本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种涡流卷入石灰石脱除含铜铁水中碳的方法。
背景技术：
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每生产1吨铜会产生2.2吨铜渣，随着炼铜技术的迅速发展，铜渣的堆存量也大大增加。铜渣中含有大量的有价金属元素，而目前对铜渣的利用还集中在单独提铜和单独提铁方面，铜铁元素的同时利用也仅限于铜铁合金。铜铁元素的提取大都采用碳质还原剂还原铜渣中的氧化物和硫化物，为保证还原效果，碳质还原剂大都过量加入，这使得得到的铜铁合金中含有大量的碳，很大程度上降低了合金的利用价值，将含铜铁水用于冶炼含铜抗菌不锈钢需进行脱碳过程。
工业上脱碳的方法有普通吹氧脱碳法和真空脱碳法，虽然脱碳的程度不同，但都为通入氧气与合金中的碳发生反应达到脱碳效果，此方法在铁水炼钢过程中广泛应用。对于含铜铁水，氧气的通入会使铜元素烧损。
O2+[Cu]＝Cu2O
使得相对较低的铜含量进一步降低，而含铜铁水的应用需要保证一定的铜元素含量，马氏体含铜抗菌不锈钢铜元素含量要求为2.5～4.0％，铜含量太低还需在后续过程中加入铜合金，得不偿失。
在工业上固体添加物的加入大都悬浮在熔体表面，难以与熔渣熔池充分接触，添加剂利用率极低，且一些密度较小的添加剂挥发严重，造成非常严重的环境污染。因此，找到一种新的脱碳剂脱除含铜铁水中的碳是非常必要的，不但有效脱除合金中的碳元素，还可以保护合金中的少量有价元素，除此之外，还需一种新的添加方式来提高脱碳剂的利用率。
申请号为201210104356.0的专利提出了一种新型KR脱硫搅拌方法，涉及转炉前铁水炉外脱硫，通过搅拌器的旋转搅动，使铁水表面上的脱硫剂卷入铁水中混合脱硫，但是未涉及脱碳领域。申请号为201510802460.0的专利提出RH强制吹氧脱碳的方法，在真空条件下可将碳含量降到9ppm，但只涉及铁水脱碳，未涉及含铜铁水脱碳。申请号为201510471169.X的专利提出一种氩氧脱碳炉冶炼高碳高猛含量铁水的方法，也未涉及含铜铁水脱碳。申请号为201610144809.0的专利提出一种搅拌卷入煤粉还原铜渣的方法，搅拌形成涡流，有非常好的还原效果，但未涉及脱碳领域。
技术实现要素：
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针对现有固体添加剂加入方式和氧气脱碳的不足，本发明提出了一种涡流卷入石灰石脱除含铜铁水中碳的方法。该方法采用中心搅拌旋转搅动铁水产生漩涡，将粉状的石灰石加入到漩涡中心立刻被漩涡卷入铁水深处，与铁水充分混合并反应，石灰石在高温下迅速分解成氧化钙和CO2，CO2与铁水中的碳发生反应产生CO，且CO2作为弱氧化气体，与铜不发生反应。氧化钙可促进脱磷、脱硅过程的进行，并造渣浮在熔体表面起保护作用。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种涡流卷入石灰石脱除含铜铁水中碳的方法，包括以下步骤：
(1)将含铜铁水导入到感应炉中，保证含铜铁水的温度≥1450℃；
(2)对含铜铁水进行搅拌，形成高径比为0.5～2.5的旋涡；
