CN113265536B - 一种硅铁冶金副产物循环再利用的方法 - Google Patents

一种硅铁冶金副产物循环再利用的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于硅铁冶炼和固废资源化技术领域,涉及一种冶炼过程中产生的微硅粉及炉渣、烘干兰炭末的处理和综合利用的方法,是将生产过程产生的固体废弃物和低值原料经过处理用作生产原料继续生产合格硅铁的方法。此方法适用于规模化生产、简单易行、显著降低成本、减少环境污染、节约资源和能源。

Description

一种硅铁冶金副产物循环再利用的方法
技术领域
本发明涉及硅铁冶炼和固废资源化技术领域,具体涉及一种硅铁冶炼固废及低值原料回炉综合利用的方法。
背景技术
硅铁就是铁和硅组成的铁合金,广泛应用于低合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、耐热钢及电工硅钢之中,硅铁在铁合金生产及化学工业中,是最常用的还原剂。硅铁冶炼是以炭质还原剂、铁制品和硅石为原料,在开口式或半封闭式的还原炉内采用连续作业法进行冶炼而成。其中在生产一基准吨硅铁时电耗大约在7800-8800度,原材料2.9吨左右,耗电和材料成本占总成本的90%左右,因此电耗的波动及原材料的消耗对于硅铁成本的影响巨大。
硅铁冶炼工艺属于“无渣冶炼”类型,但是冶炼过程中原材料必然会带入氧化铝、氧化钙、氧化镁等杂质,所以在冶炼过程中大约会产生4%左右的冶金硅渣。冶金硅渣是硅铁和杂质的混合物,其主要成分是冶炼产品硅铁,其次是少量的二氧化硅、氧化铝、氧化钙或被还原的单质钙。现处理硅渣方式为人工破碎、筛选后将分离出硅铁外售,剩余的渣填满或堆放。这样的处理方式不仅劳动强度大、效率低还会造成大量纯度不高的硅铁被丢弃,造成资源的浪费和潜在的环境污染。
微硅粉也叫硅灰或称凝聚硅灰,是冶炼硅铁和工业硅(金属硅)时,矿热电炉内产生出大量挥发性很强的SiO气体,气体排放后与空气迅速氧化冷凝沉淀而成。它是大工业冶炼中的副产物,产量占硅铁产品产量的比率为10-20%,,主要成分为SiO2,占总成份的80%以上,整个过程需要用除尘环保设备进行回收,因为密度较小,还需要用加密设备进行加密,微硅粉的处理利用是行业难题。
冶金兰炭末来自于原材料兰炭烘干过程中筛分产生的粉末,该部分粉末因影响料面透气性,未入炉参与冶炼,目前主要以折价销售的方式进行处理,经济效用极低。
近年来通过对硅铁冶炼原理的研究、冶炼过程的开发以及对工业固废潜在价值的深入认识,人们逐渐发现部分冶金硅渣及微硅粉能够回炉冶炼,实现资源的再利用。
中国发明专利CN107675067B公开了一种硅铁冶炼方法,将矿热炉的治炼区域分为中心区域和围绕于该中心区域外侧的环形边缘区域,所述矿热炉内所有区域的硅石与兰炭的总质量比为2.4:1-3:1;所述中心区域添加的硅石与兰炭的质量比为5:1-3:1;所述环形边缘区域添加的硅石与兰炭的质量比为1.5:1-2.5:1,相比于传统的硅铁治炼工艺,该发明的硅铁冶炼方法,能够使用品质较差的硅石进行生产,并且其产品质量和效率得以提高,但是并未对硅铁冶炼过程中产生的固废及原料处理的低质原料兰炭末进行循环再利用,能耗和成本有待进一步改善。
中国发明专利CN103602846B公开了一种利用微硅粉生产硅铁合金的方法,属于硅铁合金及工业硅技术领域。首先向微硅粉和小颗粒硅石中加入粘结剂和水混合均匀后,压制成球团;然后在还原气氛下,将上述步骤得到的球团干燥,将干燥后的球团和碳质还原剂装入冶金炉中,球团和碳质还原剂在从治金炉炉口到达高温区域的下降过程中完成预赔烧,然后球团和碳质还原剂在冶金炉高温区域温度冶炼,在治炼过程中添加钢屑、轧钢铁皮和铁精矿球团含铁原料得到硅铁合金熔体;将上述步骤得到的硅铁合金熔体经炉外精炼后即能生产得到硅铁合金。该方法为铁合金行业生产过程中废弃的微硅粉和小颗粒硅石提供了有效的利用途径,但是对硅铁冶炼副产物的利用有待进一步提高。
