專利名稱：鐵合金的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵合金的生產(chǎn)方法，尤其涉及鉻鐵合金的生產(chǎn)方法。
用于熔融鉻礦石或濃縮物的還原劑是焦碳、煤、木炭、無煙煤等形式的碳。盡管可以降低碳還原劑的使用量以增加鉻的回收量，但是，這必須付出增加鉻鐵合金中硅含量的代價。作為氧化物的硅存在于多數(shù)鉻礦石中，也是以氧化物的形式作為助熔劑加入。
所述材料一般為礦石或濃縮物形式。但是，本發(fā)明也采用既含鉻又含鐵的爐渣和類似材料作為氧化物。鉻和鐵可以，例如作為金屬，存在于其他形式的材料中，但是，某些和一般多數(shù)，鉻和鐵以氧化物形式存在。因此，本發(fā)明既可使用高質(zhì)量礦石，也可使用劣質(zhì)礦石。
本發(fā)明的關(guān)鍵是還原劑的使用，所述還原劑是單獨(dú)的碳化物或和另一種還原劑一起為碳化物。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用這種還原劑能夠生產(chǎn)硅含量不超過6％(質(zhì)量)、鉻回收率高達(dá)至少70％(質(zhì)量)的鉻鐵合金。硅源、鉻鐵合金中不想要的材料是原料本身和/或作為助熔劑。
其他還原劑的例子為焦碳、煤、無煙煤、瀝青、焦油、含碳糊狀物、天然氣、氫、甲烷和丁烷。
在本發(fā)明優(yōu)選的形式中，還原劑含有碳化物和碳還原劑的組合。碳還原劑往往在鉻鐵合金中引入硫和磷，因此，采用本發(fā)明方法生產(chǎn)低硫和磷含量的鉻鐵合金是可能的。
適用的碳化物的例子是碳化硅、碳化鈣、碳化鎂和碳化鋁?？梢允褂锰蓟锏幕旌衔?。此外，也可存在其他的還原劑如氮化物。
碳化物優(yōu)選為碳化硅。通過石英和含碳還原劑的反應(yīng)可以就地生產(chǎn)碳化硅。例如，石英和還原劑可以以顆粒形式引入熔融步驟中。碳化硅可以是在碳核周圍的碳化硅涂層的形式。
在材料熔融過程中，碳化硅作為還原劑并由此氧化成二氧化硅。二氧化硅存在于爐渣相中，能夠降低爐渣的液線溫度，并能夠改變爐渣的堿性和/或爐渣化學(xué)組成。爐渣的液線溫度是爐渣變成液體時的溫度。爐渣液線溫度的降低和/或爐渣化學(xué)結(jié)構(gòu)或堿性的改變能夠引起鉻的損失，當(dāng)在AC埋弧式電爐中熔融時尤其由此。還原反應(yīng)主要發(fā)生在爐渣相中，爐渣相液線溫度的任何降低和爐渣化學(xué)結(jié)構(gòu)或堿性的任何改變都可能導(dǎo)致通過爐子的氧化鉻不被還原。因此，當(dāng)碳化硅單獨(dú)用作還原劑時，優(yōu)選在熔融過程中存在另外的助熔劑。通常，選擇助熔劑(可以是多種試劑的組合)以確保爐渣液線溫度比鉻鐵合金液線溫度高約80-150℃。助熔劑也會改變爐渣的堿性或爐渣化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以選擇合適的助熔劑將堿性控制在所需范圍。合適的助熔劑的例子包括MgO，Cao，Al2O3或SiO2，它可以是石灰、石灰石、白云石、菱鎂礦、礬土或石英巖形式，以及鈣、鎂和鋁的碳化物和氮化物。
當(dāng)還原劑含有碳化硅和碳還原劑的組合時，該組合中碳化硅的含量可較低，例如0.5％(質(zhì)量)，但通常為至少5％(質(zhì)量)。如上所述，還原材料中氧化物的過程中，碳化硅轉(zhuǎn)化為二氧化硅。二氧化硅接著被碳還原劑還原成硅(或有被還原的趨勢)。鉻鐵合金中含有硅。為了避免鉻鐵合金的硅含量過高，碳化硅與碳還原劑的質(zhì)量比應(yīng)當(dāng)加以選擇以確保鉻鐵合金的硅含量不高于6％，一般不高于4％，優(yōu)選不高于2％(質(zhì)量)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，不僅應(yīng)當(dāng)考慮碳化硅和碳還原劑的質(zhì)量比，還應(yīng)考慮被熔融的材料的性質(zhì)和助熔劑的存在及性質(zhì)。
材料加入到熔融區(qū)之前，將還原劑加入材料中，或加入熔融區(qū)中。通常，熔融區(qū)位于爐子中，所述爐子可以是AC埋弧爐或半埋弧爐、DC電弧爐或窯。