(3)将石灰石粉末喷入到漩涡中心，喷入过程中，持续进行步骤(2)的搅拌，并保持漩涡温度≥1450℃，石灰石粉末喷吹结束后，继续搅拌20～40min；其中，按质量比，石灰石粉末∶含铜铁水＝(1～4)∶10；
(4)石灰石粉末被漩涡直接卷入铁水内与铁水充分接触并发生反应，得到脱碳后的含铜铁水和熔渣；
(5)脱碳后的含铜铁水和熔渣分层排出。
所述的步骤(1)中，含铜铁水为铜渣加入碳质还原剂还原后得到，含铜铁水温度为1450～1650℃。
所述的步骤(1)中，含铜铁水中含碳质量百分数为2.0～6.0％。
所述的步骤(1)中，含铜铁水中含铜质量百分数为4.68～5.88％。
所述的步骤(1)中，保证含铜铁水的温度≥1450℃的方法为，感应炉自身加热。
所述的步骤(1)中，感应炉包括排渣口和排铁水口，所述的感应炉的一侧的下部设置有排铁水口，在感应炉的另一侧的上部设置有排渣口；
所述的感应炉设置有搅拌桨、搅拌桨升降系统、风罩、烟气净化系统、余热回收系统和洗涤塔；所述的搅拌桨设置在感应炉内部；所述的风罩设置在感应炉的上方，所述的烟气净化系统的入口通过管道与风罩相连，所述的余热回收系统的入口通过管道与烟气净化系统的出口连接，所述的洗涤塔入口通过管道与余热回收系统的出口连接，所述的洗涤塔出口于大气连通；所述的搅拌桨连接有搅拌桨升降系统，用于更换搅拌桨；所述的喷粉设备用于喷吹石灰石粉末。
所述的步骤(2)中，搅拌方式为中心搅拌，调整搅拌桨插入至含铜铁水液面高度的1/3～1/2处，进行中心搅拌，中心搅拌速度为50～200r/min。
所述的步骤(3)中，石灰石粉末喷吹结束后，进行的搅拌为偏心搅拌，偏心搅拌速度为50～200r/min，偏心度为0.1～0.8，目的是使生成的CO2弥散化，与漩涡混合更为充分。
所述的步骤(4)中，脱碳后含铜铁水中含碳质量百分数≤0.2％。
所述的步骤(4)中，脱碳后含铜铁水中含铜质量百分数为Cu：4.67～5.87％。
所述的步骤(4)中，熔渣的主要成分为CaO。
所述的步骤(4)中，得到脱碳后的含铜铁水和熔渣的同时，产生气体，气体主要为剩余的CO2，经由风罩去往烟气净化系统，净化处理后，经余热回收系统回收余热，并通过洗涤塔，用Ca(OH)2溶液进行回收，得到CaCO3沉淀作为石灰石粉末原料返回感应炉中，重新利用。
所述的步骤(5)中，感应炉中，上层为熔渣，下层为脱碳后的含铜铁水，将熔渣从排渣口排出，脱碳后含铜铁水从排铁水口排出。
脱碳原理：
CaCO3＝CaO+CO2(g)
CO2+[C]＝2CO(g)
本发明的有益效果：
(1)通过搅拌方法，搅拌器中心搅拌旋转搅动在铁水中产生漩涡，漩流将喷粉设备加入到铁水表面的石灰石立刻卷入铁水深处，石灰石迅速分解产生CO2，与含铜铁水中的[C]发生反应达到脱碳效果。
(2)CO2为弱氧化气体，在脱碳的同时不会使铜氧化，既达到脱碳的效果，又能避免铜的烧损。
(3)脱碳剂采用较为廉价的石灰石，且搅拌加入，加入的石灰石能迅速混入铁水，反应迅速彻底，工期流程短。
(4)通过加入石灰石可有效降低铁水中碳含量，产生的CO2带来的氧化条件有助于铁水中磷、硅的脱除，使铁水含碳可降到0.2％以下，符合炼钢用铁水需求，且不降低熔体的铜含量。
(5)该方法工艺简单，感应炉添加搅拌系统，投资少，节能环保，成本低廉，具有较高的经济价值。
附图说明：