中国发明专利申请CN108754143A公开了一种利用冶金硅渣生产硅铁合金的方法,将矿热炉的治炼区域分为炉心区和围绕炉心区外侧的环形边缘区,将冶金硅渣与冶炼炉料混合均匀后作为炉心料,治炼,扒除炉渣,浇注,精整去渣后即得硅铁合金;冶金硅渣中Si的含量大于30.0wt%,P、A1和Ca的含量分别小于0.02wt%、7.0wt%和7.0wt%,且冶金硅渣的加入量占炉心料和环形边缘料的总量小于18wt%。该发明的方法可采用冶金硅渣直接作为原料,实现了资源的再利用;但是对于冶炼硅铁和工业硅(金属硅)中产生的微硅粉,以及来自于原材料兰炭烘干过程中筛分产生的粉末因影响料面透气性而弃用的低质兰炭末的循环利用目前尚未有报道,如何能合理的利用这些材料,使在降低成本减低能耗的基础上,还能保证硅铁冶炼的质量,是行业内亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于硅铁冶炼行业以及固废资源化的发展和趋势,针对现有技术的不足,本发明提供一种工业固体废弃物再利用生产高品质冶金产品的技术,适用于规模化生产,且显著降低成本、减少环境污染、节约资源和能源。
本发明的一个目的是提供一种硅铁冶金副产物循环再利用的方法,将矿热炉的冶炼区域分为炉心区和围绕所述炉心区外侧的环形边缘区,将硅渣、微硅粉和烘干兰炭末混合,制成压块,将压块与冶炼炉料1混合均匀作为炉心料,将冶炼炉料2作为环形边缘料,冶炼硅铁合金。
优选地,所述冶炼炉料1和所述冶炼炉料2的原料分别包括硅石、炭质还原剂和铁料。
优选地,所述烘干兰炭末为原材料兰炭烘干过程中筛分产生的粉末。
优选地,所述压块的加入量是炉心料总质量的10-20%;
优选地,所述粘结剂为硅酸钠和聚磷酸铝的混合物,所述粘结剂的质量的压块质量的0.2-2%;
优选地,所述硅酸钠与聚磷酸铝的质量比为1:1。
优选地,所述硅渣、微硅粉与烘干兰炭末的质量比为2-8:1:1。
优选地,所述炉心料与所述环形边缘料的质量比为1:(1-2),且所述炉心料中压块的加入量小于55wt%。
优选地,所述冶炼炉料1中硅石、炭质还原剂与铁料的质量比为2-3:1:0.3-0.5。
优选地,所述冶炼炉料2中硅石、炭质还原剂与铁料的质量比为(1-2):1:0.1-0.3。
优选地,所述硅渣中硅含量高于30.0wt%、磷含量低于0.02wt%、铝含量低于7.0wt%、钙含量低于7.0wt%;
优选地,所述硅渣的粒径在5-20cm;
优选地,所述微硅粉中二氧化硅含量高于80.0wt%、磷含量低于0.02wt%;
优选地,所述烘干兰炭末中固定碳含量大于80%。
与常规冶炼相比,本发明具有如下有益效果:
1.本发明中采用硅铁冶炼产生的固体废弃物(硅渣、微硅粉)及原材料处理产生的原料(烘干兰炭末)直接作为硅铁生产的原材料实现了资源再利用,减少固废堆积占地及环境污染,具有显著环保意义;
2.硅铁冶炼产生的固体废弃物(硅渣、微硅粉)及原材料处理产生的低值原料(烘干兰炭末)直接作为硅铁生产的原材料冶炼硅铁,大幅度降低了冶炼电耗,实现生产节能降耗;
3.本发明对生产工艺改变较小,实施方便,不会对现有生产工艺和生产习惯产生较大冲击。
4.本发明在实现固体废弃物(硅渣、微硅粉)及原材料处理产生的原料烘干兰炭末资源再利用的同时,发现硅渣、微硅粉和烘干兰炭末用于硅铁生产的最佳配比,以及与其他冶炼炉料的有机组合,实现硅铁质量的不下降甚至提高。
