一种利用电弧炉处理不锈钢除尘灰的方法与流程

本发明属于冶金固废资源化应用技术领域，具体涉及一种利用电弧炉处理不锈钢除尘灰的方法。

背景技术：

不锈钢除尘灰是在不锈钢冶炼过程中由各种除尘设备收集而来的混合物。不锈钢除尘灰因含有大量镍、铬、铁等元素而具有很大的回收价值，同时因含有大量的重金属离子而对环境产生危害，特别是其中含有的cr⁶⁺，毒性极大，导致不锈钢除尘灰被界定为有毒废弃物，处理难度大。随着我国不锈钢产能的不断扩大，不锈钢除尘灰积累量剧增，如何安全高效地消化不锈钢除尘灰成为不锈钢生产企业面对的一项重大难题。

目前，通常将不锈钢除尘灰压制成球，然后通过高位料仓投入矿热炉或电炉中，除尘灰球首先溶解于炉渣之中，通过渣-金反应将除尘灰中的镍、铬、铁等有价元素还原，并将剧毒的cr⁶⁺处理成无毒的cr³⁺。该方法虽然解决了除尘灰的利用问题，但是工序复杂，增加了工序成本，而且球状除尘灰加入矿热炉或电炉的反应动力学条件差，渣-金之间难以达到平衡状态，导致除尘灰的收得率低，炉渣中的cr2o3含量高，硅铁等还原剂的消耗量大；此外造球过程和运输过程中均存在二次污染问题。

技术实现要素：

为了解决不锈钢除尘灰的安全高效利用问题，本发明提供一种利用电弧炉处理不锈钢除尘灰的新方法，在冶炼不锈钢母液或镍铬铁合金的电弧炉炉壁上安装三层套管式喷枪，喷枪的出口位于留钢液面和冶炼液面之间，利用该喷枪将细粉状的不锈钢除尘灰和碳粉喷入电弧炉熔池内，在钢液内部完成除尘灰的快速还原，大幅提高除尘灰的收得率，同时强化熔池搅拌，降低终渣的cr2o3和feo含量。

本发明的技术方案为：

一种利用电弧炉处理不锈钢除尘灰的方法，包括以下步骤：

（1）在电弧炉炉壁上安装三层套管式喷枪，喷枪的出口位于留钢液面和冶炼液面之间；所述喷枪包括中心通道、第一环缝通道和第二环缝通道；

（2）在利用电弧炉冶炼不锈钢母液或镍铬铁合金的过程中，所述中心通道分阶段喷吹碳粉、碳粉与不锈钢除尘灰细粉的混合粉剂，第一环缝通道喷吹氧气，第二环缝通道喷吹保护气体；实现不锈钢除尘灰的熔融和还原，完成不锈钢除尘灰的处理。

本发明在喷枪出口附近形成高温高碳的反应区，所述方法适用于30~300吨的冶炼不锈钢母液或镍铬铁合金的电弧炉，优选的，所述三层套管式喷枪的数量为1～5支；不锈钢除尘灰细粉的粒度为50～200目。

本发明中，分阶段喷吹碳粉、碳粉与不锈钢除尘灰细粉的混合粉剂的步骤包括：

（1）在电弧炉的废钢熔化阶段，中心通道喷吹第一载气和碳粉，第一环缝通道喷吹氧气，第二环缝通道喷吹第一保护气体；向炉内补充碳和热量，加快废钢熔化；

（2）在熔融还原阶段，中心通道喷吹第二载气、碳粉与不锈钢除尘灰细粉的混合粉剂，第一环缝通道喷吹氧气，第二环缝通道喷吹第二保护气体；利用喷枪出口附近的高温高碳气氛，实现除尘灰的快速还原；

