CN113832499B - 一种应用电能的两步炼钢法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用电能的两步炼钢法，包括如下步骤：第一步：采用感应炉生产含氧化亚铁的熔融态物质：将铁矿粉、废钢和/或废铁、及造渣剂干燥后，置于一个底吹氮气/氩气的感应炉内，加热至1400‑1600℃，物料熔化后发生反应，得到含氧化亚铁的熔融物质；第二步：熔融氧化物电解生产钢水：感应炉扒渣后，将感应炉中的含氧化亚铁的熔融物质转入熔融氧化物电解反应器的电解槽中，电解质为熔融氧化物；在1540‑2000℃下进行电解并发生反应，得到钢水。本发明先将铁矿粉和废钢(或废铁)在感应炉中加热熔融，使三价铁和零价铁发生归中反应得到含二价铁的熔融态物质，提高第二步的电解效率。此外，经扒渣后可除去部分杂质，有利于得的高品质钢产品。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种应用电能的两步炼钢法。
背景技术
目前钢铁产品仍然主要依赖高炉转炉长流程进行生产，即包括：采矿→选矿→烧结、球团→高炉炼铁→转炉炼钢→连铸铸坯→热轧钢材→冷轧钢材等流程，其中炼铁炼钢的工艺还需使用焦炭作为还原剂、燃料和高炉骨架，而焦炭资源逐渐枯竭且生产过程对环境污染严重。长流程不仅其生产成本高，且碳排放量大。
为达到减污降碳的目的，科学家提出了一种环境更友好的熔融氧化物电解工艺(molten oxide electrolysis)生产铁。该项目是美国钢铁协会和美国能源部共同资助的“技术路标项目”(TAP)的子项目。与其它金属生产技术有明显不同的熔融氧化物电解工艺生产的是完全不含碳的铁，因此不会产生二氧化碳，仅产生氧。在熔融氧化物电解工艺中，电流通入液态氧化铁中，使其分解成铁单质和氧。因此，氧气是该工艺的主要副产品。实验室规模的成功虽然预示着炼钢新工艺取得了重大进展，但该技术仍然存在如下技术问题：
(1)该技术直接向熔融氧化物电解反应器中加入固态铁矿石，其需要首先熔化成熔融状态才能进行电解，因此影响了生产效率。(2)熔融的铁矿石中同时含有大量的三价铁和二价铁离子，对三价铁离子直接进行跨价态电解，效率较低。(3)钢液中杂质多，电解还原铁效率很低，且难以调控钢液中元素成分的含量并生产高品质钢产品。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种应用电能的两步炼钢法，其解决了现有高炉转炉长流程工艺及现有熔融氧化物电解工艺存在的技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明提供一种应用电能的两步炼钢法，其包括如下两个步骤：
第一步：采用感应炉生产含氧化亚铁的熔融态物质：
将铁矿粉、废钢和/或废铁、及造渣剂干燥后，置于一个底吹氮气/氩气的感应炉内，加热至1400-1600℃，物料熔化后发生如下反应，得到含氧化亚铁的熔融物质；
Fe2O3+Fe＝3FeO
Fe2O3＝Fe3O4+O2
Fe3O4+Fe＝4FeO
2Fe+O2＝2FeO
第二步：熔融氧化物电解生产钢水：
感应炉扒渣后，在保护气氛下，将感应炉中的含氧化亚铁的熔融物质转入熔融氧化物电解反应器的电解槽中，电解质为熔融氧化物；在 1540-2000℃下进行电解并发生如下反应，得到钢水：
2FeO+4e-＝2Fe+2O2-，2O2-＝O2+4e-。
根据本发明的较佳实施例，第一步中，铁矿粉粒径小于2mm，全铁含量在30-70wt％。铁矿粉为赤铁矿粉或磁铁矿粉。
根据本发明的较佳实施例，第一步中，铁矿粉加入量为铁矿粉与废钢和/或废铁总质量的10-50％。
