本發(fā)明涉及冶金渣綜合利用領(lǐng)域，特別提供了一種鋼渣鋁熱還原生產(chǎn)鐵合金及精煉渣方法。

背景技術(shù)：

鋼渣是轉(zhuǎn)爐吹氧脫磷時(shí)產(chǎn)生的固體廢渣，鋼鐵企業(yè)平均每生產(chǎn)1t鋼產(chǎn)生約120～150kg鋼渣。鋼渣的主要成分是CaO、SiO₂和MgO，還含有一定量的金屬鐵和氧化鐵。鋼渣堿度較高，含有一定量的自由CaO，本來(lái)可以作為燒結(jié)配料使用，但是由于鋼渣中的磷含量一般為1％～4％，返回?zé)Y(jié)使用會(huì)加重爐料的磷負(fù)荷，導(dǎo)致鐵水中的磷超標(biāo)，限制了鋼渣返回?zé)掕F工藝?yán)谩?/p>

現(xiàn)有的鋼渣處理工藝僅限于回收鋼渣中的金屬鐵，回收鐵后的鋼渣少部分作為水泥摻加料，大部分長(zhǎng)期堆存，不僅占用耕地，而且污染環(huán)境。國(guó)內(nèi)外鋼渣的處理方法主要是使鋼渣盡快粉化，使廢金屬料與渣分離，降低鋼渣中的游離氧化鈣，以便盡可能多地回收鋼渣中的金屬料，提高尾渣的綜合利用率。鋼渣處理方法可分為熱潑法、水淬法、風(fēng)淬法和熱悶法。

(1)鋼渣熱潑法處理工藝。將液態(tài)渣直接潑到渣坑，利用鋼渣余熱，經(jīng)噴水冷卻后，在熱脹冷縮和游離氧化鈣水解膨脹作用下，促使鋼渣破裂、自解粉化。該方法特點(diǎn)是技術(shù)成熟，投資少，游離氧化鈣含量較低，但占地大，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。該工藝處理后的鋼渣顆粒較大，顆粒內(nèi)部由于冷卻較慢，晶體成型較好，鋼渣的膠凝活性較差。

(2)鋼渣水淬處理工藝。高溫液態(tài)鋼渣在流出下降過(guò)程中，被壓力水分割、擊碎，再加上高溫熔渣遇水急冷收縮產(chǎn)生應(yīng)力集中而破裂，同時(shí)進(jìn)行了熱交換，使熔渣在水幕中進(jìn)行?；?，通常顆粒較小，晶體成型較差，膠凝活性良好。該工藝流程簡(jiǎn)單，占地面積少，設(shè)備少，但水淬處理率較低，最高水淬處理率為50％。

(3)鋼渣風(fēng)淬處理工藝。將裝滿液渣的渣盆由行車吊放到側(cè)翻支架上，渣液逐漸倒入中間包后，依靠重力作用，經(jīng)出渣口從中間包、溜渣槽溜到?；髑胺?，被?；鲀?nèi)噴吹的高速氣流擊碎，加上表面張力的作用，使擊碎的液渣滴收縮凝固成直徑為2mm左右的球形顆粒，撒落在水池中。該工藝簡(jiǎn)單，投資少，一次?；瘡氐?，用水量少，克服水淬時(shí)爆炸的不安全因素。但要求鋼渣的流動(dòng)性好，而由于冶煉工藝的進(jìn)步造成鋼渣粘度增大，風(fēng)淬處理率越來(lái)越低。

(4)鋼渣熱悶處理工藝。其原理為熱熔鋼渣冷卻至800℃～300℃，裝入熱悶裝置中，噴霧與熱渣產(chǎn)生飽和蒸汽，與鋼渣中游離氧化鈣、游離氧化鎂發(fā)生水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣和氫氧化鎂，同時(shí)產(chǎn)生體積膨脹使鋼渣自解粉化。該工藝特點(diǎn)鋼渣粒度小，游離的氧化鈣和氧化鎂含量低，鋼渣中水硬性礦物活性較好，尾渣的利用率可達(dá)100％。

在這幾種鋼渣處理工藝中，鋼渣熱悶處理工藝是目前應(yīng)用最廣泛的工藝，其主要回收鋼渣中的金屬鐵和回收一部分鋼渣顯熱，尾渣用于建筑材料生產(chǎn)，利用價(jià)值低。針對(duì)鋼渣中磷元素的提取和利用，國(guó)內(nèi)開展了大量研究工作，主要方法有鋼渣生產(chǎn)磷肥、化學(xué)脫磷及還原脫磷，但都處于實(shí)驗(yàn)研究階段，尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

本發(fā)明為解決上述問(wèn)題，提出了一種利用鋁熱還原反應(yīng)將鋼渣中物質(zhì)生成鐵合金及精煉渣的方法，此方法不僅資源利用效率高、成產(chǎn)成本低，還提高了鋼渣資源回收率，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供了一種鋼渣鋁熱還原生產(chǎn)鐵合金及精煉渣的方法，通過(guò)在鋼渣中引入鋁單質(zhì)，解決了鋼渣資源回收率低、產(chǎn)品附加值低的問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了液態(tài)鋼渣顯熱的高效利用和鋼渣中的鐵、磷、錳、硅以及熔渣的綜合回收利用。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種鋼渣鋁熱還原生產(chǎn)鐵合金及精煉渣的方法，包括以下步驟：