（3）在最终还原阶段，中心通道喷吹第三载气和碳粉，第一环缝通道喷吹氧气，第二环缝通道喷吹第三保护气体；强化熔池搅拌，进一步还原渣中的cr2o3和feo；

（4）在非吹炼阶段，中心通道、第一环缝通道和第二环缝通道都喷吹氮气。

优选的，所述熔融还原阶段开始的条件是：电弧炉内的废钢全部熔清，熔池温度高于1550℃，熔池碳含量高于0.5%；在所述的熔融还原阶段，中心通道的固气比为3~10；中心通道碳粉、中心通道不锈钢除尘灰细粉与第一环缝氧气之间的质量流量比值为(30～50)∶100∶(20～40)；所述第一载气为一氧化碳、氢气、氮气、甲烷和丙烷中的任意一种或任意两种以上的混合气体；所述第二载气为一氧化碳、氢气、氮气、甲烷和丙烷中的任意一种或任意两种以上的混合气体；所述第三载气为一氧化碳、氢气、氮气、甲烷和丙烷中的任意一种或任意两种以上的混合气体；所述第一保护气体为气态碳氢化合物和氮气中的任意一种或其混合气体，所述第二保护气体为气态碳氢化合物，所述第三保护气体为气态碳氢化合物和氮气中的任意一种或其混合气体；所述电弧炉出钢后，喷枪出口裸露出液面，通过前后倾动电弧炉，使炉渣间歇性地覆盖喷枪出口。利用喷枪喷吹氮气的冷凝效果使炉渣粘附在喷枪周围，保护喷枪及其周围耐火材料。

本发明的原理是：（1）冶炼不锈钢母液的电弧炉熔池温度一般为1500~1650℃，熔池碳含量一般低于1%，而不锈钢除尘灰的熔点高，在电弧炉熔池内溶解慢，还原效率低，本发明利用三层套管式喷枪的第一环缝通道喷吹氧气，在喷枪出口附近形成2000℃以上的高温区，中心通道喷入的碳粉和第二环缝通道喷入的碳氢化合物都将导致喷枪出口附近的碳含量升高，在喷枪出口附近的高温高碳区域内，粉状不锈钢除尘灰迅速变为熔融态，并被碳还原，喷粉的载气和气态碳氢化合物裂解出的氢气有助于降低还原产物co的分压，进一步促进碳对不锈钢粉尘中氧化物的还原。（2）三层套管式喷枪的出口位于钢液面下方，将气体和粉剂直接喷入熔池内部，增强了熔池搅拌，加快了渣-金反应平衡，有助于进一步降低炉渣中的cr2o3和feo含量。

本发明的有益效果是：（1）高效率低成本地将不锈钢除尘灰中的铬氧化物、镍氧化物、铁氧化物还原至电弧炉冶炼的不锈钢母液或镍铬铁合金中，实现了有价元素的回收利用，铬、镍、铁的还原率均超过90%；（2）不锈钢除尘灰中未被还原的成分进入电弧炉炉渣中，将难处理的危险废弃物转变成了易处理的电弧炉炉渣；（3）在最终还原阶段喷吹碳粉还原炉渣中的cr2o3，减少了硅铁等还原剂的消耗，进一步降低了生产成本；（4）采用三层套管式喷枪，将碳粉、不锈钢除尘灰等粉剂与氧气分隔开，通过不同通道分别喷吹，保证了生产过程的安全性。

附图说明

图1为本发明的电弧炉喷枪安装示意图和喷枪结构示意图；

图中：1、电弧炉，2、电弧炉炉壁，3、留钢液面，4、冶炼液面，5、三层套管式喷枪，5-1、喷枪的中心通道，5-2、喷枪的第一环缝通道，5-3、喷枪的第二环缝通道。

具体实施方式

利用电弧炉处理不锈钢除尘灰的方法，包括以下步骤，在融化阶段，加入第一载气、碳粉、氧气、第一保护气体；在熔融还原阶段，加入第二载气、不锈钢除尘灰、碳粉、氧气、第二保护气体；在最终还原阶段，加入第三载气、碳粉、氧气、第三保护气体；完成不锈钢除尘灰的处理；以上步骤都在电弧炉中进行。

本发明在电弧炉中处理不锈钢除尘灰，仅使用碳粉，无需其他固体物的添加，在保护气体以及载气的作用下，高效率低成本地将不锈钢除尘灰中的铬氧化物、镍氧化物、铁氧化物还原至电弧炉冶炼的不锈钢母液或镍铬铁合金中，实现了有价元素的回收利用。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

本发明利用三层套管式喷枪向电弧炉中加入载气、碳粉、保护气体或者不锈钢除尘灰、氧气，具体的，参见附图1，在电弧炉1炉壁2上安装三层套管式喷枪5，喷枪的出口位于留钢液面3和冶炼液面4之间，喷枪为现有产品，包括中心通道5-1、第一环缝通道5-2和第二环缝通道5-3；在冶炼不锈钢母液或镍铬铁合金的过程中，中心通道分阶段喷吹碳粉、碳粉与不锈钢除尘灰细粉的混合粉剂，第一环缝通道喷吹氧气，第二环缝通道喷吹保护气体，在喷枪出口附近形成高温高碳的反应区，加快不锈钢除尘灰的熔融和还原；本发明处理的不锈钢除尘灰的粒度为50～200目。