图1是采用本发明方法的感应炉系统结构示意图，其中：1-排渣口；2-排铁水口；3-搅拌桨；4-搅拌桨升降系统；5-喷粉设备；6-风罩；7-烟气净化系统；8-余热回收系统；9-洗涤塔。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本实施例中所用含铜铁水，具体成分如表1所示。
表1含铜铁水中各元素成分含量(质量分数，％)
本实施例采用的感应炉系统结构示意图见图1。
一种涡流卷入石灰石脱除含铜铁水中碳的方法，包括以下步骤：
(1)取铜渣加入碳质还原剂后，还原得到的含铜铁水，温度为1450℃，质量为20t，加入到感应炉中，控制含铜铁水的温度为1450℃，含铜铁水中含C质量百分数为2.0％，含Cu质量百分数为4.68％；
(2)调整搅拌桨3插入至含铜铁水液面高度的1/3处，对含铜铁水进行中心搅拌，搅拌速度为50r/min，形成高径比为0.5的旋涡；
根据反应需要，通过搅拌桨升降系统4，更换搅拌桨3；
(3)将2t石灰石粉末由喷粉设备5喷入到漩涡中心，持续进行中心搅拌，并通过感应炉，保持漩涡温度为1450℃，石灰石粉末喷吹结束后改为偏心搅拌，偏心度为0.1，偏心搅拌时间为20min，使生成的CO2弥散化，与漩涡混合更为充分；
(4)石灰石粉末被漩涡直接卷入铁水内与铁水充分接触并发生反应，得到脱碳后的含铜铁水和熔渣，剩余的CO2，经由风罩6去往烟气净化系统7，净化处理后，经余热回收系统8回收余热，并通过洗涤塔9，用Ca(OH)2溶液进行回收，得到CaCO3沉淀作为石灰石粉末原料返回感应炉中，重新利用；
(5)感应炉中，上层为熔渣，熔渣的主要成分为CaO，下层为脱碳后的含铜铁水，脱碳后的含铜铁水由排铁水口2排出，熔渣由排渣口l排出，其中，脱碳后含铜铁水中含C质量百分数为0.08％，脱碳后含铜铁水中含Cu质量百分数为4.67％，含P质量分数为0.105％，含Si质量分数为0.215％。
实施例2
本实施例中所用含铜铁水，具体成分如表2所示。
表2含铜铁水中各元素成分含量(质量分数，％)
本实施例采用的感应炉系统结构示意图见图1。
一种涡流卷入石灰石脱除含铜铁水中碳的方法，包括以下步骤：
(1)取铜渣加入碳质还原剂后，还原得到的含铜铁水，温度为1500℃，质量为20t，加入到感应炉中，控制含铜铁水的温度为1500℃，含铜铁水中含C质量百分数为3.2％，含Cu质量百分数为5.06％；
(2)调整搅拌桨3插入至含铜铁水液面高度的1/3处，对含铜铁水进行中心搅拌，搅拌速度为100r/min，形成高径比为1.5的旋涡；
根据反应需要，通过搅拌桨升降系统4，更换搅拌桨3；
(3)将4t石灰石粉末由喷粉设备5喷入到漩涡中心，持续进行中心搅拌，并通过感应炉，保持漩涡温度为1500℃，石灰石喷吹结束后改为偏心搅拌，偏心度为0.3，偏心搅拌时间为30min，使生成的CO2弥散化，与漩涡混合更为充分；
(4)石灰石粉末被漩涡直接卷入铁水内与铁水充分接触并发生反应，得到脱碳后的含铜铁水和熔渣，剩余的CO2，经由风罩6去往烟气净化系统7，净化处理后，经余热回收系统8回收余热，并通过洗涤塔9，用Ca(OH)2溶液进行回收，得到CaCO3沉淀作为石灰石粉末原料返回感应炉中，重新利用；
(5)感应炉中，上层为熔渣，熔渣的主要成分为CaO，下层为脱碳后的含铜铁水，脱碳后的含铜铁水由排铁水口2排出，熔渣由排渣口1排出，其中，脱碳后含铜铁水中含C质量百分数为0.13％，脱碳后含铜铁水中含Cu质量百分数为5.04％，含P质量分数为0.08％，含Si质量分数为0.135％。