根据本发明的较佳实施例，第一步中，造渣剂可为石灰石、白云石、铁矾土、铝矾土等，优选地，造渣剂为石灰石、白云石和铁矾土。其用量根据原料成分确定，控制炉渣碱度在2.0-5.0之间。
根据本发明的较佳实施例，第二步中，所述熔融氧化物为CaO、SiO2、 MgO、Al2O3和NaF中的两种或多种。优选地，熔融氧化物的组成为： CaO、SiO2和Al2O3。
根据本发明的较佳实施例，第二步中，含氧化亚铁的熔融物质与熔融氧化物的质量比为：1:10～3:10。
根据本发明的较佳实施例，第二步中，在电解反应过程中，加入金属或非金属的合金元素，以生产合金钢。如硅钢、锰钢或镍铬钢等。
(三)有益效果
本发明的炼钢方法使用电能，全程不需要焦炭或CO等还原剂，大幅降低了炼钢过程中的碳排放量，电能可通过核能、风能、水能等可再生能源生产。
本发明通过两步法炼钢，在进行熔融氧化物电解反应炼钢之前，先将一定量的铁矿粉和废钢(或废铁)在感应炉中加热熔化，熔化后铁矿粉中的三价铁和废钢(或废铁)中的(零价)铁单质发生氧化还原反应 (归中反应)，生成含氧化亚铁的熔融态物质。在感应炉中三价铁和零价铁发生归中反应的同时，利用造渣剂(一般造渣剂为石灰石、白云石和铝矾土等，除去铁矿石中的杂质P、S等，为第二步的生产钢水提供更洁净的熔融态原料，通过底吹搅拌提高感应炉内归中反应和造渣反应的动力学条件，提高生产效率。三价铁均在第一步中被还原成二价铁，第二步反应中，原料为含氧化亚铁的熔融物质，其中的铁几乎为统一价态的二价铁，在电解反应过程中不存在跨价态电解还原，由于三价铁到二价铁的转变，电解三价铁的能耗远高于还原三价铁的能量，因此，此工艺更加节能。
本发明的方法可直接利用铁矿粉生产钢水，避免传统工艺中造球或烧结带来的环境污染，并且对粉矿品位无苛刻要求，可高效回收利用废钢和废铁(在第一步中作还原剂)来生产钢水。
附图说明
图1为本发明的应用电能的两步炼钢法的流程示意图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1所示，为本发明应用电能的两步炼钢法的流程示意图，该方法包括：将铁矿粉、废钢或废铁、造渣剂等干燥后，装入感应炉内，电感应加热至1400-1600℃，使物料完全熔融并发生如下反应：
Fe2O3+Fe＝3FeO
Fe2O3＝Fe3O4+O2
Fe3O4+Fe＝4FeO
2Fe+O2＝2FeO
5(FeO)+2[P]+4(CaO)＝(4CaO·P2O5)+[Fe]
[FeS]+(CaO)＝(CaS)+[FeO]
其中，三价铁主要来自铁矿粉，铁单质则来自废钢或废铁。在熔融状态下感应炉底吹氮气或氩气(惰性保护气)，起到搅拌作用，促进反应快速进行。保温反应一段时间后，感应炉内得到含氧化亚铁的熔融物质。其中，铁矿粉粒度小于2mm，全铁含量30-70％之间，可为赤铁矿粉或磁铁矿粉。铁矿粉加入量为铁矿粉、废钢和废铁总加入质量的10-50％。在上述反应中，铁矿粉(氧化剂)中的三价铁和废钢或废铁(还原剂)的零价铁发生氧化还原反应，将铁矿粉中的三价铁还原成二价铁，并得到含氧化亚铁的熔融物质。
感应炉扒渣后，将感应炉内含氧化亚铁的熔融物质装入到熔融氧化电解反应器内，并在1540-2000℃的温度下进行电解还原。熔融氧化电解反应器的电解质为熔融氧化物，如：CaO、SiO2、MgO和Al2O3等。在电解还原过程中，发生的反应包括：2FeO+4e-＝2Fe+2O2-，2O2-＝O2+4e-，因此电解反应产物为钢水和氧气(不排放二氧化碳)。同时，可根据要生产的钢种需求，加入金属或非金属合金元素，以制备合金钢产品。如硅钢、锰钢或镍铬钢等。
