CN111254302A - 一种用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺。所述工艺包括如下步骤：(1)将固废硅渣进行烘干，得球状低水分原料；(2)将球状低水分原料、矽钢片和熔化剂进行混合，加热进行反应，完成后得高温硅铁液体；(3)将高温硅铁液体与精炼剂混合搅拌除杂，完成后即得高纯硅铁合金。所述工艺无高温分解还原过程，原料只需熔炼化合，故熔炼速度相对矿热炉以原石冶炼生产的方式有了极大提高，且能耗更低，得到的产品杂质少，品级高；同时，生产过程中无有毒气体的介入，更为安全可靠。

Description

一种用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺
技术领域
本发明属于冶金领域，具体涉及一种用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺。
背景技术
高纯硅铁主要用于生产钢帘线、洁净钢、无取向硅钢、取向硅钢、高密度板材以及合金钢等高端钢材。部分高纯硅铁的牌号和主要的化学成分如表1所示(依据YB/T 4460—2015)。
表1部分高纯硅铁的牌号和主要的化学成分(％)
Figure BDA0002393057460000011
而现有生产高纯硅铁合金的工艺以硅石(SiO2)、铁屑作原料，用碳作还原剂，在矿热还原炉内进行冶炼，在电弧高温(1900℃)下碳分解还原SiO2，相关反应原理为：
SiO2+2C＝Si+2CO↑；
△G9＝167400-86.40T；
还原后的Si与铁屑Fe熔合反应生成硅化铁(FeSi)，即硅铁高温液态溶体，再注入精炼台包，通入氯、氮混合气进行精炼提纯而得高纯硅铁合金。
且经过统计可知，生产每吨产品需消耗：硅石1850kg、焦炭930kg、钢屑230kg、电极糊55kg、电耗9000度、氯气20kg以及氮气15kg。
现有技术的工艺流程图如图1所示。
故可知，现有技术中存在的主要缺点是：
(1)硅石(SiO2)需高温1900℃才可分解还原，经统计单位电耗需9000度，能耗极高；
(2)因冶炼所需温度高、时间长，故产能低下；
(3)采用氯化精炼法提纯合金，每吨合金消耗20kg氯气，氯气毒性大，属有害气体生产，工艺整体安全系数低。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺。所述工艺无高温分解还原过程，原料只需熔炼化合，故熔炼速度相对矿热炉以原石冶炼生产的方式有了极大提高，且能耗更低，得到的产品杂质少，品级高；同时，生产过程中无有毒气体的介入，更为安全可靠。
本发明的方案是，提供一种用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺，包括如下步骤：
(1)将固废硅渣进行烘干，得球状低水分原料；
(2)将球状低水分原料、矽钢片和熔化剂进行混合，加热进行反应，完成后得高温硅铁液体；
(3)将高温硅铁液体与精炼剂混合搅拌除杂，完成后即得高纯硅铁合金。
本发明工艺流程图如图2所示。
优选地，步骤(1)中，所述固废硅渣为太阳能电池板切削粉(多晶硅泥)，所述太阳能电池板切削粉中硅含量≥97％wt。其中，太阳能电池板切削粉中硅的纯度很高，且杂质极少，几乎无Ti，主要成分如表2所示。又因其为泥状，含有一定量的水份，需采用压球烘干过程处理，得到球状低水份原料，从而能够改善电弧炉内冶炼的透气性。
表2固废硅渣主要成分含量(％)
Si Al Ca S Fe Na Ti
97 0.96 0.04 0.025 0.03 0.08 —
优选地，步骤(2)中，所述球状低水分原料、矽钢片和熔化剂的重量比为26～30:5～7:1。其中矽钢片选用电磁硅钢片边角料及废旧料，主要成分如表3所示。
表3矽钢片主要成分含量(％)
C Si Mn P S Al Cr Fe
0.04 0.2 0.3 0.02 0.02 0.5 0.1 其余
优选地，步骤(2)中，所述熔化剂为石灰。
优选地，所述石灰中氧化钙含量≥85％wt。
优选地，步骤(2)中，所述加热的温度为1580～1620℃。
需要强调的是，在第(2)步冶炼环节过程中，本工艺无高温分解还原过程，原料只需熔炼化合，冶炼设备可选用电弧炉。固废硅渣为太阳能电池板切削粉(即单质硅)，熔化温度1413℃，矽钢片熔点1538℃，在电弧高温1580～1620℃条件下原料被熔化，单质硅与铁发生化合反应，生成硅化铁(即硅铁)，反应原理为：
Fe+Si＝FeSi；
ΔG9＝-28500-0.64T；
且其反应是放热反应，能降低熔化温度，缩短冶炼时间。经实际生产发现，每炉熔炼20t混合料只需3个小时，单位电耗在1400度，于5000kVA精炼电弧炉中，日产量可高达70t，是矿热炉原石生产产能的6倍，大大提高了生产效率。
优选地，步骤(3)中，所述精炼剂为硅砂、石灰石、萤石和铁鳞的混合物。
优选地，步骤(3)中，所述混合搅拌的转速为55～60r/min。
需要强调的是，在第(3)步精炼提纯过程中，可选用摇包合成渣氧化精炼法，摇包偏心轴旋转半径为60mm，转速为55～60r/min，将熔炼好的高温硅铁液体注入摇包内，利用摇包摇转离心翻滚原理，加入精炼剂合成渣，充分与高温硅铁液体搅拌混合，与其中杂质C、Al、Ca等进行氧化精炼脱除，经实际生产硅铁精炼杂质脱除率达90％以上，产品指标达到GCFeSi75-C级。
基于相同的技术构思，本发明还提供一种由上述工艺制备得到的高纯硅铁合金。
本发明的有益效果为：
