CN117089703A - 直流矿热炉一步法生产硅铬合金的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流矿热炉一步法生产硅铬合金的工艺，包括：S1.将硅石、铬矿、碳源按照重量比1:0.80‑0.90:0.45‑0.50投入直流矿热炉；其中，硅石粒径40‑150mm，铬矿粒径10‑80mm，碳源粒径6‑25mm；控制矿热炉使用功率使温度达到1800℃以上冶炼；S2.每3‑4h出一炉，浇铸到固定模具后待合金冷却凝固即可。本发明采用直流矿热炉一步法生产硅铬合金的工艺，与交流矿热炉生产硅铬合金相比，由于直流矿热炉热利用率提高，焦炭消耗量(单耗)降低，具体而言，焦炭消耗量降低到0.51t/t合金左右，相比于交流矿热炉生产时降低5％(以固定碳含量84％左右的焦炭计)，Cr回收率可提高到95％左右。
Description
技术领域：
本发明涉及铁合金冶炼技术领域，尤其涉及直流矿热炉一步法生产硅铬合金的工艺。
背景技术：
硅铬合金是由硅、铬、碳等元素按一定比例混合制成的一种合金。其主要用途有以下几个方面：1.微合金化：硅铬合金可以加入钢铁中，进行微合金化，使钢铁含有稳定的硅和铬元素，从而提高钢铁的机械性能、耐磨性和抗氧化性能等。2.不锈钢制造：硅铬合金是不锈钢制造中的重要原材料之一，可以提高钢铁的抗腐蚀性、耐热性和硬度等。3.合金铸造：硅铬合金可以用于铸造工业中高性能合金，如铸造航空发动机叶片、火箭发动机部件等。4.钢铁冶炼：硅铬合金可以加入炼钢过程中，用于脱氧、增碳、调节钢铁成分等。
生产硅铬合金的方法有两种：一步法(有渣法)和二步法(无渣法)。一步法是将铬矿、硅石和焦炭直接加入一台矿热炉内进行冶炼，如申请号为CN201710674356.7的中国专利申请公开的一种生产硅铬合金的方法，是采取一步法生产硅铬合金，具体步骤为将铬精矿粉、还原剂粉按配比添加粘结剂和水进行混匀，得到混合料；然后对混合料进行压球或造球处理使混合料成型得到成型球团；之后进行烘干得到干燥球团；之后进行还原焙烧得到焙烧球团；将焙烧球团和硅石、焦炭一起加入电炉内进行深还原，获得硅铬合金；二步法的第一步是将铬矿和焦炭加入第一台矿热炉内，冶炼出高碳铬铁，第二步是将高碳铬铁块与硅石、焦炭一起加入第二台矿热炉内冶炼硅铬合金。
目前，不管是一步法还是二步法生产硅铬合金，都采用交流矿热炉生产，存在的问题是：交流矿热炉电磁感应现象，涡流损耗，感抗及噪音高，矿热炉功率因数低；存在集肤效应导致电能损耗，即当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小，结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加；因此交流矿热炉一步法生产硅铬合金表现为电耗高，在4500kVA/t左右；焦炭消耗量高，消耗0.56t/t合金左右(固定碳含量84％左右)，Cr的回收率低，为90-91％左右。
最后，由于交流矿热炉电极下插深度较小，即交流矿热炉电极底部距炉底的距离较大，由于电极是底端放弧放电，因此交流矿热炉电极散热大，热损失较大，表现为炉口温度高，造成的后果是炉口设备寿命短，炉口设备降温的冷却水温度高，冷却水用水量大，冷却水损耗高。
经检索，目前有文献公开研发直流矿热炉用以代替交流矿热炉，如申请号为CN202111116104.5的中国专利公开的一种大功率多回路直流电极矿热炉系统，申请号为CN201811467548.1的中国专利公开的一种多回路无底电极直流矿热炉，均给出了直流矿热炉结构，但并未给出直流电极矿热炉生产硅铬合金的先例，因此发明人经过研究，提出了一种直流矿热炉一步法生产硅铬合金工艺。
发明内容：
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供直流矿热炉一步法生产硅铬合金的工艺。
本发明由如下技术方案实施：直流矿热炉“无渣法”生产硅铬合金的工艺，包括：
