一种渣浴还原处理电炉不锈钢渣的方法与流程

本发明属于冶金固体废弃物处理技术领域，特别涉及一种渣浴还原处理电炉不锈钢渣的方法。

背景技术：

不锈钢渣是不锈钢冶炼过程中产生的废渣，包括电炉不锈钢渣和氩氧炉不锈钢渣两种；由于不锈钢渣中含有的Cr⁶⁺具有较强的毒性，不锈钢渣的无害化处理一直备受关注，并成为制约不锈钢行业健康发展的关键问题之一；随着近年来我国不锈钢产量的迅速增长，关于不锈钢渣无害化处理问题也引起了我国不锈钢行业的高度重视，由于电炉不锈钢渣不仅所占不锈钢渣比例大，其中Cr元素含量也显著高于氩氧炉不锈钢渣，因此，电炉不锈钢渣的无害化处理更为重要。

目前不锈钢渣的无害化处理主要有两种工艺路线；其一是湿法处理，即将冷却后的不锈钢细磨制浆后加入处理剂使Cr⁶⁺转化为无害的Cr³⁺；但这种方法的缺点是用水量大，处理成本高，且可能造成二次污染；第二种工艺路线是干法处理，即利用碳质原料或硅铁作为还原剂，在高温下对不锈钢渣进行还原处理，使其中的Cr⁶⁺转化为Cr³⁺或Cr；这种方法理论上可从根本上实现不锈钢渣的无害化，但随着还原过程的进行，不锈钢渣的黏度增加，还原动力学变差，还原反应难以达到预想效果；同时，由于还原温度高及硅铁等还原剂价格昂贵等原因，导致干法处理不锈钢渣的能耗高，成本高；因此，开发经济合理的不锈钢渣处理方法，对促进不锈钢生产和保护环境，具有十分重要的意义。

技术实现要素：

针对电炉不锈钢渣处理技术现状与存在的上述问题，本发明提供一种渣浴还原处理电炉不锈钢渣的方法，通过在熔融状态下加入铝灰进行低温还原，在获得粗合金的同时，降低生产成本，减少环境污染。

本发明的方法按以下步骤进行：

1、将电炉不锈钢渣在钢包炉或感应炉中加热至1400~1500℃形成熔融渣池，然后将铝灰加入到熔融渣池中；铝灰的重量为电炉不锈钢渣和铝灰总重量的17.0~32.0%；

2、将熔融渣池在1400~1500℃保温0.5~1.0h，保温的同时通过钢包炉或感应炉底部吹入氩气搅拌熔融渣池，氩气的压力为0.3~0.4MPa，流量为200~300L/min；

3、保温结束后分别排放出液态合金和尾渣，液态合金凝固后获得Fe-Mn-Cr粗合金。

上述的电炉不锈钢渣按重量百分比含FeO8~22%、MnO2~3%、Cr₂O₃2~10%。

上述方法中选用的铝灰中Al的重量百分比为25~35%。

上述的粗合金按重量百分比含Fe65~75%、Mn7~12%，Cr15~25%。

上述方法中Cr的还原率≥96%。

上述方法中处理每吨电炉不锈钢渣获得0.10~0.25吨Fe-Mn-Cr粗合金。

上述方法主要发生如下化学反应：

3(FeO) + 2[Al] = 3[Fe] + (Al₂O₃) （1）

(Fe₂O₃) + 2[Al] = 2[Fe] + (Al₂O₃) （2）

2(CrO₃) + 2[Al] = (Cr₂O₃) + (Al₂O₃) （3）

(Cr₂O₃) + 2[Al] = 2[Cr] + (Al₂O₃) （4）

3(MnO) + 2[Al] = 3[Mn] + (Al₂O₃) （5）

通过上述反应的发生，使不锈钢渣中铁、锰和铬的氧化物得以还原，并形成Fe-Mn-Cr粗合金。

电炉不锈钢渣成分按重量百分含量，通常含有(CaO+MgO)40~50%、SiO₂20~30%、Al₂O₃5~10%、FeO8~22%、MnO2~3%、Cr₂O₃2~10%、P₂O₅2~5%及少量的S元素；因此，电炉不锈钢渣是典型的多组元氧化物体系，并具有较低的熔化温度；当用碳作为还原剂对熔融不锈钢渣进行还原时，随渣中FeO、MnO、Cr₂O₃等组元的还原，熔渣的黏度增加，还原动力学条件变差，铬的还原反应难以充分进行，因此需要较高的还原温度；当用硅铁作为还原剂时，随还原反应的进行和渣中SiO₂含量的增加，虽然有利于降低熔渣黏度，但硅铁的价格高，将不可避免的产生处理成本问题。