本發(fā)明方法的鉻回收率高于采用碳作為還原劑的現(xiàn)有方法的鉻回收率。特別是，當(dāng)使用AC埋弧爐或半埋弧爐時，現(xiàn)有方法不能實(shí)現(xiàn)高于80％(質(zhì)量)的鉻回收率。用這種電爐的本發(fā)明方法可以實(shí)現(xiàn)超過80％質(zhì)量的鉻回收率。但是，當(dāng)使用DC電弧爐時，現(xiàn)有技術(shù)方法能夠?qū)崿F(xiàn)超過80％質(zhì)量的鉻回收率。但是，當(dāng)使用DC電弧爐時，本發(fā)明方法能夠?qū)崿F(xiàn)超過90％(質(zhì)量)的鉻回收率。
碳還原劑可以為焦碳、煤、焦油、無煙煤等?，F(xiàn)有方法中，這些碳還原劑往往會將硫和磷引入系統(tǒng)中，導(dǎo)致金屬相中的硫和磷含量相當(dāng)高。由于本發(fā)明方法中碳還原劑部分或全部被碳化物替代，有可能生產(chǎn)低硫和低磷含量的鐵合金。此外，可以在較大程度上利用劣質(zhì)和相對便宜的碳還原劑如煤。
當(dāng)結(jié)合使用碳化硅和碳還原劑時，發(fā)現(xiàn)金屬相中鉻含量顯著增加，鉻損失到爐渣相和其他地方的量降低了，從而鉻回收量增加，同時金屬的比能耗降低。由于驅(qū)動熔融操作所需的電能降低，爐子的生產(chǎn)能力增加。由于礦石中碳化物和可還原的氧化物之間的還原反應(yīng)的放熱性質(zhì)，所需的電能減少。
由于需要的電能降低，可以在普通功率輸出的情況下增加爐子的生產(chǎn)能力。爐子生產(chǎn)能力的增加導(dǎo)致每噸成品合金所消耗的熱量降低。因此，氣體放出體積/噸成品合金也降低了，結(jié)果通過來自SiC的硅和礦石和爐渣中的可還原的氧化物反應(yīng)生產(chǎn)的氧化硅留在爐渣中。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了生產(chǎn)鉻鐵合金的方法，包括如下步驟提供含鉻和鐵的材料作為氧化物并將所述材料在含碳化物和碳還原劑的組合的還原劑的存在下熔融。碳化物可以是上述任何碳化物，但優(yōu)選碳化硅。優(yōu)選地，選擇碳化硅和碳還原劑的質(zhì)量比以生產(chǎn)硅含量不高于6％(質(zhì)量)、鉻回收率至少70％(質(zhì)量)的鉻鐵合金。
根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，碳化物、尤其是碳化硅用作將爐渣中的氧化鉻還原成鉻的還原劑。鉻存在于含高含量鉻的金屬相中。
在本發(fā)明的一種形式中，碳化硅以相對于爐渣中所需的SiO2含量的化學(xué)計量比使用。焦碳形式的碳含量，例如，通過加入的等當(dāng)量的SiC降低。由于以化學(xué)計量比加入碳化硅形成所需的爐渣中的SiO2含量，例如，會完全消除石英巖或石英沙形式的SiO2的加入需要。
在本發(fā)明的另一種形式中，參照爐渣中所需的SiO2含量，使用化學(xué)計量過量的碳化硅。本發(fā)明形式中，為了減少爐渣中的過量二氧化硅，必須加入另外的具有必要性能的助熔劑、化學(xué)試劑或化合物以維持所需的爐渣堿性和液線溫度。助熔劑、化學(xué)試劑和化合物可以是CaO，MgO，或Al2O3，例如石灰、石灰石、白云石、菱鎂礦和礬土，或鈣、鎂和鋁的碳化物或氮化物的載體。爐渣中過量的SiO2通過與原料中鉻、鐵氧化物和其它微量可還原的氧化物反應(yīng)的過量碳化硅中的硅產(chǎn)生。在本發(fā)明形式中，當(dāng)堿性氧化物用于中和爐渣中過量SiO2時，受到石灰、白云石、菱鎂礦或礬土中的氧化物如CaO，MgO和Al2O3的熔融和分解所需的能量將影響比能耗(MWh/噸金屬)的降低。如果例如Ca，Al和Mg的碳化物用于減輕來自過量SiC的過量SiO2的影響，那么，甚至比單獨(dú)使用SiC更能進(jìn)一步降低比能耗。其原因是Ca，Al和Mg的碳化物和礦石的氧化物的反應(yīng)是高度放熱的。