S1.将硅石、铬矿、碳源按照重量比1:0.80-0.90:0.45-0.50投入直流矿热炉；其中，硅石粒径40-150mm，铬矿粒径10-80mm，碳源粒径6-25mm；控制矿热炉使用功率使温度达到1800℃以上冶炼；
S2.每3-4h出一炉，浇铸到固定模具后待合金冷却凝固即可。
优选的，所述所述碳源为焦炭或兰炭。
优选的，所述硅石中SiO2含量97％以上；所述铬矿中Cr2O3含量40％以上；焦炭中固定碳含量84％以上。
优选的，所述直流矿热炉为20000kVA直流矿热炉，至少2对电极，炉壳直径为8.8-9.5m，极间距1.2-1.5m，炉膛深度2.3-2.5m，二次工作电压85-200V，二次工作电流为66000-75000A。
本发明的优点：
1、本发明采用直流矿热炉一步法生产硅铬合金的工艺，直流矿热炉的电极一正一负为一组，电子从负电极到正电极，流动有序稳定；而交流矿热炉的三个电极的电子无序流动，电路发散，可能从电极向炉墙发散，因此功率因数由交流矿热炉的0.8-0.85提升到0.95，电耗显著降低，电耗在3900kVA/t左右；
2、本发明采用直流矿热炉一步法生产硅铬合金的工艺，与交流矿热炉生产硅铬合金相比，由于直流矿热炉热利用率提高，焦炭消耗量(单耗)降低，具体而言，焦炭消耗量降低到0.51t/t合金左右，相比于交流矿热炉生产时降低5％(以固定碳含量84％左右的焦炭计)，Cr回收率可提高到95％左右。
3、本发明控制直流矿热炉85-200V，二次工作电流为66000-75000A，由于交流矿热炉电极端部距炉底的距离大，直流矿热炉电极端部距炉底的距离小，相较而言，20000kVA的直流矿热炉比20000kVA交流矿热炉电极端部距炉底的距离减小400-700mm，由于电极是底端放弧放电，因此直流矿热炉的热损失比交流矿热炉的小，表现为炉口温度低，因此炉口设备寿命可延长，炉口设备降温的冷却水温度低，冷却水用水量下降，冷却水损耗降低，达到节能降耗的效果。
具体实施方式：
以下实施例1-3采用乌海三美国际矿业有限公司新建的20000kVA直流矿热炉生产，采用2对电极，炉壳直径为9.6m；极间距1.2m，炉膛深度2.4m，二次工作电压90-200V，二次工作电流75000A；
实施例4采用乌海三美国际矿业有限公司原有的20000kVA交流矿热炉生产，炉壳直径8.2m；极心圆直径3m，极间距1.3m，炉膛深度2.5m；二次工作电压110-180V，二次工作电流70000A；
实施例1-4所用的直流矿热炉和交流矿热炉均为半封闭矿热炉；
所用原料中，硅石中SiO2含量97％以上，粒径30-60mm，焦炭固定碳含量84-86％，粒径10-16mm。
实施例1：
直流矿热炉一步法生产硅铬合金的工艺，将原料硅石20.18t、铬矿17.56t、焦炭9.48t投入直流矿热炉；控制电极下插电极端部距炉底的距离为1800mm；控制矿热炉功率19000-21000kVA，保温3.5h出炉浇铸，得到产品1。
实施例2：
直流矿热炉“一步法生产硅铬合金的工艺，将原料硅石22.57t、铬矿19.64t、焦炭9.03t投入直流矿热炉；控制电极下插电极端部距炉底的距离为1800mm；控制矿热炉功率19000-21000kVA，保温3.5h出炉浇铸，得到产品2。
实施例3：
直流矿热炉一步法生产硅铬合金的工艺，将原料硅石18.02t、高碳铬铁15.68t、焦炭10.09t投入直流矿热炉；控制电极下插电极端部距炉底的距离为1800mm；控制矿热炉功率19000-21000kVA，保温3.5h出炉浇铸，得到产品3。
实施例4：
本实施例采用传统的交流矿热炉生产硅铬合金，将原料硅石15.58t、高碳铬铁13.56t、焦炭8.73t投入交流矿热炉；控制电极下插电极端部距炉底的距离为1300mm；控制矿热炉功率19000-21000kVA，保温3.5h出炉浇铸，得到产品4。
检测实施例1-4出炉铁水温度，分别为1820℃、1815℃、1820℃和1730℃。
实施例1-4得到的产品采用GB/T4009-2008的方法进行检测，检测数据列于表1。
表1产品1-4检测数据表