铝灰是电解铝或铸造铝生产工艺中产生的熔渣经冷却加工后的产物，其成分主要为15~35%的金属铝，其余主要是Al₂O₃和SiO₂等氧化物组分，根据来源与成分不同，每吨铝灰价格在数百元左右；当用铝灰替代金硅铁作为还原剂对熔化后电炉不锈钢渣进行渣浴还原时，不仅可解决处理成本问题，随铝灰中原有Al₂O₃和反应产物Al₂O₃的溶解，可随还原反应的进行动态调整熔渣的熔化温度与黏度，保证还原的动力学条件，促进渣中铬的还原；同时，渣中FeO、MnO、Cr₂O₃等组元还原后获得的Fe-Mn-Cr粗合金，具有较高的附加值。

本发明方法的特点在于：用铝灰作为还原剂对电炉不锈钢渣进行熔融还原，是典型的以废治废，可实现固体废弃物的高效利用；同时不仅克服了碳热还原过程中因熔渣返干导致动力学条件差的问题，还可获得高附加值的Fe-Mn-Cr粗合金；此外，这种不锈钢渣处理方法可充分利用熔融不锈钢渣自身携带的物理热，处理成本低，环境污染小。

具体实施方式

本发明实施例中选用的电炉不锈钢渣的成分按重量百分比含(CaO+MgO) 40~50%，SiO₂ 20~30%，Al₂O₃ 5~10%，FeO 8~22%，MnO 2~3%，Cr₂O₃ 2~10%，P₂O₅ 2~5%，余量为杂质。

本发明实施例中选用的铝灰为电解铝灰，其成分按重量百分比含Al 20~30%，Al₂O₃ 30~45%，SiO₂ 4~6%，Na₂O 1~3%，MgO 2~3%，CaO<2.0%，FeO+MnO<1.0%。

本发明实施例中将铝灰加入到熔融渣池中采用的设备为喷粉罐，采用的载气为氮气，通过喷吹加入熔融渣池中。

实施例1

电炉不锈钢渣的成分按重量百分比含CaO 31.0%，MgO 10%，SiO₂ 22.0%，FeO 20.0%，Cr₂O₃ 8.0%， Al₂O₃ 5.0%，P₂O₅ 2.0%，MnO 2.0%；

铝灰的成分按重量百分比含Al 32.5%，Al₂O₃ 31.5%，SiO₂ 28.3%，Na₂O 2.5%，MgO 2.5%，CaO 1.8%，FeO 0.6%，MnO 0.3%；

方法为：

将电炉不锈钢渣在钢包炉中加热至1400℃形成熔融渣池，然后将铝灰加入到熔融渣池中；铝灰的重量为电炉不锈钢渣和铝灰总重量的26.3%；

将熔融渣池在1400℃保温1.0h，保温的同时通过钢包炉或感应炉底部吹入氩气搅拌熔融渣池，氩气的压力为0.3MPa，流量为200L/min；

保温结束后分别排放出液态合金和尾渣，液态合金凝固后获得Fe-Mn-Cr粗合金，按重量百分比含Fe68.1%，Cr22.3%，Mn7.1%，余量为P等杂质；Cr的还原率96%；尾渣运至排渣场处理；

处理每吨电炉不锈钢渣获得0.23吨Fe-Mn-Cr粗合金。

实施例2

电炉不锈钢渣的成分按重量百分比含CaO 36.0%，MgO 12%，SiO₂ 28.0%，FeO 12.0%，Cr₂O₃ 3.0%， Al₂O₃ 5.0%，P₂O₅ 2.0%，MnO 2.0%；

铝灰的成分按重量百分比含Al 32.5%，Al₂O₃ 31.5%，SiO₂ 28.3%，Na₂O 2.5%，MgO 2.5%，CaO 1.8%，FeO 0.6%，MnO 0.3%；

