CN110656273A - 一种碳还原制备钨铁合金的方法 - Google Patents

Abstract

一种碳还原制备钨铁合金的方法，涉及冶金技术领域，包括以碳质还原剂和含钨废料处理得到的氧化钨为主要原料，再配入一定比例的还原铁粉，经过混料、造粒、烘干后，在推板窑中通过高温碳还原烧结后得到钨铁合金球；然后再将钨铁合金球和一定量的废钢屑加入到中频炉中，经过熔炼净化得到钨铁合金。本发明采用推板窑技术碳热还原的方法生产钨铁，反应发生在高温区，碳质还原剂和氧化钨发生固‑固反应生成钨铁合金，且经过中频炉熔炼净化，在高温电磁搅拌作用下，合金中的少量杂质上浮于合金表面，主要成分钨和铁在电磁搅拌作用下混合更加均匀，生产出的合金成分均匀无偏析；在生产过程中无废渣生成，原料中的W全部进入产品，产品中W的收率接近100%。

Description

一种碳还原制备钨铁合金的方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种碳还原制备钨铁合金的方法。

背景技术

钨是生产各种合金钢的重要合金元素,其产量的80%用于冶炼各种合金工具钢、合金结构钢和其它牌号的合金,在机械工业、国防工业以及其它高科技领域中得到广泛的应用。钨在钢和其它合金中的主要作用是:在不降低材料塑性的情况下,提高材料的硬度和耐磨性。

含钨70-80%的钨铁的熔化温度达2700~3000℃，用电炉法冶炼钨铁时,合金在炉内呈半熔的黏稠状态,无法从炉内流出。因此,生产钨铁一般采用“积块法”、“取铁法”以及“炉外法”。

积块法生产钨铁是把钨精矿和作为还原剂的沥青焦、硅铁,以及作为造渣剂的萤石、镁砂加入到碳或镁质衬的单相或三相电炉内,进行还原而制得,为方便地取出合金块,采用可拆开的炉壳,并且炉体能从电极下面拉出来。这种方法的工艺较为陈旧,产品含碳高,渣铁分离不理想,精整时较为困难,质量差,目前很少采用；取铁法采用沥青焦和硅铁作为原剂、以间断式的操作方法在三相矿热炉内,进行熔炼,熔炼好的半熔态钨铁,用铸铁勺子并借助挖铁机从炉内挖出，此法生产工艺复杂,生产工艺要求连续性强,没有数月的原料和辅助材料贮备,不能组织开炉生产,生产适应性太差；炉外法是以铝粉或铝粉和硅铁粉作还原剂还原钨精矿的,为了补充热量,炉料中常加入适量铁鳞或预热炉料。炉外法生产的钨铁成分不均匀，偏析严重，成品率不高，这种生产工艺已逐渐被淘汰。

综上所述几种传统的钨铁工艺制备方法生产出的钨铁合金偏析大，产品中杂质含量高且成分不均匀,且生产过程劳动强度大、生产效率低、耗能高、污染严重、在实际生产中受到很大的限制。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供如下技术方案：

一种碳还原制备钨铁合金的方法，其特征在于：首先以碳质还原剂和含钨废料处理得到的氧化钨为主要原料，再配入一定比例的还原铁粉，经过混料、造粒、烘干后，在推板窑中通过高温碳还原烧结后得到钨铁合金球；然后再将钨铁合金球和一定量的废钢屑加入到中频炉中，经过熔炼净化得到钨铁合金。

优选的，所述原料中的氧化钨、碳质还原剂和还原铁粉以下列质量百分比进行混料，且混料时间不少于20分钟：

WO₃：83~89%；

碳质还原剂：5~8%；

还原铁粉：6~9% 。

优选的，所述混料过程中配碳系数为理论需碳量的1.0~1.5。

优选的，所述碳质还原剂包括石墨、炭黑、活性炭和增碳剂中的一种或几种。

优选的，所述原料氧化钨中含WO3≥75%、Si≤1.7%、S≤0.10%、Cu≤0.15%、C≤0.5%、粒度：80目以下大于95%；碳质还原剂中含C量≥98%、S≤0.10%、灰分≤0.5%、挥发分≤1.5%、粒度：200目以下大于95%；还原铁粉中Fe≥90%、P≤0.12%、S≤0.25%、C≤0.5%、粒度：60~80目大于95%；所述废钢屑中P≤0.12% 、S≤0.25% 、C≤0.5%、Mn≤1.0%、废钢屑长度小于50mm。

