CN104498711A

CN104498711A - 一种利用不锈钢粉尘生产铬镍铁合金的方法

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Publication number: CN104498711A
Application number: CN201510030240.0A
Authority: CN
Inventors: 储满生; 李晰哲; 柳政根; 陈双印
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2015-04-08

Abstract

本发明提供了一种利用不锈钢粉尘生产铬镍铁合金的方法，其属于冶金废物综合利用技术领域。所述方法主要是将不锈钢粉尘和煤粉按照一定比例配料，混匀并且加热、热压成热压块，再将热压块经转底炉还原后进行水淬、筛分后得到铬镍铁合金和炉渣。本发明工艺简单，整个过程不使用任何粘结剂、还原性速度快、原料适应性强、能耗低、渣量少，铁、铬、镍收得率高，对于回收利用不锈钢粉尘中的有价金属有重要的应用价值，具有广阔的工业应用前景。

Description

一种利用不锈钢粉尘生产铬镍铁合金的方法

技术领域

本发明属于冶金废物综合利用技术领域，具体涉及一种利用不锈钢粉尘生产铬镍铁合金的方法。

背景技术

不锈钢具有良好的耐腐蚀性能，其被广泛地应用于化学工业、建筑、餐饮、汽车、医疗等行业。近年来，随着经济的高速发展，不锈钢行业发展迅速，不锈钢粗钢产量逐年增长。世界不锈钢粗钢产量从2009年的2500万吨增长为2013年的3800万吨，产量增长近1.5倍。

不锈钢通常采用电弧炉冶炼、复吹转炉直接冶炼和炉外精炼为主的二步法或三步法生产。在不锈钢的冶炼过程中，电弧炉、AOD/VOD炉、转炉等炉体中的高温液体在强搅动条件下经烟道后被布袋除尘器收集起来的金属和渣的混合物被称为不锈钢粉尘。据统计，每生产1t不锈钢可产生l8～33kg的不锈钢粉尘，不锈钢粉尘中含有大量如铁、铬、镍和锰等的有价金属，并且它们大多以氧化物的形式存在。

对于不绣钢粉尘的利用，目前有较多的方法，大体可以分为两大类。

一是在炼钢过程中直接回收不锈钢粉尘中的有价金属。该方法是将粉尘与碳粉混合成球并在炼钢过程中加入熔炼炉，使金属元素以合金形式回收于钢液中。该工艺流程短，投资少，但存在的问题是操作难度大、渣成分不易控制。例如：日本Daido Steel公司将粉尘直接返回炼钢熔池，采用铝作为还原剂还原回收粉尘中的有价金属，但此方法的最大缺点是粉尘中除含镍、铬外还含有大量铁，用铝置换铁是不经济的。公开号为CN101255493A的中国专利申请“冶金粉尘中金属的直接回收方法”中充分利用了不锈钢生产企业的现有设备，可以有效利用电弧炉粉尘或AOD/VOD粉尘以任意配比进行混合回收有价金属，Cr回收率＞80％，但需要使用大量的碳酸钙或硝酸钙等熔剂，而且还需补充使用硅铁合金、硅钙合金或铝，回收成本高、能耗较高。

二是将不锈钢粉尘制备成含碳球团，然后在转底炉中进行冶炼。例如：Fastmet/Fasmelt法，该方法具有流程短、设备占地面积少、反应时间短、无废水和废气等二次污染物产生等优点，但是该方法存在如下不足：铬的回收率低(仅为70％)、对煤粉的要求高、过程能耗大等。公开号为CN101892382A的中国专利申请“从不锈钢粉尘中提取高含镍、铬和铁的方法”是将不锈钢粉尘、煤粉和石灰石混匀后加入粘结剂造生球，在转底炉内氧化再还原后，经过冷却得到可自然粉化的渣和铁粒。该方法工艺简单，铬的回收率约为80％，但因为使用大量石灰石和粘结剂而致使渣量多，同时还原性气氛控制不易。

综上所述，直接在炼钢过程中回收不锈钢粉尘的方法增大了转炉或电弧炉渣量，同时加大了炼钢负荷。因此，直接在炼钢过程中回收不锈钢粉尘的处理方法有很多局限性且缺点明显，并不是处理不锈钢粉尘的最佳方法。

不锈钢粉尘含碳球团转底炉冶炼是目前研究的热点，也是未来不绣钢粉尘处理的主要技术之一。但因其在制备过程中普遍使用大量的粘结剂导致生产成本增加，同时粘结剂带来的大渣量也不利用后期的电炉熔分，因此有必要开发一种新型的不锈钢粉尘含碳球团转底炉冶炼工艺。