5.本发明研究确定了资源再利用中加入硅渣、微硅粉和烘干兰炭末的最低质量要求,在研究中发现在本申请限定的各原料最低限以下,硅铁质量难以保证;在此最低限以上均可以达到较高品质的硅铁。
具体实施方式
下面结合实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
以下实施例中炭质还原剂为兰炭。
实施例1
样品前处理:
使用破碎机将硅渣样品破碎并筛分至5cm,储存备用。
样品化验:
将处理完的样品取样化验,检测样品中各元素成分的含量,见表1。
配料压块及冶炼方法:
(1)将硅渣、微硅粉、兰炭粉末、粘结剂经过配料混料压块,粘结剂如表2所示,按下表3所示配料入炉;按冶炼硅铁要求的工艺条件进行冶炼作业,冶炼温度为2000℃。
(2)矿热炉有一台变压器给电极提供电能,三相交流电通过三根电极,形成三相电弧产生高温热量以及炉料和电极的本身阻抗发热来对炉料进行融化,融化的炉料以碳作为还原剂在炉体内进行氧化还原反应,硅铁水通过炉眼流到铁水包(硅铁熔包)内,将硅铁水浇注冷却后进入成品加工车间得到需要的75#硅铁产品。
表1所用原料各元素检测结果表
表2粘结剂用量
表3硅铁冶炼原料配比
(3)使用性能跟踪:
生产的硅铁合金产品成分为Si含量75.5wt.%,Al含量0.15wt.%,Ca含量0.02wt.%,Mn含量0.08wt.%,Cr含量0.1wt.%。
硅铁电耗:7973千瓦时/日;
单炉日产量:43.02吨/日。
冶炼炉况:电极下插平稳,炉况稳定。
实施例2
样品前处理:
使用破碎机将硅渣样品破碎并筛分至20cm,储存备用。
样品化验:
将处理完的样品取样化验,检测样品中各元素成分的含量,见表4.
配料压块及冶炼方法:
(1)将硅渣、微硅粉、兰炭粉末、粘结剂经过配料混料压块,粘结剂如表5所示,按下表6所示配料入炉;按冶炼硅铁要求的工艺条件进行冶炼作业,冶炼温度为2000℃。
(2)矿热炉有一台变压器给电极提供电能,三相交流电通过三根电极,形成三相电弧产生高温热量以及炉料和电极的本身阻抗发热来对炉料进行融化,融化的炉料以碳作为还原剂在炉体内进行氧化还原反应,硅铁水通过炉眼流到铁水包(硅铁熔包)内,将硅铁水浇注冷却后进入成品加工车间得到需要的75#硅铁产品。
表4所用符合要求的原料成分
表5粘结剂用量
表6硅铁冶炼原料配比
(3)使用性能跟踪:
最终生产的硅铁合金产品成分为Si含量75.8%,Al含量0.18wt.%,Ca含量0.02wt.%,Mn含量0.01wt.%,Cr含量0.1wt.%。
硅铁电耗:8052千瓦时/日
单炉日产量:41.50吨/日。
冶炼炉况:电极下插平稳,炉况稳定。
实施例3
样品前处理:
使用破碎机将硅渣样品破碎并筛分至5cm,储存备用。
样品化验:
将处理完的样品取样化验,检测样品中各元素成分的含量,见表7.
配料压块及冶炼方法:
(1)将硅渣、微硅粉、兰炭粉末、粘结剂经过配料混料压块,粘结剂如表8所示,按下表9所示配料入炉;按冶炼硅铁要求的工艺条件进行冶炼作业,冶炼温度为2000℃。
(2)矿热炉有一台变压器给电极提供电能,三相交流电通过三根电极,形成三相电弧产生高温热量以及炉料和电极的本身阻抗发热来对炉料进行融化,融化的炉料以碳作为还原剂在炉体内进行氧化还原反应,硅铁水通过炉眼流到铁水包(硅铁熔包)内,将硅铁水浇注冷却后进入成品加工车间得到需要的75#硅铁产品。
表7所用符合要求的原料成分
表8粘结剂用量
表9硅铁冶炼原料配比
(4)使用性能跟踪:
最终硅铁合金产品成分为Si含量76.0%,Al含量0.01wt.%,Ca含量0.03wt.%,Mn含量0.1wt.%,Cr含量0.08wt.%。
硅铁电耗:8072千瓦时/日
单炉日产量:39.85吨/日。
冶炼炉况:电极下插平稳,炉况稳定.
