本发明涉及冶金渣综合利用领域，特别提供了一种钢渣铝热还原生产铁合金及精炼渣方法。
背景技术：
钢渣是转炉吹氧脱磷时产生的固体废渣，钢铁企业平均每生产1t钢产生约120～150kg钢渣。钢渣的主要成分是CaO、SiO2和MgO，还含有一定量的金属铁和氧化铁。钢渣碱度较高，含有一定量的自由CaO，本来可以作为烧结配料使用，但是由于钢渣中的磷含量一般为1％～4％，返回烧结使用会加重炉料的磷负荷，导致铁水中的磷超标，限制了钢渣返回炼铁工艺利用。
现有的钢渣处理工艺仅限于回收钢渣中的金属铁，回收铁后的钢渣少部分作为水泥掺加料，大部分长期堆存，不仅占用耕地，而且污染环境。国内外钢渣的处理方法主要是使钢渣尽快粉化，使废金属料与渣分离，降低钢渣中的游离氧化钙，以便尽可能多地回收钢渣中的金属料，提高尾渣的综合利用率。钢渣处理方法可分为热泼法、水淬法、风淬法和热闷法。
(1)钢渣热泼法处理工艺。将液态渣直接泼到渣坑，利用钢渣余热，经喷水冷却后，在热胀冷缩和游离氧化钙水解膨胀作用下，促使钢渣破裂、自解粉化。该方法特点是技术成熟，投资少，游离氧化钙含量较低，但占地大，对环境污染严重。该工艺处理后的钢渣颗粒较大，颗粒内部由于冷却较慢，晶体成型较好，钢渣的胶凝活性较差。
(2)钢渣水淬处理工艺。高温液态钢渣在流出下降过程中，被压力水分割、击碎，再加上高温熔渣遇水急冷收缩产生应力集中而破裂，同时进行了热交换，使熔渣在水幕中进行粒化，通常颗粒较小，晶体成型较差，胶凝活性良好。该工艺流程简单，占地面积少，设备少，但水淬处理率较低，最高水淬处理率为50％。
(3)钢渣风淬处理工艺。将装满液渣的渣盆由行车吊放到侧翻支架上，渣液逐渐倒入中间包后，依靠重力作用，经出渣口从中间包、溜渣槽溜到粒化器前方，被粒化器内喷吹的高速气流击碎，加上表面张力的作用，使击碎的液渣滴收缩凝固成直径为2mm左右的球形颗粒，撒落在水池中。该工艺简单，投资少，一次粒化彻底，用水量少，克服水淬时爆炸的不安全因素。但要求钢渣的流动性好，而由于冶炼工艺的进步造成钢渣粘度增大，风淬处理率越来越低。
(4)钢渣热闷处理工艺。其原理为热熔钢渣冷却至800℃～300℃，装入热闷装置中，喷雾与热渣产生饱和蒸汽，与钢渣中游离氧化钙、游离氧化镁发生水化反应，生成氢氧化钙和氢氧化镁，同时产生体积膨胀使钢渣自解粉化。该工艺特点钢渣粒度小，游离的氧化钙和氧化镁含量低，钢渣中水硬性矿物活性较好，尾渣的利用率可达100％。
在这几种钢渣处理工艺中，钢渣热闷处理工艺是目前应用最广泛的工艺，其主要回收钢渣中的金属铁和回收一部分钢渣显热，尾渣用于建筑材料生产，利用价值低。针对钢渣中磷元素的提取和利用，国内开展了大量研究工作，主要方法有钢渣生产磷肥、化学脱磷及还原脱磷，但都处于实验研究阶段，尚未实现工业化。
本发明为解决上述问题，提出了一种利用铝热还原反应将钢渣中物质生成铁合金及精炼渣的方法，此方法不仅资源利用效率高、成产成本低，还提高了钢渣资源回收率，同时能够实现工业化应用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供了一种钢渣铝热还原生产铁合金及精炼渣的方法，通过在钢渣中引入铝单质，解决了钢渣资源回收率低、产品附加值低的问题，同时实现了液态钢渣显热的高效利用和钢渣中的铁、磷、锰、硅以及熔渣的综合回收利用。
本发明的技术方案是：
一种钢渣铝热还原生产铁合金及精炼渣的方法，包括以下步骤：
(1)将液态钢渣和金属铝按质量比装入第一个反应器内；
(2)通过搅拌进行选择性初步还原，搅拌和还原时间为10～60min，还原是放热反应不需要加热，还原得到的含磷铁水沉降到反应器底部，熔渣密度小浮在含磷铁水上层，产生的部分磷蒸汽冷凝收集，初步还原结束；
(3)将初步还原后的上层熔渣倒入第二个反应器内，加入金属铝进行第二步还原；
(4)在第二步还原的过程中进行搅拌，搅拌和还原时间为10～60min，还原为放热反应不需要加热，得到的硅锰合金沉降到反应器底部，熔渣在上层；
(5)将第二步还原后的上层熔渣浇铸成块或将熔渣直接作为钢水精炼渣。
本发明中还原剂为金属铝，采用金属铝作为还原剂还原钢渣，不但还原反应容易进行，而且反应是放热反应，从而无需额外加热。还原分两步进行，主要是初步反应生产含磷铁水，第二步还原反应生产硅锰合金，提高产品的附加值。如果两步合为一步进行，硅锰合金中磷含量太高，无法利用。反应产物Al2O3可以与钢渣中的CaO形成CaO-Al2O3渣，作为精炼渣使用。
初步还原主要是用金属铝将钢渣中的铁和磷还原。
初步还原反应如下：
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)
第二步还原反应是用金属铝将钢渣中的锰和硅还原。
第二步还原反应如下：
3MnO+2Al+CaO＝3Mn+CaO·Al2O3……………………………………(4)
