不锈钢除尘灰冶炼工艺研究方法

发表时间：[2013-10-09]　　作者：李具仓　　编辑录入：admin　　点击数：1208

不锈钢除尘灰冶炼工艺研究方法

李具仓

(酒钢天风不锈钢公司，甘肃嘉峪关 735100)

摘要：本文通过对不锈钢除尘灰的成分、粉化机理、还原机理、压球工艺和冶炼工艺的研究，制定合理的压球－干燥－冶炼工艺，采用此工艺对不锈钢除尘灰进行加工处理，结果表明：300系列不锈钢除尘灰加入特殊添加剂后压球，可有效的防止球的粉化；球干燥后采用矿热炉冶炼，可降低生产成本，提高了合金元素的收得率：镍的收得率达到93．3%以上，铬的收得率达92．6%以上，铁的收得率达90．1%以上，产品符合不锈钢厂使用标准要求，处理工艺达到国内先进水平。

关键词：除尘灰；粉化机理；还原机理；压球；冶炼

1 引言

不锈钢生产产生除尘灰在40～60kg/t，不锈钢除尘灰因其含有铬、镍等物质，对环境造成很大的危害和严重的污染，特别是水资源的安全，大量的露天堆积有潜在的危险，一旦发生污染，六价铬渗入地下水源，将导致不可逆无法修复的生态环境破坏［1］。

因此对不锈钢除尘灰的有效处理至关重要。不锈钢除尘灰通过压球后冶炼成低镍铬生铁，可大量用于不锈钢、耐热钢、工具钢生产，高速发展的汽车工业也需要大量的含镍铬铸件。同时我国镍、铬资源贫乏，镍资源的60%、铬资源的85%依靠进口，因此不锈钢除尘灰的循环再生利用具有非常重要的环保和社会意义。

2 不锈钢除尘的性质和冶炼理论

2．1 不锈钢除尘灰的成分

不锈钢300系列除尘灰化学成分如表1。

X射线衍射仪分析不锈钢除尘灰的物相组成，图谱如图1。

从图1可以看出，粉尘中主要金属物相为铁和铬的氧化物及镍的氧化物。

2．2 不锈钢烟尘中主要氧化物的物理性质分析

不锈钢除尘灰中的主要氧化物的熔点和密度如表2所示。

经测试，不锈钢除尘灰的熔点在1593～1675K之间，其渣的密度也小于镍铬铁的密度，而且渣铁分离较好。

2．3 除尘灰压球加热粉化原理分析

为了满足矿热炉的冶炼需要，造球后的球团矿应具有一定的机械强度，粒度为20～50mm，20mm以下不超过5%，同时在配料中加入焦粉增加料的导电性和透气性［2-4］，表3为压球配比。

采用表3中配比后加热干燥过程球粉化严重，部分不粉化球在矿热炉冶炼过程粉化，造成冶炼过程大部分灰从烟囱中抽走，同时粉状物在炉中造成炉膛透气性变差，生产安全因素较差。

分析认为：不锈钢除尘灰中存在15%左右的CaO和9%左右的SiO2，而SiO2的三种晶型转变时，会发生体积的收缩和膨胀。如β英石向a英石转变时(转变温度575℃)，体积膨胀2．4%，a英石向a鳞英石转变时(转变温度870℃)，体积膨胀2．7%。2CaO·SiO2有四种晶型：a、a，、β、γ，其中a，2CaO·SiO2出现快转变，有β2CaO·SiO2形成。由a，2CaO·SiO2(转变温度675℃)转变为β2CaO·SiO2及β2CaO·SiO2(转变温度725℃)转变为γ2CaO·SiO2时，体积膨胀12%，此种性质常使耐火材料、烧结矿、水泥熟料及高碱度渣产生粉化现象［5］。

因此球的粉化主要是除尘灰中的SiO2和2CaO·SiO2在加热过程中相变体积膨胀所致。针对粉化问题，后期配料6中加入8%～10%防粉化抑制剂，消除了压球在加热和冶炼过程中的粉化问题。