本发明采用电能的两步炼钢法，相比一步法直接以固态铁矿石电解反应炼钢，本发明的方法不仅可直接利用铁矿粉和回收的废钢/废铁生产出高品质的钢产品，还能够降低高温熔融电解单位质量钢水的能耗和生产成本。
为了进一步说明本发明的技术效果，以下以实验室小规模实验例进行说明。
实施例1
采用应用电能的两步炼钢法：
选用铁矿石成分如下：
表1矿石成分(质量百分含量，％)
废钢中铁含量99％，其余为杂质。
铁矿石与废钢按1:5比例加入感应炉，感应炉温度为1450℃加入石灰石、白云石和铝矾土作为熔剂，使得熔渣碱度为3.9。反应后熔融物质中FeO含量为21％，金属铁含量79％，消耗电量约510kw·h/t。
感应炉扒渣后，在保护气氛下，将感应炉内含氧化亚铁的熔融物质装入到熔融氧化电解反应器内，并在1600℃的温度下进行电解还原。含氧化亚铁的熔融物质与电解质氧化物总量之比为1:4。电解质氧化物选择 CaO、SiO2和Al2O3，电解质成分配比为50％CaO，40％Al2O3和10％SiO2，消耗电量2636kw·h/t。两步总计共消耗电量：3146kw·h/t。
对比例1
采用与实施例1相同矿石和废钢，仅采用一步法的熔融氧化物电解工艺生产钢水。铁矿石与废钢按1:5，铁矿石和废钢量之和与电解质氧化物总量之比为1:4。电解质氧化物选择CaO、SiO2和Al2O3，电解质成分配比为50％CaO，40％Al2O3和10％SiO2，消耗电量3938kw·h/t。
通过比较可知，首先采用电感应炉将铁矿石的三价铁和废钢或废铁的零价铁反应得到含亚铁的熔融物质，再将该熔融物质一同进行熔融氧化物电解，比一步法处理相同原料的熔融氧化物电解工艺的效率更高，单位产钢水耗电量更低。本发明的方法一方面有利于回收废钢废铁的铁元素，另一方面有利于节省单位质量钢水的电耗。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种应用电能的两步炼钢法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：采用感应炉生产含氧化亚铁的熔融态物质：
将铁矿粉、废钢和/或废铁、及造渣剂干燥后，置于一个底吹氮气/氩气的感应炉内，加热至1400-1600℃，物料熔化后发生如下反应，得到含氧化亚铁的熔融物质；其中，铁矿粉加入量为铁矿粉与废钢和/或废铁总质量的10-50％；第一步发生如下反应：
Fe2O3+Fe＝3FeO
Fe2O3＝Fe3O4+O2
Fe3O4+Fe＝4FeO
2Fe+O2＝2FeO
5(FeO)+2[P]+4(CaO)＝(4CaO·P2O5)+[Fe]
[FeS]+(CaO)＝(CaS)+[FeO]
第二步：熔融氧化物电解生产钢水：
感应炉扒渣后，在保护气氛条件下，将感应炉中的含氧化亚铁的熔融物质装入熔融氧化物电解反应器的电解槽中，电解质为熔融氧化物；所述熔融氧化物为CaO、SiO2、MgO、Al2O3、NaF中的两种或多种；含氧化亚铁的熔融物质与熔融氧化物的质量比为：1:10～3:10；
在1540-2000℃下进行电解并发生如下反应，得到钢水，同时副产氧气：2FeO+4e-＝2Fe+2O2-，2O2-＝O2+4e-。
2.根据权利要求1所述的两步炼钢法，其特征在于，第一步中，铁矿粉粒径小于2mm，全铁含量在30-70wt％。
3.根据权利要求1所述的两步炼钢法，其特征在于，第一步中，造渣剂可为石灰石、白云石、铁矾土或铝矾土，其用量根据原料成分确定，控制炉渣碱度在2.0-5.0之间。
4.根据权利要求1所述的两步炼钢法，其特征在于，第二步中，在电解反应过程中，加入金属或非金属的合金元素，以生产合金钢。
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