電弧爐冶煉硅鈣合金的工藝分析

電弧爐冶煉硅鈣合金的工藝分析

目前，金川有色金屬公司每年處理40萬噸精煉渣，其中黃金含量為16萬噸。硫、氮含量為16萬噸，銅含量為0.8萬噸，co含量為0.4萬噸。可回收的金屬量為18萬噸，每天硫酸鈉含量為幾十噸。因此，合理利用廢物已成為主要問題。本文針對鎳渣成分的特點(diǎn),以生石灰為配料,利用焦炭和木炭作為還原劑來回收硅鈣合金,屬于資源的再利用,具有耗能少、成本低、經(jīng)濟(jì)效率高等優(yōu)點(diǎn)。硅鈣合金在煉鋼工業(yè)上可以用作有效的脫氧劑、脫硫劑和增溫劑,是煉鋼中一種很理想的、兼具脫氧脫硫能力的復(fù)合脫氧劑[1~3]。但是硅鈣合金比較難煉,長期以來,我國硅鈣生產(chǎn)一直處于周期短、指標(biāo)差、經(jīng)濟(jì)效益欠佳的狀況,其難點(diǎn)在于硅和鈣的碳化物及其未還原的氧化物易積存于爐底,造成爐底上漲,被迫停爐[4~6]。本文在生產(chǎn)工藝上采用自制的小型直流電弧爐,爐底溫度較高,可以使生成的碳化物分解,避免了交流電弧爐生產(chǎn)過程中存在的爐底上漲的問題,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。1測試1.1鎳渣全石化學(xué)成分采用金川公司的鎳渣為原料,生石灰(CaO含量>90%)為配料,以焦炭(C含量>85%)和木炭作為還原劑,利用工業(yè)水玻璃(模數(shù)3.2)進(jìn)行造粒,粒度直徑約為3mm左右,采用混合加料法在自制的小型直流電弧爐中進(jìn)行冶煉。鎳渣及主要礦物原料的化學(xué)成分如表1所示。鎳渣中的SiO2含量較高,再加入生石灰為配料,利用焦炭和木炭進(jìn)行還原回收。1.2用于料面燃燒的用市場根據(jù)硅鈣合金生產(chǎn)過程固有的特點(diǎn),操作工藝基本上采用連續(xù)或定期下料燜燒法。具體操作如下:(1)預(yù)先在陽極爐底加入少量的混合料,并保證混合料不影響電極引弧,然后下電極引弧,給電提溫;(2)在電極周圍加入附加鎳渣,以使鎳渣熔化下去破壞爐底碳化物,鎳渣的導(dǎo)電性差且電阻大,可穩(wěn)定電極保持下插;(3)立即加入配炭量超過20%~30%的混合料,進(jìn)行燜燒提溫;(4)燜燒過程中,漸次在火焰較多處添加新料并撒些煙煤,幫助料面燒結(jié),延長燜燒時間;(5)一直燜燒到料面化薄,即將塌料前,再如(2)~(4)操作一次,直到出合金;(6)合金出爐和澆注:為了保證爐況正常,合金要定時出爐,出合金時要用圓鋼經(jīng)常穿透出口,使合金順利流出,防止堵眼影響再次開爐。本研究采用一臺額定電流為1000A、輸出電壓為66V的直流多站弧焊電源,串聯(lián)三臺五級可調(diào)電阻箱組裝成為一臺外特性斜率可分級調(diào)節(jié)的小型直流電弧爐電源。對三臺五級電阻箱的各級電阻進(jìn)行測量得到電阻值的數(shù)據(jù)(第三組的第一級電阻被損壞)如表2。當(dāng)只有一臺電阻箱的第一級電阻(阻值為2.2Ψ)閉合時,有最小電流值Imin=66/2.2=30A,當(dāng)所有電阻都閉合上時,有最大電流,除損壞的一級電阻外,其它電阻并聯(lián)后的總電阻值通過計算為0.0507Ψ,所以Imax=66/0.0507=1301A。直流電弧爐工作時電弧電壓一般在30~40V之間,當(dāng)電弧電壓為30V時,電流的可調(diào)節(jié)范圍計算如下:I1=36/(66/30)=16A,I2=36/(66/1301)=710A;當(dāng)電弧電壓為40V時,電流的可調(diào)節(jié)范圍計算如下:I3=26/(66/30)=12A,I4=26/(66/1301)=512A。所以在電弧電壓為30~40V時電弧電流可調(diào)節(jié)范圍如圖1中的陰影部分。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1混合法工藝上的缺陷為了得到相對穩(wěn)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù),我們采用了不同的混合料配比進(jìn)行多次試驗(yàn),前兩次采用的鎳渣、生石灰和還原劑的質(zhì)量比分別為3.3∶1.2∶1.4(樣品1)和3.3∶1.2∶1.8(樣品2)。