2．4 不锈钢除尘灰还原理论

不锈钢除尘灰中每种金属氧化物还原的热力学条件是不同的，同一热力学条件对各种金属元素的还原有不同的影响。由已知热力学数据［5－6］，用组合法可以计算碳和金属氧化物反应的标准吉布斯自由能和其在标准状态下的理论还原温度。

其基本理论数据如下：

从氧势图［5-6］和计算所得数据分析，锰与氧的亲和力比其它金属与氧的亲和力强，还原MnO需要较高的温度和较大的能量，所以最难被还原的是锰氧化物，其次是铬氧化物，镍和铁的氧化物是最容易被还原的。

从热力学条件可以看出，炉料中金属氧化物的还原温度比冶炼温度低，还原温度越高越有利于金属的还原。氧化物的还原虽然能够在较低温度下进行，但反应速度很慢；当熔炼时有足够高的温度时，还原剂碳和金属氧化物中的氧会很快结合生成大量的CO气体，改善了反应的动力学条件，有利于金属氧化物的还原。高温能提高金属氧化物还原率的另一个原因是由于金属氧化物的直接还原是强吸热反应，因此温度越高，金属氧化物越有利于被还原。现场测温矿热炉中还原不锈钢除尘灰炉温一般在1720℃左右。炉内弧光区温度可达2500℃以上，熔池中温度可达到1800℃以上。

在热力学中，活度可以表示金属溶液内元素的相互作用。表4列出了金属液内碳与其它元素的相互作用系数(其中X表示金属中的其它元素)。

可以得出C能降低Cr和Mn的活度，有利于Cr和Mn在金属中的溶解。生产中配加焦炭量为25%时，增加了金属中的含碳量，降低了Cr和Mn的活度，增加了Cr和Mn在金属中的溶解度，从而促进了反应的进一步进行。因此，足够的碳配入量有利于金属氧化物中Cr和Mn的还原［7-8］。

另外，碳含量在4．3%以下时，碳含量每增加1%金属的熔点降低88℃左右。因此，碳含量的增加有利于改善金属氧化物还原的热力学条件。在实际生产中，足够的碳含量有利于降低冶炼温度，一般控制在4．3%左右。

3 生产工艺

国内不锈钢除尘灰再生利用方法有不经冶炼直接循环使用、高炉法冶炼处理、电炉法治炼处理。电炉法冶炼中中频炉居多，冶炼方法也只在专利技术中略见一斑，且要配加红土镍矿，全部使用除尘灰压球后在矿热炉冶炼的工艺技术国内尚未见报道。本次生产全部使用除尘灰进行冶炼试验，具体工艺如图2。

3．1 压球工艺

使用DYQD560两辊压球机，在压球过程中采用表3中的方案6加抑制剂15%可有效的防止球在加热过程粉化，压球大小40mm×40mm。

3．2 熔炼工艺

熔炼工艺流程如下：不锈钢除尘灰球团入炉和焦炭→矿热炉熔炼→熔剂石灰调整熔渣碱度→升温→可加硅铁粉强化还原→熔剂萤石调整熔渣流动性→倒渣→低镍铬铁生铁→出炉。原料主要参数：焦炭碳含量85．77%左右；石灰中CaO含量85%左右；萤石CaF2含量86%左右。

用原冶炼硅铁矿热炉进行改造后冶炼除尘灰球，按资源数量：2t不锈钢除尘生产1t镍铬铁合金，确定炉料的配比。由于不锈钢除尘球中含有一定量的固定碳，经过核算后还需加入质量百分比约为16%的焦炭才能将此配比下原料中的化合物还原，考虑到在熔化期碳的烧损率和金属的渗碳量，生产中最优方案为焦炭25%加入；炉渣碱度按CaO/SiO2=2左右控制，CaF2根据渣的流动性进行配加。