发明内容

本发明针对上述技术问题提出了一种利用不锈钢粉尘生产铬镍铁合金的方法。本发明基于制备热压块这一成熟技术，充分利用煤的热塑性将不锈钢粉尘与热压还原剂煤热压到一起以提高其冶金性能，从而制造出高温强度高、还原速度快、原料适应性强且无需添加任何粘结剂的优质不锈钢粉尘含碳热压块，研究出转底炉生产铬镍铁合金的生产新工艺，由此回收不锈钢粉尘中的有价金属，防止环境污染并促进钢铁工业的可持续发展。

依据以上设想，本发明提供了一种利用不锈钢粉尘生产铬镍铁合金的方法，整个工艺过程包括将不锈钢粉尘和煤粉破碎筛分，然后按一定比例配料、混匀并且加热、热压成热压块，热压块经转底炉还原，水淬、筛分后得到铬镍铁合金和炉渣。

根据前述的一种利用不锈钢粉尘生产铬镍铁合金的方法，其中所述的将不锈钢粉尘和煤粉破碎筛分是指对不锈钢粉尘和煤粉分别进行破碎筛分，控制不锈钢粉尘和煤粉的粒度均不大于0.15mm；并且，以质量百分比计，所使用的不锈钢粉尘中的铁含量不低于30％、铬含量不低于8％、镍含量不低于1％；所使用的煤粉中的固定碳含量不低于50％、灰分含量不高于15％、挥发分含量不超过35％，且煤粉的胶质层指数不低于8。

根据前述的一种利用不锈钢粉尘生产铬镍铁合金的方法，其中所述的将破碎筛分后的不锈钢粉尘和煤粉按照一定比例进行配料是指以质量百分比计，按照不锈钢粉尘的配比为75～85％、煤粉的配比为15～25％进行配料。

根据前述的一种利用不锈钢粉尘生产铬镍铁合金的方法，其中所述的混匀并且加热、热压成热压块是指将不锈钢粉尘和煤粉按比例混合均匀后加热到200～250℃，再利用热压装置进行压制；其中，控制普通热压成型磨具压力不小于35MPa，控制工业生产所采用的热压对辊压球机的线压力不小于3.0t/cm；压制得到的热压块的尺寸为(20～40)×(15～30)×(10～20)mm的椭球形颗粒，热压块的碱度为2.5～2.9，热压块的抗压强度不小于1000N/个，热压块的落下强度不小于4次/个。

根据前述的一种利用不锈钢粉尘生产铬镍铁合金的方法，其中所述的经转底炉还原是指利用转底炉设备，在温度为1400～1450℃的条件下，将所制成的热压块还原15～30分钟，还原结束后将还原产物进行水淬冷却和干燥筛分后得到铬镍铁合金和炉渣。

本发明的优点在于：(1)含碳不锈钢粉尘热压块不需配加其它富块矿或者富铁矿粉，可以实现全不锈钢粉尘造块；(2)本发明利用煤的热塑性，采用烟煤作为粘结剂并且不使用任何熔剂和粘结剂，原料适应性强且生产成本低；(3)与一般含碳不锈钢粉尘球团矿相比，本发明制得的含碳不锈钢粉尘热压块不使用添加剂，具有生产成本低、高温强度高、还原速度快、渣量少等特点；(4)因热压温度低，能够有效利用煤粉中的挥发分，大大降低了冶炼的负荷；(5)直接一步冶炼即能得到铬镍铁合金，铬的回收率高于90％，简化了工艺且降低了冶炼成本。因此，本发明具有原料适应性强、生产效率高、能耗低、成本低等特点，将有助于提高冶金废物处理的冶炼水平，对于降低不锈钢粉尘的冶炼回收成本有重要的现实意义，具有广阔的市场工业应用前景。

本发明依据的原理主要有以下几点：

本发明中制得的热压块也可以称为含碳不锈钢粉尘热压块。所得含碳不锈钢粉尘热压块具体是利用煤的粘结性替代粘结剂使不锈钢粉尘热压成块的。煤在隔绝空气的条件下加热至200～500℃后将会发生一系列物理和化学变化，形成粘稠态的气、固、液三相共存的混合物-胶质体，其产物具有粘结性并使得制备得到的含碳不锈钢粉尘热压块的抗压强度不小于1000N/个，由此可加入转底炉进行冶炼。含碳不锈钢粉尘热压块中的碳和不锈钢粉尘紧密接触，有利于金属氧化物的还原。并且，含碳不锈钢粉尘热压块中进行的反应主要为煤的热解反应、碳的气化反应、水煤气反应和铬、镍、铁氧化物的还原反应。