1、由于反应原理的差别，本发明所述工艺无高温分解还原过程，原料只需熔炼化合，故熔炼速度相对矿热炉以原石冶炼生产的方式有了极大提高，产能亦相应增加。且本生产工艺吨产品电耗1400度，矿热炉生产吨产品电耗9000度，在相同功率设备冶炼对比下，单位产能是现有技术的6倍。
2、由于本发明高温硅铁液体中Ti含量极低，无需采用氯气精炼提纯，故无有毒气体所带来的生产安全隐患；且由于原料中Ti含量低，精炼提纯后能得到高品质级产品。
3、利用工业固体废弃物和废旧材料，将废物变为资源，符合国家产业政策，利国利民。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：现有技术的工艺流程图。
图2：本发明所述的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺，包括如下步骤：
(1)取硅含量为97％的太阳能电池板切削粉，采用压球机压球成型，再于烘干机内烘干，得球状低水分原料；
(2)将球状低水分原料、矽钢片和氧化钙含量为85％wt的石灰按26:5:1的重量比混合，在电弧炉内加热至1580℃，进行反应，完成后得高温硅铁液体；
(3)将高温硅铁液体注入摇包内，摇包偏心轴旋转半径为60mm，转速为55r/min，并加入硅砂、石灰石、萤石和铁鳞的混合物所组成的精炼剂，利用摇包摇转离心翻滚原理进行充分混合搅拌除杂，完成后即得高纯硅铁合金。
实施例2
本实施例提供一种用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺，包括如下步骤：
(1)取硅含量为97.5％的太阳能电池板切削粉，采用压球机压球成型，再于烘干机内烘干，得球状低水分原料；
(2)将球状低水分原料、矽钢片和氧化钙含量为87％wt的石灰按30:7:1的重量比混合，在电弧炉内加热至1620℃，进行反应，完成后得高温硅铁液体；
(3)将高温硅铁液体注入摇包内，摇包偏心轴旋转半径为60mm，转速为60r/min，并加入硅砂、石灰石、萤石和铁鳞的混合物所组成的精炼剂，利用摇包摇转离心翻滚原理进行充分混合搅拌除杂，完成后即得高纯硅铁合金。
实施例3
本实施例提供一种用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺，包括如下步骤：
(1)取硅含量为97.8％的太阳能电池板切削粉，采用压球机压球成型，再于烘干机内烘干，得球状低水分原料；
(2)将球状低水分原料、矽钢片和氧化钙含量为88％wt的石灰按28:6:1的重量比混合，在电弧炉内加热至1600℃，进行反应，完成后得高温硅铁液体；
(3)将高温硅铁液体注入摇包内，摇包偏心轴旋转半径为60mm，转速为57r/min，并加入硅砂、石灰石、萤石和铁鳞的混合物所组成的精炼剂，利用摇包摇转离心翻滚原理进行充分混合搅拌除杂，完成后即得高纯硅铁合金。
其中，取实施例3所得高纯硅铁合金，对产品进行成分检验，结果如表4所示。
表4实施例3所得高纯硅铁合金的主要成分(％)
Si Al Ca Ti C P S
76.5 0.02 0.025 0.017 0.019 0.018 0.004
由此可知，得到的高纯硅铁合金指标达到GCFeSi75-C级，并满足使用要求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将固废硅渣进行烘干，得球状低水分原料；
(2)将球状低水分原料、矽钢片和熔化剂进行混合，加热进行反应，完成后得高温硅铁液体；
(3)将高温硅铁液体与精炼剂混合搅拌除杂，完成后即得高纯硅铁合金。
2.根据权利要求1所述用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺，其特征在于，步骤(1)中，所述固废硅渣为太阳能电池板切削粉。
3.根据权利要求2所述用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺，其特征在于，所述太阳能电池板切削粉中硅含量≥97％wt。
4.根据权利要求1所述用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述球状低水分原料、矽钢片和熔化剂的重量比为26～30:5～7:1。
5.根据权利要求1所述用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述熔化剂为石灰。
6.根据权利要求5所述用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺，其特征在于，所述石灰中氧化钙含量≥85％wt。
7.根据权利要求1所述用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述加热的温度为1580～1620℃。
8.根据权利要求1所述用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述精炼剂为硅砂、石灰石、萤石和铁鳞的混合物。
9.根据权利要求1所述用固废硅渣精炼高纯硅铁合金的工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述混合搅拌的转速为55～60r/min。
10.权利要求1～9任一所述工艺制备得到的高纯硅铁合金。
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