| 产品 | Si(％) | Cr(％) | C(％) | P(％) | S(％) | 对应牌号 |
| 产品1 | 42.27 | 31.47 | 0.016 | 0.014 | 0.009 | FeCr30Si40-A |
| 产品2 | 42.13 | 31.58 | 0.019 | 0.019 | 0.008 | FeCr30Si40-A |
| 产品3 | 41.78 | 31.33 | 0.017 | 0.017 | 0.009 | FeCr30Si40-A |
| 产品4 | 40.98 | 31.25 | 0.018 | 0.017 | 0.009 | FeCr30Si40-A |
从表1可知，实施例1-4生产得到的产品1-4均符合硅铬合金的标准。
实施例1-4生产数据列于表2。
表2实施例1-4生产数据表
从表2可知，实施例1-3采用直流矿热炉一步法生产硅铬合金时，其焦炭单耗分别为0.518、0.524和0.557t/t，电耗分别是3826、4066和3863，实施例1-3中投入直流矿热炉原料时硅石、铬矿和焦炭的比例分别为1:0.87:0.47、1:0.87:0.40和1:0.87:0.56，可见，实施例2的电耗比实施例1和3的高，实施例3的焦耗比实施例1和2的高，因此实施例1为最优实施例，可能原因是，实施例2的焦炭不足；实施例3的焦炭过量。
从表2还可知，实施例1采用直流矿热炉一步法生产硅铬合金时，与实施例4传统采用交流矿热炉一步法生产硅铬合金相比，其焦炭单耗分别为0.518和0.563t/t，电耗分别为3826和4513kVA/t，Cr回收率分别为95.3％和91.5％；可见直流矿热炉一步法生产硅铬合金比交流矿热炉一步法生产硅铬合金的焦炭单耗低，原因是交流矿热炉内硅石和铬矿的熔炼是以焦炭为还原剂，还原得到硅和铬，释放一氧化碳以及二氧化碳；而本发明采用直流矿热炉生产硅铬合金，由于直流矿热炉的电效率和热效率的提高，较交流矿热炉熔炼温度相比，炉内温度可进一步提高，本发明直流矿热炉温度可达1800℃以上，炉内硅石一部分被焦炭还原，一部分发生电化学反应(李宝宽等对直流单电极矿热炉和多回路直流矿热炉熔炼硅锰和铬铁合金进行数值模拟，发现多回路直流矿热炉中存在电化学反应且更省电，参见CN202111382195.7记载)；而且直流矿热炉电极下插深度更深，热损失更低，其在生产硅铬合金时能够达到1800℃以上，而交流矿热炉生产硅铬合金时只能达到1700℃以上，因此直流矿热炉生产硅铬合金比交流矿热炉生产硅铬合金的焦炭消耗量和电耗更低，铬回收率更高。
此外，由于直流矿热炉的电极一正一负为一组，电子从负电极到正电极，流动有序稳定；而交流矿热炉的三个电极的电子无序流动，电路发散，可能从电极向炉墙发散，因此直流矿热炉与交流矿热炉相比功率因数提升，电耗显著降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.直流矿热炉一步法生产硅铬合金的工艺，其特征在于，包括：
S1.将硅石、铬矿、碳源按照重量比1:0.80-0.90:0.45-0.50投入直流矿热炉；其中，硅石粒径40-150mm，铬矿粒径10-80mm，碳源粒径6-25mm；控制矿热炉使用功率使温度达到1800℃以上冶炼；
S2.每3-4h出一炉，浇铸到固定模具后待合金冷却凝固即可。
2.根据权利要求要求1所述直流矿热炉一步法生产硅铬合金的工艺，其特征在于，所述所述碳源为焦炭或兰炭。
3.根据权利要求要求1所述直流矿热炉一步法生产硅铬合金的工艺，其特征在于，所述硅石中SiO2含量97％以上；所述铬矿中Cr2O3含量40％以上；焦炭中固定碳含量84％以上。
4.根据权利要求要求1所述直流矿热炉一步法生产硅铬合金的工艺，其特征在于，所述直流矿热炉为20000kVA直流矿热炉，至少2对电极，炉壳直径为8.8-9.5m，极间距1.1-1.5m，炉膛深度2.3-2.5m，二次工作电压85-200V，二次工作电流为70000-80000A。
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