实施例4
将实施例1中的硅渣、微硅粉和烘干兰炭末去掉,其余原料如下表10,其余生产工艺等均与实施例1同。
表10硅铁冶炼原料配比
(5)使用性能跟踪:
生产的硅铁合金产品成分为Si含量76.5wt.%,Al含量0.1wt.%,Ca含量0.01wt.%,Mn含量0.08wt.%,Cr含量0.1wt.%。
硅铁电耗:8092千瓦时/日;
单炉日产量:41.0吨/日;
冶炼炉况:电极下插平,炉况稳定。
实施例1-1
本实施例与实施例1的区别是将压块的加入量调整为炉心料总质量的25%;将微硅粉的加入量调整为炉心料和环形边缘料的总质量的15%,烘干兰炭末是炉心料和环形边缘料的总质量的1%;其余与实施例1保持不变。
使用性能跟踪:
生产硅铁合金产品成分为Si含量75%,Al含量0.03wt.%,Ca含量0.08wt.%,Mn含量0.05wt.%,Cr含量0.06wt.%。
硅铁电耗:8920千瓦时/日;
单炉日产量:36.02吨/日。
冶炼炉况:电极下插平稳,炉况稳定。
实施例1-2
本实施例与实施例1的区别是将压块中硅石、炭质还原剂和铁料的质量比调整为1:1:3,其余与实施例1保持一致,结果如下:
使用性能跟踪:
随机挑选一批进行测定,硅铁合金产品成分为Si含量56%,Al含量0.03wt.%,Ca含量0.03wt.%,Mn含量0.08wt.%,Cr含量0.07wt.%。
吨硅铁电耗:8540度千瓦时/日
单炉日产量:38.02吨/日。
冶炼炉况:电极下插平稳,炉况不稳定。
实施例1-3
本实施例与实施例1的区别是将压块中硅石、炭质还原剂和铁料的质量比调整为9:0.5:1,其余与实施例1保持一致,结果如下:
使用性能跟踪:
硅铁合金产品成分为Si含量76%,Al含量0.025wt.%,Ca含量0.08wt.%,Mn含量0.07wt.%,Cr含量0.1wt.%。
吨硅铁电耗:8600千瓦时/日
单炉日产量:36.09吨/日。
冶炼炉况:电极下插平稳,炉况不稳定。
以上所述者,仅为本发明的实施例而已,当不能以此限定本发明实施的范围,即凡是依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰,皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种硅铁冶金副产物循环再利用的方法,其特征在于,将矿热炉的冶炼区域分为炉心区和围绕所述炉心区外侧的环形边缘区,将硅渣、微硅粉和烘干兰炭末混合,加入粘结剂再混合制成压块,将压块与冶炼炉料1混合均匀作为炉心料,将冶炼炉料2作为环形边缘料,冶炼硅铁合金;所述压块的加入量是炉心料总质量的10-20%;所述硅渣、微硅粉与烘干兰炭末的质量比为2-8:1:1;
所述冶炼炉料1和所述冶炼炉料2的原料分别包括硅石、炭质还原剂和铁料,所述烘干兰炭末为原材料兰炭烘干过程中筛分产生的粉末。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述粘结剂为硅酸钠和聚磷酸铝的混合物,所述粘结剂的质量的压块质量的0.2-2%。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述硅酸钠与聚磷酸铝的质量比为1:1。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述炉心料与所述环形边缘料的质量比为1:(1-2)。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述冶炼炉料1中硅石、炭质还原剂与铁料的质量比为2-3:1:0.3-0.5。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述冶炼炉料2中硅石、炭质还原剂与铁料的质量比为1-2:1:0.1-0.3。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述硅渣中硅含量高于30.0wt%、磷含量低于0.02wt%、铝含量低于7.0wt%、钙含量低于7.0wt%。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述硅渣的粒径在5-20cm。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述微硅粉中二氧化硅含量高于80.0wt%、磷含量低于0.02wt%。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述烘干兰炭末中固定碳含量大于80%。
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