优选的，所述加入中频炉中的钨铁合金球和废钢屑的比例为1:0.2~0.3，所述中频炉中熔炼温度控制在1600~1700℃，保温20~40分钟。

优选的，所述造粒是采用造粒机制球，料球直径控制在20~40mm,料球的水分控制在16~24%；所述烘干是在电阻炉中，100~200℃下烘干2~4小时。

优选的，所述还原烧结是将烘干的料球装入石墨坩埚中，并将石墨坩埚送入推板窑，在氮气保护下进行碳热还原反应，窑内压力高出标准大气压10~100Pa。

优选的，所述推板窑内温度区域由预热升温区、还原烧结区、降温冷却区组成，还原烧结区属于推板窑高温区域，温度控制在1200~1300℃，保温18~24小时。

优选的，中频炉熔炼净化过程需用取铁机将熔融态合金液表面的熔渣清除干净，再将粘稠状的钨铁合金挖出放入旁边的水槽中急冷，冷却后精整破碎得到钨铁合金。

本发明采用上述技术方案，其有益效果在于：本发明采用两步法生产钨铁合金，第一步采用推板窑碳热还原法生产钨铁合金球，第二步再用中频炉熔炼净化除杂，与现有的钨铁生产技术相比，本发明采用推板窑技术碳热还原的方法生产钨铁，反应发生在高温区，碳质还原剂和氧化钨发生固-固反应生成金属钨，金属钨和铁再合金化生成钨铁合金，由于是固-固反应，没有偏析产生。而传统的金属热法生产钨铁，由于钨和铁的比重相差较大，合金化过程中比重大的钨下沉，比重小的铁上浮，造成偏析现象。第二步经过中频炉熔炼净化的过程，在中频炉高温电磁搅拌作用下，合金中的少量杂质上浮于合金表面，主要成分钨和铁在电磁搅拌作用下混合更加均匀，生产出的合金成分均匀无偏析，杂质含量低，产品收率接近100%。

其次，本发明采用含钨废料处理得到碳化钨，经过氧化焙烧得到氧化钨，再经碳热还原得到钨铁合金。在生产过程中没有废渣生成，原料中的W全部进入产品中，产品中W的收率接近100%。而采用传统的方法生产钨铁，会产生大量的废渣，在渣铁分离过程中一部分有价元素W留在废渣中，造成产品收率的降低，收率一般在95%左右。

再者，本发明工艺流程简单，采用碳质还原剂结合自动控制系统双通道推板窑装置实现了连续生产提高了生产效率，降低了生产成本，大大节省了人力物力；且在生产过程没有大量粉尘、烟尘产生，减少了对环境的污染，属于绿色清洁生产技术。

具体实施方式

本发明提供一种碳还原制备钨铁合金的方法，按照以下步骤进行：

混料：将含钨废料处理得到碳化钨采用（HZ1250-450型）回转窑氧化焙烧得到氧化钨，焙烧温度 750-850℃，每小时加料100kg,焙烧后的料取样分析C,如果C≤0.5%，合格投产使用，如果C含量大于0.5%，重新焙烧。将得到的氧化钨、碳质还原剂和还原铁粉按照质量百分比为83~89%、5~8%、6~9%的比例进行混料，且混料时间不少于20分钟。混料过程中需要提到一个概念即碳配系数，碳配系数是指通常情况下在碳还原生产钨铁过程中，碳质还原剂的实际配入量与理论配入量的比值，由于混料过程中加入的碳质还原剂在一定程度上是含有杂质的，如果按照理论计算量加入碳质还原剂，往往使得还原反应不能充分，所以本领域技术人员习惯上用碳配系数来作为参照标准进行碳质还原剂的添加，本发明混料过程中配碳系数为理论需碳量的1.0~1.5。

造粒：将混好的物料加入造粒机中，开机并缓慢间歇性向物料表面喷水，喷水的目的在于使得物料能更好的形成球状颗粒，待料球直径增加至20~40mm后，停止加水，料球的水分控制在16~24%，造粒机再转动3~5分钟下料，造粒设备可以是圆盘造粒机、滚动造粒机、搅拌造粒机、压缩造粒机的任意一种。

烘干、烧结：将粒球放入电阻炉中，100~200℃下烘干2~4小时除去水分，将烘干的料球装入石墨坩埚中，并将石墨坩埚送入推板窑，推板窑生产采用的是正压力，也就是说大于大气压力，本发明设定窑内压力高出标准大气压10~100Pa，在氮气保护下进行碳热还原反应，窑内充的主要是氮气，钨和氮的亲和力较小，所以基本不反应。在推板窑高温区碳质还原剂将三氧化钨还原为金属钨，金属钨和还原铁粉合金化生成钨铁，由于是固-固反应，没有金属钨和铁的偏析分层现象,推板窑反应过程中只有少量的反应气体产生，通过简单处理即可，过程简单绿色环保。