(1)將液態(tài)鋼渣和金屬鋁按質(zhì)量比裝入第一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)；

(2)通過(guò)攪拌進(jìn)行選擇性初步還原，攪拌和還原時(shí)間為10～60min，還原是放熱反應(yīng)不需要加熱，還原得到的含磷鐵水沉降到反應(yīng)器底部，熔渣密度小浮在含磷鐵水上層，產(chǎn)生的部分磷蒸汽冷凝收集，初步還原結(jié)束；

(3)將初步還原后的上層熔渣倒入第二個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，加入金屬鋁進(jìn)行第二步還原；

(4)在第二步還原的過(guò)程中進(jìn)行攪拌，攪拌和還原時(shí)間為10～60min，還原為放熱反應(yīng)不需要加熱，得到的硅錳合金沉降到反應(yīng)器底部，熔渣在上層；

(5)將第二步還原后的上層熔渣澆鑄成塊或?qū)⑷墼苯幼鳛殇撍珶捲?/p>

本發(fā)明中還原劑為金屬鋁，采用金屬鋁作為還原劑還原鋼渣，不但還原反應(yīng)容易進(jìn)行，而且反應(yīng)是放熱反應(yīng)，從而無(wú)需額外加熱。還原分兩步進(jìn)行，主要是初步反應(yīng)生產(chǎn)含磷鐵水，第二步還原反應(yīng)生產(chǎn)硅錳合金，提高產(chǎn)品的附加值。如果兩步合為一步進(jìn)行，硅錳合金中磷含量太高，無(wú)法利用。反應(yīng)產(chǎn)物Al₂O₃可以與鋼渣中的CaO形成CaO-Al₂O₃渣，作為精煉渣使用。

初步還原主要是用金屬鋁將鋼渣中的鐵和磷還原。

初步還原反應(yīng)如下：

3FeO+2Al+CaO＝3Fe+CaO·Al₂O₃………………………………………(1)

Fe₂O₃+2Al+CaO＝2Fe+CaO·Al₂O₃………………………………………(2)

Ca₃(PO₄)₂+3.333Al＝P₂(g)+1.667CaO·Al₂O₃+1.333CaO………………(3)

第二步還原反應(yīng)是用金屬鋁將鋼渣中的錳和硅還原。

第二步還原反應(yīng)如下：

3MnO+2Al+CaO＝3Mn+CaO·Al₂O₃……………………………………(4)

1.5SiO₂+2Al+CaO＝1.5Si+CaO·Al₂O₃…………………………………(5)

進(jìn)一步地，步驟(1)中，初步還原過(guò)程加入金屬鋁的質(zhì)量為所加入液態(tài)鋼渣質(zhì)量的5％至10％。

進(jìn)一步的，步驟(1)和步驟(3)中反應(yīng)器為鋼渣包或鐵水包。

進(jìn)一步地，步驟(3)中，第二步還原中加入金屬鋁的質(zhì)量為初始液態(tài)鋼渣質(zhì)量的5％至9％。

進(jìn)一步的，步驟(1)和步驟(4)中，攪拌方式為機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣體攪拌中的一種或幾種。

進(jìn)一步的，液態(tài)鋼渣的主要化學(xué)成分為：MFe 1％～15％、FeO 3％～15％、Fe₂O₃5％～18％、SiO₂ 8％～14％、CaO 20％～47％、MgO 2％～13％、Al₂O₃ 3％～8％、MnO 1％～4％、P₂O₅ 1％～5％，化學(xué)成分為質(zhì)量百分比。

進(jìn)一步的，熔渣主要成分為CaO：40％～55％，SiO₂：1％～8％，Al₂O₃：30％～45％，MgO：4％～9％，化學(xué)成分為質(zhì)量百分比。

進(jìn)一步的，液態(tài)鋼渣的二元堿度為2～5，二元堿度為CaO與SiO₂質(zhì)量比。

進(jìn)一步的，初步還原后含磷鐵水中磷含量為1％～8％，含量為質(zhì)量百分比。

進(jìn)一步的，硅錳合金中硅含量為45％～75％，錳含量為25％～55％，含量為質(zhì)量百分比。

本發(fā)明提出的方法具有資源利用效率高、產(chǎn)品附加值高、生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，此外，本發(fā)明方法能夠解決鋼渣資源回收率低、產(chǎn)品附加值低的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了液態(tài)鋼渣顯熱的高效利用和鋼渣中的鐵、磷、錳、硅以及熔渣的綜合回收利用。除此之外，本發(fā)明還有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明的鋼渣鋁熱還原生產(chǎn)鐵合金及精煉渣的方法不但充分利用了鋼渣物理熱，而且采用金屬鋁作為還原劑進(jìn)行還原的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，因此不需要消耗其它能源進(jìn)行加熱，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能生產(chǎn)；