在本發(fā)明另一種形式中，根據(jù)爐渣中所需的SiO2含量，使用亞化學(xué)計量量的SiC。此時，通過加入必要量的石英石或石英沙可以得到所需的爐渣中的SiC百分含量。此外，碳還原劑將與使用的SiC的碳當(dāng)量成正比地降低。
下面參照實(shí)施例描述本發(fā)明。
分別用焦碳和SiC(或兩者結(jié)合使用)作為還原劑進(jìn)行一系列半工業(yè)試驗規(guī)模的試驗運(yùn)行。使用的原料、路線和得到的結(jié)果如下。
原料使用如表1所示的濃縮物和粒徑1mm的UG-2礦石。
表1礦石組成
使用的SiC是純度為96％的1-3mm粗砂。使用含82％干固定碳的細(xì)焦碳(6mm)。在兩次試驗中，將來自拆船廠的舊SiC熔爐壓碎成20mm并用作還原劑。
試驗組織方案熔融單元是150 KVA DC等離子爐。該爐利用直徑為56mm懸掛在液壓傳動裝置上的單石墨電極和直徑為100mm的石墨制成的底部陽極。輸入功率和弧長可以通過隨液壓傳動系統(tǒng)降低或升高電極加以調(diào)節(jié)。
熔爐側(cè)壁上用鉻-菱鎂礦尖晶石磚作襯，底部用菱鎂礦尖晶石夯實(shí)材料作襯。爐殼通過使用焊接在鋼殼上的Z字型水槽冷卻。利用焊接在陽極底部處的銅塊上的銅管用水冷卻陽極。
用空白混合物啟動電爐并在約40-50kW下運(yùn)轉(zhuǎn)約8小時以加熱熔爐。卸出每次操作中的頭批料。
第一次加熱運(yùn)轉(zhuǎn)后，每5分鐘以預(yù)定速度將進(jìn)料混合物裝入電爐中，在3-4小時內(nèi)完成加料。在熔融物進(jìn)入耐火熔爐之前1小時完成電爐的加熱。爐子的總能量輸入通過每5-30分鐘記錄電壓和電流以及由冷卻水的溫度和爐殼和爐頂溫度計算熱損耗來監(jiān)控，其通過試驗加以監(jiān)控。通過使用光學(xué)高溫計測定爐殼和爐頂溫度。
結(jié)果固化后的爐渣和金屬稱重并破碎成小片，將約2kg和更大的樣品分離并送到三個不同的本行業(yè)認(rèn)可的實(shí)驗室進(jìn)行化學(xué)分析。為了證實(shí)分析結(jié)果，將某些樣品分離并分別送到所有三個實(shí)驗室。
如下表2所示的實(shí)驗數(shù)據(jù)描述了使用SiC對電能比耗、爐渣中的鉻損失以及，以礦石百分比計，來自用不同含量的總還原劑進(jìn)行的每次操作的金屬量。
從表2，可以看出，當(dāng)C(即總紅(total red))的加入量為礦石(濃縮物)的20.2-21.7％重量時，還原劑混合物中不存在SiC，爐渣含有9.1-11.7％的Cr2O3(操作1-3)。然而，當(dāng)還原混合物中含有SiC時，總還原劑加入量為礦石重量的19.9-23.6％重量，爐渣Cr2O3含量降低到1.3-2.4％重量(操作4-7)。在還原混合物中存在SiC的情況下，總還原劑為混合物中SiC和C的碳當(dāng)量。在操作4-7中，來自焦碳的SiC單元與C單元的比例為0.149-0.301。
當(dāng)向還原混合物中加入SiC時，也可實(shí)現(xiàn)所需的電能的顯著降低。當(dāng)不存在SiC時，比電能耗為3.81-4.14MWh/噸合金(操作1-3)。當(dāng)存在SiC時，比電能耗為2.8-3.06MWh/噸金屬(操作4-7)。這相當(dāng)于每生產(chǎn)一噸合金節(jié)約大約20-32％的電耗。
進(jìn)行兩次實(shí)驗來測試SiC對UG-2礦石的熔融的影響。在試驗8和9中，含有和不含有SiC，爐渣中Cr2O3含量分別為13.4％和4.2％。Cr的回收率從79.3％提高到94.6％，也就是說提高了15.3％，從而可以實(shí)現(xiàn)上述效果。
表2試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果
由表2可以看出，不僅對于高等級的濃縮物或礦石，而且對于低等級的礦石如UG-2礦石，本發(fā)明方法都實(shí)現(xiàn)了非常高效的鉻回收。與UG-2礦石有關(guān)的是，當(dāng)使用碳化硅和焦碳的混合物時，金屬中的鉻含量從49.8％增加到50.7％。從商業(yè)角度看，這種增加是非常顯著的。