1.5SiO2+2Al+CaO＝1.5Si+CaO·Al2O3…………………………………(5)
进一步地，步骤(1)中，初步还原过程加入金属铝的质量为所加入液态钢渣质量的5％至10％。
进一步的，步骤(1)和步骤(3)中反应器为钢渣包或铁水包。
进一步地，步骤(3)中，第二步还原中加入金属铝的质量为初始液态钢渣质量的5％至9％。
进一步的，步骤(1)和步骤(4)中，搅拌方式为机械搅拌、电磁搅拌或气体搅拌中的一种或几种。
进一步的，液态钢渣的主要化学成分为：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％，化学成分为质量百分比。
进一步的，熔渣主要成分为CaO：40％～55％，SiO2：1％～8％，Al2O3：30％～45％，MgO：4％～9％，化学成分为质量百分比。
进一步的，液态钢渣的二元碱度为2～5，二元碱度为CaO与SiO2质量比。
进一步的，初步还原后含磷铁水中磷含量为1％～8％，含量为质量百分比。
进一步的，硅锰合金中硅含量为45％～75％，锰含量为25％～55％，含量为质量百分比。
本发明提出的方法具有资源利用效率高、产品附加值高、生产成本低的特点，此外，本发明方法能够解决钢渣资源回收率低、产品附加值低的问题，实现了液态钢渣显热的高效利用和钢渣中的铁、磷、锰、硅以及熔渣的综合回收利用。除此之外，本发明还有以下优点：
(1)本发明的钢渣铝热还原生产铁合金及精炼渣的方法不但充分利用了钢渣物理热，而且采用金属铝作为还原剂进行还原的反应是放热反应，因此不需要消耗其它能源进行加热，从而实现了节能生产；
(2)本发明的钢渣铝热还原生产铁合金及精炼渣的方法可以将钢渣中的铁、磷、锰、硅元素生产铁合金，还原后的熔渣用作精炼渣，实现钢渣的全部回收利用，没有产生二次废渣；
(3)本发明的钢渣铝热还原生产铁合金及精炼渣的方法具有工艺流程短、操作简单、生产成本低的特点，具有非常好的经济效益。
具体实施方式
实施例1
液态钢渣的主要化学成分的质量百分比为：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％。。
工艺步骤为如下：将100kg液态钢渣和7.8kg金属铝装入第一个反应器即钢渣包内，通过电磁搅拌10min进行初步还原，制备得到含磷铁水，含磷铁水沉降在钢渣包底部，铁水上层为熔渣；初步还原完成以后，将上层熔渣倒入第二个反应器即钢渣包内，加入7kg金属铝通过电磁搅拌10min进行第二步还原，制备硅锰合金，得到的硅锰合金沉降到钢渣包底部，熔渣在上层；将第二步还原后的上层熔渣浇铸成块或将熔渣直接作为钢水精炼渣。
经检测得知，含磷铁水中的磷含量为2.83％，硅锰合金中硅含量为58.4％，锰含量为41.6％。熔渣成分为CaO 54.98％，SiO2 2.34％，Al2O3 36.99％，MgO 5.69％。
实施例2
液态钢渣的主要化学成分的质量百分比为：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％。
工艺步骤为如下：将100kg液态钢渣和9.7kg金属铝装入第一个反应器即铁水包内，通过机械搅拌60min进行初步还原，制备得到含磷铁水，含磷铁水沉降在铁水包底部，铁水上层为熔渣；初步还原完成以后，将熔渣倒入第二个反应器即铁水包内，加入8.2kg金属铝通过电磁搅拌40min进行第二步还原，制备硅锰合金，得到的硅锰合金沉降到铁水包底部，熔渣在上层；将第二步还原后的上层熔渣浇铸成块或将熔渣直接作为钢水精炼渣。
经检测得知，含磷铁水中的磷含量为1.85％，硅锰合金中硅含量为63.3％，锰含量为36.7％。熔渣成分为CaO 47.52％，SiO2 5.59％，Al2O3 41.99％，MgO 4.90％。
实施例3
液态钢渣的主要化学成分的质量百分比为：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％。
工艺步骤为如下：将100kg液态钢渣和8.8kg金属铝装入第一个反应器即铁水包内，通过电磁搅拌60min反应进行初步还原，制备得到含磷铁水，含磷铁水沉降在铁水包底部，铁水上层为熔渣；初步还原完成以后，将熔渣倒入第二个反应器即钢渣包内，加入7.3kg金属铝通过电磁搅拌60min进行第二步还原，制备硅锰合金，得到的硅锰合金沉降到钢渣包底部，熔渣在上层；将第二步还原后的上层熔渣浇铸成块或将熔渣直接作为钢水精炼渣。
经检测得知，含磷铁水中的磷含量为3.62％，硅锰合金中硅含量为54.3％，锰含量为45.7％。熔渣成分为CaO 48.20％，SiO2 4.43％，Al2O3 38.72％，MgO 8.65％。
在实施例1至实施例3中，可以将所得的含磷铁水和硅锰合金用于生产特殊钢，熔渣作为精炼渣用于生产纯净钢。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。