熔炼净化：将碳还原生产出的钨合金球和废钢屑按1:(0.2~0.3)比例加入中频炉中，开启加热电源加热，控制温度在1600~1700℃，保温20~40分钟。保温结束后，用取铁机将表面熔渣清除干净，再将粘稠状的钨铁合金挖出放入旁边的水槽中急冷，冷却后精整破碎得到钨铁合金。

采用中频炉熔炼，中频炉具有电磁搅拌作用，保证合金成分均匀无偏析，有利于渣铁分离。用中频炉熔炼时添加废钢屑为助溶剂，因为钨铁合金熔点比较高，不易熔化，添加废钢屑后钢的熔点低于钨铁的熔点，钢屑先熔化，熔化后再和钨铁合金化，钨铁就容易熔化，有效将合金中杂质分离，达到净化合金的目的。

下面结合实施例，进一步说明

实施例1：

将1000kgWO3、74kg石墨粉、84kg还原铁粉加入混料机，开机混料22分钟，将混好的物料加入滚动造粒机中，开机并缓慢间歇性向物料表面喷水，待料球直径增加至20~40mm后，停止加水，造粒机再转动3~5分钟下料，整个造粒过程加水量为245kg。将造好粒的料球放入电阻炉中，110℃下烘干4小时。将烘干的料球装入石墨坩埚中，并将石墨坩埚送入推板窑，在氮气保护下进行碳热还原反应，窑内压力高出标准大气压10~100Pa，推板窑高温区域控制在1220℃，保温20小时，经过降温冷却得到钨铁合金球837kg。然后将钨铁合金球和230kg废钢屑加入中频炉，开启加热电源加热，控制温度在1620℃，保温25分钟后关闭电源， 用取铁机将表面熔渣清除干净，再将粘稠状的钨铁合金挖出放入旁边的水槽中急冷，冷却后精整破碎得到钨铁合金1062kg。产品分析结果：W：70.58%、C:0.24%、S:0.038%、Si0.58%、P:0.022%、Cu:0.045%、Mn：0.063%、As:0.010%、Bi：0.014%、Sb:0.011%、Sn:0.011%。

实施例2：

将2000kgWO3、150kg炭黑、168kg还原铁粉加入混料机，开机混料25分钟，将混好的物料加入滚动造粒机中，开机并缓慢间歇性向物料表面喷水，待料球直径增加至20~40mm后，停止加水，造粒机再转动3~5分钟下料，整个造粒过程加水量为440kg。将造好粒的料球放入电阻炉中，130℃下烘干3.5小时。将烘干的料球装入石墨坩埚中，并将石墨坩埚送入推板窑，在氮气保护下进行碳热还原反应，窑内压力高出标准大气压10~100Pa，推板窑高温区域控制在1280℃，保温19小时，经过降温冷却得到钨铁合金球1709kg。然后将钨铁合金球和450kg废钢屑加入中频炉，开启加热电源加热，控制温度在1670℃，保温35分钟后关闭电源，用取铁机将表面熔渣清除干净，再将粘稠状的钨铁合金挖出放入旁边的水槽中急冷，冷却后精整破碎得到钨铁合金2145kg。产品分析结果：W：71.23%、C:0.27%、S:0.030%、Si0.67%、P:0.020%、Cu:0.056%、Mn：0.10%、As:0.012%、Bi：0.015%、Sb:0.010%、Sn:0.013%。

实施例3：

将1700kgWO3、125kg活性炭、142kg还原铁粉加入混料机，开机混料25分钟，将混好的物料加入滚动造粒机中，开机并缓慢间歇性向物料表面喷水，待料球直径增加至20~40mm后，停止加水，造粒机再转动3~5分钟下料，整个造粒过程加水量为405kg。将造好粒的料球放入电阻炉中，150℃下烘干3小时。将烘干的料球装入石墨坩埚中，并将石墨坩埚送入推板窑，在氮气保护下进行碳热还原反应，窑内压力高出标准大气压10~100Pa，推板窑高温区域控制在1250℃，保温18.5小时，然后经过降温冷却得到钨铁合金球1417kg。然后将钨铁合金球和377kg废钢屑加入中频炉，开启加热电源加热，控制温度在1680℃，保温32分钟后关闭电源， 将合金倒入预先准备好的钢包中，自然冷却后得到钨铁合金1790kg。产品分析结果：W：70.86%、C:0.20%、S:0.031%、Si0.33%、P:0.010%、Cu:0.037%、Mn：0.088%、As:0.011%、Bi：0.016%、Sb:0.014%、Sn:0.012%。