方法为：

将电炉不锈钢渣在感应炉中加热至1450℃形成熔融渣池，然后将铝灰加入到熔融渣池中；铝灰的重量为电炉不锈钢渣和铝灰总重量的17.1%；

将熔融渣池在1450℃保温50min，保温的同时通过钢包炉或感应炉底部吹入氩气搅拌熔融渣池，氩气的压力为0.4MPa，流量为300L/min；

保温结束后分别排放出液态合金和尾渣，液态合金凝固后获得Fe-Mn-Cr粗合金，按重量百分比含Fe70.4%，Cr15.0%，Mn11.9%，余量为P等杂质；Cr的还原率96.2%；

处理每吨电炉不锈钢渣获得0.13吨Fe-Mn-Cr粗合金。

实施例3

电炉不锈钢渣的成分按重量百分比含CaO 31.0%，MgO 10%，SiO₂ 21.0%，FeO 16.5%，Cr₂O₃ 7.5%， Al₂O₃ 8.0%，P₂O₅ 4.0%，MnO 2.0%；

采用的还原剂为电解铝灰，其成分按重量百分比含Al32.5%，Al₂O₃31.5%，SiO₂27.4%，Na₂O2.5%，MgO2.0%，CaO1.8%，FeO0.5%，MnO0.2%；

方法为：

将电炉不锈钢渣在钢包炉中加热至1500℃形成熔融渣池，然后将铝灰加入到熔融渣池中；铝灰的重量为电炉不锈钢渣和铝灰总重量的25.2%；

将熔融渣池在1500℃保温40min，保温的同时通过钢包炉或感应炉底部吹入氩气搅拌熔融渣池，氩气的压力为0.4MPa，流量为300L/min；

保温结束后分别排放出液态合金和尾渣，液态合金凝固后获得Fe-Mn-Cr粗合金，按重量百分比含Fe63.6%，Cr25.1%，Mn7.9%，余量为P等杂质；Cr的还原率97.6%；

处理每吨电炉不锈钢渣获得0.20吨Fe-Mn-Cr粗合金。

实施例4

电炉不锈钢渣的成分按重量百分比含CaO 31.0%，MgO 10%，SiO₂ 21.0%，FeO 16.5%，Cr₂O₃ 7.5%， Al₂O₃ 8.0%，P₂O₅ 4.0%，MnO 2.0%；

铝灰的成分按重量百分比含Al 32.0%，Al₂O₃ 31%，SiO₂ 28.3%，Na₂O 2.5%，MgO 3.5%，CaO 1.8%，FeO 0.6%，MnO 0.3%；

方法为：

将电炉不锈钢渣在感应炉中加热至1450℃形成熔融渣池，然后将铝灰加入到熔融渣池中；铝灰的重量为电炉不锈钢渣和铝灰总重量的26.5%；

将熔融渣池在1450℃保温0.5h，保温的同时通过钢包炉或感应炉底部吹入氩气搅拌熔融渣池，氩气的压力为0.35MPa，流量为250L/min；

保温结束后分别排放出液态合金和尾渣，液态合金凝固后获得Fe-Mn-Cr粗合金，按重量百分比含Fe67.8%，Cr21.6%，Mn7.4%，余量为P等杂质；Cr的还原率97.4%；

处理每吨电炉不锈钢渣获得0.22吨Fe-Mn-Cr粗合金。

实施例5

电炉不锈钢渣的成分按重量百分比含CaO 31.0%，MgO 10%，SiO₂ 21.0%，FeO 16.5%，Cr₂O₃ 7.5%， Al₂O₃ 8.0%，P₂O₅ 4.0%，MnO 2.0%；

铝灰的成分按重量百分比含Al 26.0%，Al₂O₃ 36.5%，SiO₂ 29.5%，Na₂O 3.0%，MgO 2.5%，CaO 1.7%，FeO 0.4%，MnO 0.4%；

方法为：

将电炉不锈钢渣在感应炉中加热至1500℃形成熔融渣池，然后将铝灰加入到熔融渣池中；铝灰的重量为电炉不锈钢渣和铝灰总重量的31%；

将熔融渣池在1500℃保温40min，保温的同时通过钢包炉或感应炉底部吹入氩气搅拌熔融渣池，氩气的压力为0.3MPa，流量为250L/min；

保温结束后分别排放出液态合金和尾渣，液态合金凝固后获得Fe-Mn-Cr粗合金，按重量百分比含Fe67.6%，Cr21.6%，Mn7.7%，余量为P等杂质；Cr的还原率97.5%；

处理每吨电炉不锈钢渣获得0.25吨Fe-Mn-Cr粗合金。