉煤气，加热温度为1000℃，加热时间为90min，将铸锭锻造成规格50×50×950mm方形坯料；在方坯修磨机上修磨后；在980℃的温度下，加热80min，在半连续轧制机组上轧制成直径7.5mm的盘圆。
实施例2
将含水＜3.00%的镍冶炼炉渣加入1250KVA电弧炉内，上铺焦炭送电引弧至镍冶炼炉渣熔化，控制熔炼温度1550℃、熔剂石灰石率30%、还原剂块煤率17%、熔炼60min，得到还原铁水；然后将底料和该还原铁水装入电弧炉内，底料的质量为还原铁水质量的7.5%，底料由铁矿石、石灰、焦炭和废钢组成，还原铁水要装得致密，上铺焦炭和废钢给电弧炉送电熔化还原铁水和底料；形成熔融铁水，在1550℃温度下，通过矿石氧化、吹氧脱碳、脱磷，同时使用脱硫剂，并进行造渣脱硫，得到熔融钢水，取样分析该熔融钢水中的硫含量，熔融钢水中的硫含量＞0.030%，进行炉外脱硫处理，使熔融钢水中的硫含量≤0.030%，然后进行浇铸，得到铸锭；采用1000kg空气锤，将铸锭在三段式推钢连续加热炉上加热，端进侧出，燃料采用热发生炉煤气，加热温度为1150℃，加热60min，将铸锭锻造成规格50×50×1050mm方形坯料；在方坯修磨机上修磨后；在1050℃的温度下，加热60min，在半连续轧制机组上轧制成直径为8.0mm的盘圆。
实施例3
将含水＜3.00%的镍冶炼炉渣加入到1250KVA电弧炉内，上铺焦炭送电引弧至镍冶炼炉渣熔化，控制熔炼温度1500℃、熔剂石灰石率22%、还原剂块煤率11%、熔炼50min，得到还原铁水；然后将底料和该还原铁水装入电弧炉内，底料的质量为还原铁水质量的7.5%，底料由铁矿石、石灰、焦炭和废钢组成，还原铁水要装得致密，上铺焦炭和废钢给电弧炉送电熔化还原铁水和底料；形成熔融铁水，在1500℃温度下，通过矿石氧化、吹氧脱碳、脱磷，同时使用脱硫剂，并进行造渣脱硫，得到熔融钢水，取样分析该熔融钢水中的硫含量，熔融钢水中的硫含量＞0.030%，进行炉外脱硫处理，使熔融钢水中的硫含量≤0.030%，然后进行浇铸，得到铸锭；采用1000kg空气锤，将铸锭在三段式推钢连续加热炉上加热，端进侧出，燃料采用热发生炉煤气，加热温度为1575℃，加热75min，将铸锭锻造成规格50×50×1000mm方形坯料；在方坯修磨机上修磨后；在1015℃的温度下，加热70min，在半连续轧制机组上轧制成直径为8.0mm的盘圆。
Claims (3)
1.一种有色金属冶炼渣还原铁生产钢材的方法，其特征在于，该方法具体按以下步骤进行：
步骤1：将含水＜3.00%的镍冶炼炉渣加入到电弧炉内，上铺焦炭送电引弧至镍冶炼炉渣熔化，控制熔炼温度1450～1550℃、熔剂石灰石率14～30%、还原剂块煤率5～17%、熔炼40～60min，得到还原铁水；将底料和该还原铁水装入电弧炉内，熔化还原铁水和底料；形成熔融铁水，在1450～1550℃温度下，通过矿石氧化、吹氧脱碳、脱磷，同时使用脱硫剂，并进行造渣脱硫，得到熔融钢水，取样分析该熔融钢水中的硫含量，若熔融钢水中的硫含量≤0.030%，则进行浇铸，得到铸锭；若熔融钢水中的硫含量＞0.030%，则采用炉外脱硫处理，使熔融钢水中的硫含量≤0.030%，然后进行浇铸，得到铸锭；
步骤2：采用1000kg空气锤，将铸锭在三段式推钢连续加热炉上加热，端进侧出，燃料采用热发生炉煤气，将铸锭在1000～1150℃的温度下加热60～90min，将铸锭锻造成方形坯料；修磨后；在980～1050℃的加热温度下，加热60～80min，在半连续轧制机组上轧制盘圆。
2.根据权利要求1所述的有色金属冶炼渣还原铁生产钢材的方法，其特征在于，所述步骤1中，所用底料的质量为所用还原铁水质量的7.5%。
3.根据权利要求1或2所述的有色金属冶炼渣还原铁生产钢材的方法，其特征在于，所述的底料由铁矿石、石灰、焦炭和废钢组成。
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