本发明中制得的含碳不锈钢粉尘热压块在没有外部还原气氛的条件下能够发生自还原反应。具体地，在一定的温度条件下，含碳不锈钢粉尘热压块就可以达到接近100％的还原率，这是含碳不锈钢粉尘热压块的还原过程与一般球团矿的还原过程的最本质区别，即含碳不锈钢粉尘热压块在高温的自还原过程中金属氧化物被快速还原成金属。因为含碳不锈钢粉尘热压块中的粉尘和煤粉粒度都很细，二者均匀混合且紧密接触，则金属氧化物的还原反应产生的CO₂和H₂O可以立即转化为CO和H₂，而且立刻参与还原反应。所以，含碳不锈钢粉尘热压块的自还原反应的动力学条件比其它工艺优越得多。此外，不锈钢粉尘中的碳，一部分作为还原剂参与金属氧化物的还原反应，一部分参与金属的渗碳，另一部分则作为残炭保留在渣相中，其中参与金属渗碳的碳起到降低铁合金熔点的作用，有利于铁合金通过高温扩散而聚集长大。含碳不锈钢粉尘热压块中的镍、铁氧化物很容易被还原，通过铁、镍的还原、渗碳而形成液相，因液相中铬活度低而使得铬更容易被还原进入液相，所以铁合金颗粒渐渐长大。被还原的含碳不锈钢粉尘热压块主要由铁合金和渣相组成，在含碳不锈钢粉尘热压块的自还原过程中，已被还原出来的铁合金和渣处于半熔融状态，高温下铁合金的表面张力较高，所以导致渣和铁合金间的接触角增大，这意味着渣和铁合金间的湿润性变差，当对其进行水淬冷却时，由于温度的急剧变化导致渣和铁合金的收缩不一致，促使渣和铁合金的颗粒分离，进而分离得到铬镍铁合金和渣相，实现了不锈钢粉尘中有价金属铬、镍、铁高效回收利用。

具体实施方式

下面结合具体示例来进一步地描述本发明，本发明的优点和特点会在描述中变得更为清楚，但这些示例属于近似范例的性质，并不对本发明的范围构成任何限制。另外，若无特别说明，本说明书中涉及的百分比均为质量百分比。

示例1：

某不锈钢粉尘中包含的TFe含量为33.18％、Cr含量为11.81％、Ni含量为2.10％，其主要化学成分见表1。

表1示例1中不锈钢粉尘的主要化学成分(wt％)

某烟煤煤粉中的固定碳含量为57.81％，灰分和挥发分含量分别为7.24％和34.01％，并且其胶质层指数不低于8以保证热压块具有足够的抗压强度，其主要化学成分见表2。

表2烟煤煤粉的化学成分(wt％)

将不锈钢粉尘和煤粉破碎筛分后，以质量百分比计按照不锈钢粉尘为80％、煤粉为20％的配比配料并进行混匀、加热热压，控制热压温度为200℃且热压压力为35MPa，压制得到的含碳不锈钢粉尘热压块的碱度为2.80，且含碳不锈钢粉尘热压块的主要化学成分见表3。

表3示例1中含碳不锈钢粉尘热压块的主要化学成分(wt％)

得到的含碳不锈钢粉尘热压块的抗压强度达到1170N/个，落下强度达到4.2次/个，满足转底炉的冶炼要求。

将所得热压块装入转底炉内，热压块随着炉床的旋转转动先经过预热，然后进行还原，控制还原温度为1450℃且还原时间大约为20min，还原结束后从转底炉将最终还原产物排出，对还原产物进行水淬冷却和干燥筛分后获得含高Cr、Ni的铬镍铁合金颗粒，可供炼钢工艺直接使用。并且，得到的铬镍铁合金的粒度为3～6mm，其典型成分和含量如下：Fe 70％、Cr 17％、Ni5％、C 4％以及其它成分为4％，其中铁、镍、铬的回收率分别为95％、98％、93％。

示例2：

将符合粒度和成分要求的不锈钢粉尘和煤粉以质量百分比计按照不锈钢粉尘为77.43％、煤粉为22.57％的配比配料并进行混匀、加热热压，控制热压温度和热压压力分别为200℃和40MPa，最终压制得到的含碳不锈钢粉尘热压块的碱度为2.68，且含碳不锈钢粉尘热压块的主要化学成分见表4。

表4示例2中含碳不锈钢粉尘热压块的主要化学成分(wt％)