实施例4：

将1480kgWO3、104kg增碳剂、118kg还原铁粉加入混料机，开机混料25分钟，将混好的物料加入滚动造粒机中，开机并缓慢间歇性向物料表面喷水，待料球直径增加至20~40mm后，停止加水，造粒机再转动3~5分钟下料，整个造粒过程加水量为330kg。将造好粒的料球放入电阻炉中，180℃下烘干2.5小时。将烘干的料球装入石墨坩埚中，并将石墨坩埚送入推板窑，在氮气保护下进行碳热还原反应，窑内压力高出标准大气压10~100Pa，推板窑高温区域控制在1240℃，保温18小时，经过降温冷却得到钨铁合金球1180kg。然后将钨铁合金球和334kg废钢屑加入中频炉，开启加热电源加热，控制温度在1650℃，保温30分钟后关闭电源，用取铁机将表面熔渣清除干净，再将粘稠状的钨铁合金挖出放入旁边的水槽中急冷，冷却后精整破碎得到钨铁合金1508kg。产品分析结果：W：70.12%、C:0.35%、S:0.021%、Si0.44%、P:0.016%、Cu:0.037%、Mn：0.081%、As:0.012%、Bi：0.012%、Sb:0.010%、Sn:0.013%。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种碳还原制备钨铁合金的方法，其特征在于：首先以碳质还原剂和含钨废料处理得到的氧化钨为主要原料，再配入一定比例的还原铁粉，经过混料、造粒、烘干后，在推板窑中通过高温碳还原烧结后得到钨铁合金球；然后再将钨铁合金球和一定量的废钢屑加入到中频炉中，经过熔炼净化得到钨铁合金。

2.如权利要求1所述的一种碳还原制备钨铁合金的方法，其特征在于：所述原中的氧化钨、碳质还原剂和还原铁粉以下列质量百分比进行混料，且混料时间不少于20分钟：

WO₃：83~89%；

碳质还原剂：5~8%；

还原铁粉：6~9% 。

3.如权利要求2所述的一种碳还原制备钨铁合金的方法，其特征在于：所述混料过程中配碳系数为理论需碳量的1.0~1.5。

4.如权利要求1所述的一种碳还原制备钨铁合金的方法，其特征在于：所述碳质还原剂包括石墨、炭黑、活性炭和增碳剂中的一种或几种。

5.如权利要求1所述的一种碳还原制备钨铁合金的方法，其特征在于：所述原料氧化钨中含WO₃≥75%、Si≤1.7%、S≤0.10%、Cu≤0.15%、C≤0.5% 、粒度：80目以下大于95%；碳质还原剂中含C量≥98%、S≤0.10%、灰分≤0.5%、挥发分≤1.5%、粒度：200目以下大于95%；还原铁粉中Fe≥90%、P≤0.12%、S≤0.25%、C≤0.5%、粒度：60-80目大于95%；所述废钢屑中P≤0.12% 、S≤0.25% 、C≤0.5%、Mn≤1.0%、钢屑长度小于50mm。

6.如权利要求1所述的一种碳还原制备钨铁合金的方法，其特征在于：所述加入中频炉中的钨铁合金球和废钢屑的比例为1:0.2~0.3，所述中频炉中熔炼温度控制在1600~1700℃，保温20~40分钟。

7.如权利要求1所述的一种碳还原制备钨铁合金的方法，其特征在于：所述造粒是采用造粒机制球，料球直径控制在20~40mm,料球的水分控制在16~24%；所述烘干是在电阻炉中，100~200℃下烘干2~4小时。

8.如权利要求1所述的一种碳还原制备钨铁合金的方法，其特征在于：所述还原烧结是将烘干的料球装入石墨坩埚中，并将石墨坩埚送入推板窑，在氮气保护下进行碳热还原反应，窑内压力高出标准大气压10~100Pa。

9.如权利要求1所述的一种碳还原制备钨铁合金的方法，其特征在于：所述推板窑内温度区域由预热升温区、还原烧结区、降温冷却区组成，还原烧结区属于推板窑高温区域，温度控制在1200~1300℃，保温18~24小时。

10.如权利要求1所述的一种碳还原制备钨铁合金的方法，其特征在于：中频炉熔炼净化过程需用取铁机将熔融态合金液表面的熔渣清除干净，再将粘稠状的钨铁合金挖出放入旁边的水槽中急冷，冷却后精整破碎得到钨铁合金。