使用SiC改善的Cr回收率據(jù)信歸因于硅的固有能力，即破壞任何可能的在鉻鐵礦顆粒表面上以及電爐中強(qiáng)還原條件下形成的動力學(xué)載體。強(qiáng)還原條件也歸因于加入到爐中的石英量的降低或消除，因為當(dāng)SiC用作還原劑時，爐子進(jìn)料變?yōu)樽灾鄣摹ＥcSiC，C和Si平衡的氧分壓如下(假設(shè)aSiO2＝0.4，PCO＝1，aSiC＝0.9，aC＝0.82，aSi＝0.5，T＝1600℃，每摩爾還原劑)● Po＝6.53×10-12大氣壓，對于SiC-O平衡● Po＝6.00×10-12大氣壓，對于C-O平衡，和● Po＝1.96×10-12大氣壓，對于Si-O平衡。
當(dāng)生產(chǎn)鉻鐵合金過程中在爐中使用SiC時，由于礦石的還原得到改善，爐渣的Cr含量被最小化。但是，也可預(yù)見到，在標(biāo)準(zhǔn)鉻鐵合金操作的“輔助精制階段”可以使用SiC，或與上述方法結(jié)合使用。液體爐渣將被送到含足量SiC的桶中，或者，固體SiC和液體爐渣都可以同時倒入桶中以為發(fā)生還原反應(yīng)提供混合。為了提高反應(yīng)速率，有必要將液體爐渣和SiC混合物轉(zhuǎn)移到另一個桶中。在完成還原反應(yīng)后，將桶靜置，沉淀的金屬和爐渣可分別或同時從桶中移出。根據(jù)熱力學(xué)計算，可以預(yù)計，金屬為具有最小硅含量和高Cr含量的低C鉻鐵合金型。
在本發(fā)明在工業(yè)規(guī)模工廠進(jìn)行的另一實(shí)施例中，使用具有標(biāo)準(zhǔn)和公知構(gòu)造的AC埋弧電爐。加入到爐中的材料由礦石和精細(xì)、再次熔融，即，再生的鉻鐵合金金屬，藍(lán)晶石(氧化鋁助熔劑)、碳化硅、焦碳和煤的混合物組成。每批混合物從表1所示的試驗開始時算起經(jīng)過三天發(fā)生的變化表1
礦石等級的化學(xué)分析如下表2
在將爐渣液線維持在1650-1720℃的溫度下操作電爐，同時堿性即CaO和MgO含量除以SiO2含量為約0.9。
生產(chǎn)的鉻鐵合金的金屬相被隨時送走和分析。分析顯示，對于第1-3批，金屬相中的硅含量從1％增加到6％，同時在爐中建立了平衡條件。對于第4批，硅含量降低到1.4％-2.2％之間。此外，第4批中，金屬相中鉻含量達(dá)到61.07％，這表示實(shí)現(xiàn)89％的鉻回收。在引入SiC前的最大金屬等級約為58％的鉻。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用本發(fā)明方法的平均金屬產(chǎn)量為每天51噸，這表示與使用相同電爐但不使用碳化硅/含碳還原劑組合的方法相比金屬產(chǎn)量提高了36％。比能耗從3.4MWh/噸降到2.67MWh/噸。
通過使用碳化硅/含碳還原劑實(shí)現(xiàn)的其它改進(jìn)為較短的流動時間，更少的吹氧量，爐渣和金屬易分離、帶孔不易堵實(shí)(rodding)，由電爐產(chǎn)生的氣體量減少，以及堆材產(chǎn)生的氣體較少。
本發(fā)明鉻鐵合金生產(chǎn)方法的優(yōu)點(diǎn)為1.電爐生產(chǎn)能力增大，而不增加或增加很少的投資費(fèi)用。
2.Cr回收率顯著增大。
3.氣體生成量少，這意味著在新工廠中可以只需建設(shè)較小的氣體裝置或在現(xiàn)有工廠中可以更好地控制排氣裝置。
4.可以在金屬中更好地控制Si含量，這是因為只加入很少或不加入焦碳和石英。
5.可以以任何范圍使用(即100％SiC或與其它C源結(jié)合使用)?？梢允褂闷渌趸锖吞蓟锶鏑aO，MgO，Al2O3和鈣、鎂和鋁的碳化物來調(diào)節(jié)爐渣化學(xué)組成。
6.重復(fù)利用廢棄的SiC熔爐成為可能。
7.由于更好的Cr回收率，可以利用低等級礦石如UG-2。
8.可以在輔助方法中使用SiC還原劑以從爐渣中回收Cr。
權(quán)利要求