得到的含碳不锈钢粉尘热压块的抗压强度达到1210N/个，落下强度达到5.1次/个。

将所得热压块装入转底炉内，热压块随着炉床的旋转转动先经过预热，然后进行还原，控制还原温度为1430℃且还原时间大约为25min，还原结束后从转底炉将最终还原产物排出，对还原产物进行水淬冷却和干燥筛分后获得含高Cr、Ni的铬镍铁合金颗粒，可供炼钢工艺直接使用。并且，得到的铬镍铁合金的粒度为3～6mm，其典型成分和含量如下：Fe 69％、Cr 18％、Ni5.7％、C 4.1％以及其它成分3.2％，其中铁、镍、铬的回收率分别为91％、94％、86％。

示例3：

将符合粒度和成分要求的不锈钢粉尘和煤粉以质量百分比计按照不锈钢粉尘为82.05％、煤粉为17.95％的配比配料并进行混匀、加热热压，控制热压温度和热压压力分别为300℃和35MPa，最终压制得到的含碳不锈钢粉尘热压块的碱度为2.87，且含碳不锈钢粉尘热压块的主要化学成分见表5。

表5示例3中含碳不锈钢粉尘热压块的主要化学成分(wt％)

得到的含碳不锈钢粉尘热压块的抗压强度达到1070N/个，落下强度达到4.3次/个。

将所得热压块装入转底炉内，热压块随着炉床的旋转转动先经过预热，然后进行还原，控制还原温度为1400℃且还原时间大约为30min，还原结束后从转底炉将最终还原产物排出后，对还原产物进行水淬冷却和干燥筛分后获得含高Cr、Ni的铬镍铁合金颗粒，可供炼钢工艺直接使用。并且，得到的铬镍铁合金的粒度为4～7mm，其典型成分和含量如下：Fe 67％、Cr 19％、Ni 6％、C 3.6％以及其它成分4.4％，其中铁、镍、铬的回收率分别为92％、95％、89％。

综上所述，本发明选用合适的煤粉并且通过调节不锈钢粉尘和煤粉的配比以及热压块制备的工艺参数，控制热压块的主要化学成分并在转底炉内以一定的温度和气氛下还原，之后通过水淬筛分即可分离得到镍铬铁合金，整个方法的工艺流程简单且未使用任何添加剂，具有流程短、生产成本低等特点。

Claims

1.一种利用不锈钢粉尘生产铬镍铁合金的方法，其特征在于，所述方法包括：

将不锈钢粉尘和煤粉破碎筛分，然后将破碎筛分后的不锈钢粉尘和煤粉按照一定比例进行配料，混匀并且将所得混合料加热、热压成热压块并且将热压块经转底炉还原，最后将还原产物进行水淬、筛分后得到铬镍铁合金和炉渣。

2.根据权利要求1所述的利用不锈钢粉尘生产铬镍铁合金的方法，其特征在于，所述将不锈钢粉尘和煤粉破碎筛分是指对不锈钢粉尘和煤粉分别进行破碎筛分，控制不锈钢粉尘和煤粉的粒度均不大于0.15mm；并且，以质量百分比计，所使用的不锈钢粉尘中的铁含量不低于30％、铬含量不低于8％、镍含量不低于1％；所使用的煤粉中的固定碳含量不低于50％、灰分含量不高于15％、挥发分含量不高于35％，并且煤粉的胶质层指数不低于8。

3.根据权利要求1所述的利用不锈钢粉尘生产铬镍铁合金的方法，其特征在于，所述将破碎筛分后的不锈钢粉尘和煤粉按照一定比例进行配料是指以质量百分比计，按照不锈钢粉尘的配比为75～85％、煤粉的配比为15～25％进行配料。

4.根据权利要求1所述的利用不锈钢粉尘生产铬镍铁合金的方法，其特征在于，所述混匀并将所得混合料加热、热压成热压块是指将破碎筛分后的不锈钢粉尘和煤粉按配比混合均匀后加热到200～250℃，再利用热压装置对所得混合料进行压制；其中，控制普通热压成型磨具压力不小于35MPa，控制工业生产所采用的热压对辊压球机线压力不小于3.0t/cm；压制得到的热压块的尺寸为(20～40)×(15～30)×(10～20)mm的椭球形颗粒，热压块的碱度为2.5～2.9，热压块的抗压强度不小于1000N/个，热压块的落下强度不小于4次/个。

5.根据权利要求1所述的利用不锈钢粉尘生产铬镍铁合金的方法，其特征在于，所述经转底炉还原是指利用转底炉设备，在温度为1400～1450℃的条件下，将所制成的热压块还原15～30分钟，还原结束后将还原产物进行水淬冷却和干燥筛分后得到铬镍铁合金和炉渣。