利用德國D8ADVANC型X射線衍射分析儀對樣品1和樣品2做了XRD分析,見圖2。從圖2可以看到樣品1除了有CaSi、Fe0.905Si0.095外還存在CrFe4,樣品2含有CaSi和Fe3Si。樣品1之所以生成了CrFe4,原因可能有兩個:在配料過程中由于原料鎳渣不純而引入的雜質(zhì)造成的;在造粒時加入的水玻璃不純而引入的雜質(zhì)造成的。而樣品2是由于原料鎳渣中有部分氧化鐵存在,在還原劑作用下生成的鐵和碳化物發(fā)生了如下反應(yīng):爐渣中CaO、SiO2和SiC可在較低溫度下分解熔化,促進(jìn)了電極深插和爐溫的提高,避免了爐渣積存,鐵又和硅反應(yīng)生成硅鐵化合物。在整個冶煉過程中反應(yīng)區(qū)沒有形成充分的埋弧,使得原料中的硅有一部分以氧化物(SiO)的形式揮發(fā)到空氣中,而鈣形成電石(CaC2)遇水后放出乙炔氣體,大量燒失,都會減少樣品中硅和鈣的含量[7~11]。在混合法冶煉合金過程中主要發(fā)生反應(yīng)為:由于反應(yīng)⑤的理論還原溫度為1702℃,即溫度大于1702℃時反應(yīng)才能進(jìn)行,但是由于爐料中SiO2和CaO會在低溫下先發(fā)生反應(yīng)③和④,形成高熔點(diǎn)的SiC(熔點(diǎn)2540℃)、CaC2(熔點(diǎn)2300℃)和2CaO·SiO2(熔點(diǎn)2130℃),大量高熔點(diǎn)爐渣降低了它們的活度和反應(yīng)區(qū)的溫度[12~15],使反應(yīng)⑤難以進(jìn)行。為了提高反應(yīng)區(qū)溫度,必須提高爐渣的熔點(diǎn),應(yīng)加入過量的還原劑促使生成的碳化物熔入爐渣,提高爐渣熔點(diǎn),以保證反應(yīng)⑤所需的條件,所以樣品3選擇混合料的配比為鎳渣∶生石灰∶還原劑=3.3∶1.5∶2.2,其中增加了生石灰和還原劑的用量,原因是鈣的損失也較大。同時在操作工藝上進(jìn)行改進(jìn)形成完全的埋弧。交流電弧爐的爐底無電流通過,所以爐渣難以熔化分解,而本試驗(yàn)采用的是直流電弧爐,爐底陽極有大電流通過熔渣,這樣使得在爐底低溫區(qū)結(jié)晶出來的的碳化物分解,并且發(fā)生反應(yīng)生成硅鈣合金,發(fā)生的反應(yīng)為:根據(jù)以上所得經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行冶煉得到樣品3,從圖2中可以看到樣品3中含有CaSi和Fe3Si,CaSi的衍射峰較高,而且在2θ=31°的地方多了一個CaSi的衍射峰,說明樣品中Ca和Si的含量比樣品2有所增加。2.2酸性炭系數(shù)對半堿減量的影響由于還原劑對整個冶煉過程有很大的影響,所以對其加入量進(jìn)行了進(jìn)一步的研究,采用配方3,在此配方的基礎(chǔ)上利用過剩炭系數(shù)分別為1.1、1.3和1.5進(jìn)行冶煉,得到燜燒時間和樣品產(chǎn)量與過剩炭系數(shù)的關(guān)系,如圖3所示。從圖3可以看出,隨著過剩炭系數(shù)的增加,合金冶煉的燜燒時間(指從加料開始形成埋弧到料面開始塌陷為止)逐漸縮短,而樣品產(chǎn)量則呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,其原因是因?yàn)檫€原劑的增多使得上反應(yīng)⑤加速進(jìn)行,并且原料消耗快,所以燜燒時間逐漸降低;增加還原劑雖然能使反應(yīng)充分,但再增加還原劑會使生成的碳化物過多,雖然在爐底能熔化分解一部分,但會影響樣品的產(chǎn)量,所以樣品產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,因此還原劑并不是越多越好。3鎳渣生石灰還原劑對產(chǎn)物表達(dá)的影響(1)利用自制的小型直流電弧爐和混合加料法冶煉硅鈣合金,當(dāng)鎳渣∶生石灰∶還原劑=3.3∶1.2∶1.4時,產(chǎn)物中得到了CaSi和Fe0.905Si0.095;當(dāng)鎳渣∶生石灰∶還原劑=3.3∶1.5∶2.2時,產(chǎn)物中得到了Fe3Si和CaSi。(2)由于原料鎳渣中存在鐵質(zhì)材料,可在低溫下與爐渣中的SiC、CaO和SiO2發(fā)生反