1.生產(chǎn)鉻鐵合金的方法，包括如下步驟I.提供含鉻和鐵的材料作為氧化物；II.提供還原劑，其為單獨(dú)的碳化物或與另一種還原劑結(jié)合使用的碳化物；和III.在還原劑存在下和為生產(chǎn)含不超過6％質(zhì)量的硅、和從材料回收的鉻回收率為至少70％質(zhì)量的鉻鐵合金選擇的條件下熔融材料。
2.權(quán)利要求1的方法，其中選擇所述條件以生產(chǎn)含有不超過4％質(zhì)量的硅的鉻鐵合金。
3.權(quán)利要求1的方法，其中選擇所述熔融條件以生產(chǎn)含有不超過2％質(zhì)量的硅的鉻鐵合金。
4.前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中選擇所述熔融條件以生產(chǎn)從材料回收的鉻的回收率為至少80％質(zhì)量。
5.前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述材料是礦石或濃縮物。
6.前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中碳化物選自碳化硅、碳化鈣、碳化鎂和碳化鋁。
7.前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中碳化物是碳化硅。
8.前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中還原劑是碳化物和碳還原劑的組合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中碳還原劑選自焦碳、煤、木炭和無煙煤。
10.前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中還原劑為碳化硅，另外的助熔劑以確保熔融時爐渣液線溫度為高于鉻鐵合金液線溫度約80-150℃而選擇的量存在。
11.生產(chǎn)鉻鐵合金的方法，包括如下步驟i.提供含有鉻和鐵的材料作為氧化物；和ii.將材料在含有碳化物和碳還原劑的還原劑存在下熔融。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該材料為礦石或濃縮物。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的方法，其中碳化物選自碳化硅、碳化鈣、碳化鎂和碳化鋁。
14.根據(jù)權(quán)利要求11或12的方法，其中碳化物為碳化硅。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中選擇碳化物與碳還原劑的質(zhì)量比以生產(chǎn)含不超過6％質(zhì)量的硅的鉻鐵合金。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中選擇碳化物與碳還原劑的質(zhì)量比以生產(chǎn)含不超過4％質(zhì)量的硅的鉻鐵合金。
17.根據(jù)權(quán)利要求11-16中任一項的方法，其中選擇熔融條件以使由材料回收的鉻的回收率為至少80％質(zhì)量。
18.根據(jù)權(quán)利要求11-17中任一項的方法，其中碳還原劑選自焦碳、煤、木炭和無煙煤。
19.根據(jù)權(quán)利要求11-18中任一項的方法，其中還原劑為碳化硅，另外的助熔劑以確保熔融時爐渣液線溫度為高于鉻鐵合金液線溫度約80-150℃而選擇的量存在。
20.基本上如本發(fā)明所述的權(quán)利要求1或11的鉻鐵合金的生產(chǎn)方法。
全文摘要
鉻鐵合金的生產(chǎn)方法，通過在還原劑存在下將礦石或濃縮物熔融而由礦石或濃縮物生產(chǎn)，所述還原劑為單獨(dú)的碳化物或與另一種還原劑結(jié)合使用的碳化物。碳化物優(yōu)選碳化硅。
文檔編號C22B34/32GK1426487SQ01808379
公開日2003年6月25日 申請日期2001年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月19日
發(fā)明者奧爾汗·杰米爾 申請人:阿德瓦爾全球公司