实施例3
本实施例中所用含铜铁水，具体成分如表3所示。
表3含铜铁水中各元素成分含量(质量分数，％)
本实施例采用的感应炉系统结构示意图见图1。
一种涡流卷入石灰石脱除含铜铁水中碳的方法，包括以下步骤：
(1)取铜渣加入碳质还原剂后，还原得到的含铜铁水，温度为1550℃，质量为30t，加入到感应炉中，控制含铜铁水的温度为1550℃，含铜铁水中含C质量百分数为4.5％，含Cu质量百分数为5.24％；
(2)调整搅拌桨3插入至含铜铁水液面高度的1/2处，对含铜铁水进行中心搅拌，搅拌速度为150r/min，形成高径比为2.0的旋涡；
根据反应需要，通过搅拌桨升降系统4，更换搅拌桨3；
(3)将9t石灰石粉末由喷粉设备5喷入到漩涡中心，持续进行中心搅拌，并通过感应炉，保持漩涡温度为1550℃，石灰石喷吹结束后改为偏心搅拌，偏心度为0.6，偏心搅拌时间为35min，使生成的CO2弥散化，与漩涡混合更为充分；
(4)石灰石粉末被漩涡直接卷入铁水内与铁水充分接触并发生反应，形成脱碳后的含铜铁水和熔渣，剩余的CO2，经由风罩6去往烟气净化系统7，净化处理后，经余热回收系统8回收余热，并通过洗涤塔9，用Ca(OH)2溶液进行回收，得到CaCO3沉淀作为石灰石粉末原料返回感应炉中，重新利用；
(5)感应炉中，上层为熔渣，熔渣的主要成分为CaO，下层为脱碳后的含铜铁水，脱碳后的含铜铁水由排铁水口2排出，熔渣由排渣口1排出，其中，脱碳后含铜铁水中含C质量百分数为0.10％，脱碳后含铜铁水中含Cu质量百分数为5.23％，含P质量分数为0.11％，含Si质量分数为0.205％。
实施例4
本实施例中所用含铜铁水，具体成分如表4所示。
表4含铜铁水中各元素成分含量(质量分数，％)
本实施例采用的感应炉系统结构示意图见图1。
一种涡流卷入石灰石脱除含铜铁水中碳的方法，包括以下步骤：
(1)取铜渣加入碳质还原剂后，还原得到的含铜铁水，温度为1650℃，质量为20t，加入到感应炉中，控制含铜铁水的温度为1650℃，含铜铁水中含C质量百分数为6.0％，含Cu质量百分数为5.88％；
(2)调整搅拌桨3插入至含铜铁水液面高度的1/2处，对含铜铁水进行中心搅拌，搅拌速度为200r/min，形成高径比为2.5的旋涡；
根据反应需要，通过搅拌桨升降系统4，更换搅拌桨3；
(3)将8t石灰石粉末由喷粉设备5喷入到漩涡中心，持续进行中心搅拌，并通过感应炉，保持漩涡温度为1650℃，石灰石喷吹结束后改为偏心搅拌，偏心度为0.8，偏心搅拌时间为40min，使生成的CO2弥散化，与漩涡混合更为充分；
(4)石灰石粉末被漩涡直接卷入铁水内与铁水充分接触并发生反应，形成脱碳后的含铜铁水和熔渣，剩余的CO2，经由风罩6去往烟气净化系统7，净化处理后，经余热回收系统8回收余热，并通过洗涤塔9，用Ca(OH)2溶液进行回收，得到CaCO3沉淀作为石灰石粉末原料返回感应炉中，重新利用；
(5)感应炉中，上层为熔渣，熔渣的主要成分为CaO，下层为脱碳后的含铜铁水，脱碳后的含铜铁水由排铁水口2排出，熔渣由排渣口1排出，其中，脱碳后含铜铁水中含C质量百分数为0.2％，脱碳后含铜铁水中含Cu质量百分数为5.87％，含P质量分数为0.092％，含Si质量分数为0.165％。