(2)本發(fā)明的鋼渣鋁熱還原生產(chǎn)鐵合金及精煉渣的方法可以將鋼渣中的鐵、磷、錳、硅元素生產(chǎn)鐵合金，還原后的熔渣用作精煉渣，實(shí)現(xiàn)鋼渣的全部回收利用，沒(méi)有產(chǎn)生二次廢渣；

(3)本發(fā)明的鋼渣鋁熱還原生產(chǎn)鐵合金及精煉渣的方法具有工藝流程短、操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，具有非常好的經(jīng)濟(jì)效益。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

液態(tài)鋼渣的主要化學(xué)成分的質(zhì)量百分比為：MFe 4.38％、FeO 15.46％、Fe₂O₃9.65％、SiO₂ 10.63％、CaO 46.95％、MgO 4.96％、Al₂O₃ 3.64％、MnO 2.48％、P₂O₅1.85％。。

工藝步驟為如下：將100kg液態(tài)鋼渣和7.8kg金屬鋁裝入第一個(gè)反應(yīng)器即鋼渣包內(nèi)，通過(guò)電磁攪拌10min進(jìn)行初步還原，制備得到含磷鐵水，含磷鐵水沉降在鋼渣包底部，鐵水上層為熔渣；初步還原完成以后，將上層熔渣倒入第二個(gè)反應(yīng)器即鋼渣包內(nèi)，加入7kg金屬鋁通過(guò)電磁攪拌10min進(jìn)行第二步還原，制備硅錳合金，得到的硅錳合金沉降到鋼渣包底部，熔渣在上層；將第二步還原后的上層熔渣澆鑄成塊或?qū)⑷墼苯幼鳛殇撍珶捲?/p>

經(jīng)檢測(cè)得知，含磷鐵水中的磷含量為2.83％，硅錳合金中硅含量為58.4％，錳含量為41.6％。熔渣成分為CaO 54.98％，SiO₂ 2.34％，Al₂O₃ 36.99％，MgO 5.69％。

實(shí)施例2

液態(tài)鋼渣的主要化學(xué)成分的質(zhì)量百分比為：MFe 3.45％、FeO 11.51％、Fe₂O₃17.90％、SiO₂ 13.08％、CaO 42.50％、MgO 4.38％、Al₂O₃ 4.66％、MnO 1.29％、P₂O₅1.23％。

工藝步驟為如下：將100kg液態(tài)鋼渣和9.7kg金屬鋁裝入第一個(gè)反應(yīng)器即鐵水包內(nèi)，通過(guò)機(jī)械攪拌60min進(jìn)行初步還原，制備得到含磷鐵水，含磷鐵水沉降在鐵水包底部，鐵水上層為熔渣；初步還原完成以后，將熔渣倒入第二個(gè)反應(yīng)器即鐵水包內(nèi)，加入8.2kg金屬鋁通過(guò)電磁攪拌40min進(jìn)行第二步還原，制備硅錳合金，得到的硅錳合金沉降到鐵水包底部，熔渣在上層；將第二步還原后的上層熔渣澆鑄成塊或?qū)⑷墼苯幼鳛殇撍珶捲?/p>

經(jīng)檢測(cè)得知，含磷鐵水中的磷含量為1.85％，硅錳合金中硅含量為63.3％，錳含量為36.7％。熔渣成分為CaO 47.52％，SiO2 5.59％，Al2O3 41.99％，MgO 4.90％。

實(shí)施例3

液態(tài)鋼渣的主要化學(xué)成分的質(zhì)量百分比為：MFe 1.34％、FeO 12.86％、Fe₂O₃13.18％、SiO₂ 11.11％、CaO 44.33％、MgO 7.82％、Al₂O₃ 4.54％、MnO 2.67％、P₂O₅2.15％。

工藝步驟為如下：將100kg液態(tài)鋼渣和8.8kg金屬鋁裝入第一個(gè)反應(yīng)器即鐵水包內(nèi)，通過(guò)電磁攪拌60min反應(yīng)進(jìn)行初步還原，制備得到含磷鐵水，含磷鐵水沉降在鐵水包底部，鐵水上層為熔渣；初步還原完成以后，將熔渣倒入第二個(gè)反應(yīng)器即鋼渣包內(nèi)，加入7.3kg金屬鋁通過(guò)電磁攪拌60min進(jìn)行第二步還原，制備硅錳合金，得到的硅錳合金沉降到鋼渣包底部，熔渣在上層；將第二步還原后的上層熔渣澆鑄成塊或?qū)⑷墼苯幼鳛殇撍珶捲?/p>

經(jīng)檢測(cè)得知，含磷鐵水中的磷含量為3.62％，硅錳合金中硅含量為54.3％，錳含量為45.7％。熔渣成分為CaO 48.20％，SiO₂ 4.43％，Al₂O₃ 38.72％，MgO 8.65％。

在實(shí)施例1至實(shí)施例3中，可以將所得的含磷鐵水和硅錳合金用于生產(chǎn)特殊鋼，熔渣作為精煉渣用于生產(chǎn)純凈鋼。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。