实施例1

本发明应用在公称容量为100t的冶炼不锈钢母液的电弧炉上，该电弧炉以不锈钢废钢、碳钢废钢、铬铁合金、镍铁合金、脱磷铁水等为主要原料，经过常规的配料和熔炼，为aod转炉提供成分、重量及温度合适的不锈钢母液，为现有技术；电弧炉安装有两支一样的三层套管式喷枪，分别对称布置在电弧炉炉门两侧，喷枪的出口位于留钢液面和冶炼液面之间，喷枪的中心通道直径为14mm，第一环缝通道宽度为2mm，第二环缝通道宽度为1mm。

不锈钢除尘灰为电弧炉和aod转炉除尘系统捕集到的烟尘，按质量百分数，除尘灰中t.fe含量约为46%，ni含量约为0.8%，cr含量约为9%；利用现有气力输送的方式将不锈钢除尘灰细粉输送至电弧炉喷粉系统的储料仓内。

本实施例的具体吹炼步骤如下：

（1）在电弧炉加料之前，炉内液面高度为出钢液面，此时喷枪出口处于裸露状态，喷枪的中心通道喷吹氮气，流量为100nm³/h，第一环缝通道喷吹氮气，流量为50nm³/h，第二环缝通道喷吹氮气，流量为40nm³/h；

（2）在电弧炉加料过程中，炉内液面上涨，为避免喷枪堵塞，喷枪的中心通道喷吹氮气，流量为300nm³/h，第一环缝通道喷吹氮气，流量为200nm³/h，第二环缝通道喷吹氮气，流量为60nm³/h；

（3）加料完成，开始冶炼，在废钢等原料熔化阶段，喷枪的中心通道以氮气为载气喷吹碳粉，氮气流量为400nm³/h，碳粉流量为40kg/min，第一环缝通道喷吹氧气，流量为400nm³/h，第二环缝通道喷吹天然气，流量为60nm³/h；

（4）待废钢全部熔清，熔池温度达到1550℃以上，熔池碳含量达到0.5wt%以上时，吹炼进入熔融还原阶段，喷枪的中心通道以氮气为载气喷吹不锈钢除尘灰细粉和碳粉，氮气流量为400nm³/h，不锈钢除尘灰流量为30kg/min，碳粉流量为10kg/min，第一环缝通道喷吹氧气，流量为300nm³/h，第二环缝通道喷吹天然气，流量为60nm³/h；

（5）熔融还原阶段持续15min，熔池温度达到1650摄氏度，吹炼进入最终还原阶段，喷枪的中心通道以氮气为载气喷吹碳粉，氮气流量为400nm³/h，碳粉流量为40kg/min，第一环缝通道喷吹氧气，流量为300nm³/h，第二环缝通道喷吹天然气，流量为60nm³/h；

（6）最终还原阶段持续5min，测温取样出钢，得到利用不锈钢除尘灰制备的电弧炉不锈钢液，出钢过程中喷枪的中心通道喷吹氮气，流量为300nm³/h，第一环缝通道喷吹氮气，流量为200nm³/h，第二环缝通道喷吹氮气，流量为60nm³/h；

（7）出钢后，炉内液面高度恢复为出钢液面，喷枪出口裸露，通过前后倾动电弧炉，使炉渣间歇性地覆盖喷枪出口，利用喷枪喷吹氮气的冷凝效果使炉渣粘附在喷枪周围，保护喷枪及其周围耐火材料。

需要说明的是，上述吹炼步骤中的流量数值为每支喷枪的喷吹流量，以上步骤依次进行。

采用本发明后，每炉次可处理约900kg不锈钢除尘灰，根据现场采集，除尘灰中铬元素的回收率可达92%，镍元素的回收率可达98%，铁元素的回收率可达97%，电弧炉冶炼终点炉渣的cr2o3含量下降2%。

采用以上同样的方法，分别处理10炉次不锈钢除尘灰，发现每炉次结果波动小，除尘灰中铬元素、镍元素、铁元素的回收率相差在3%以内，电弧炉冶炼终点炉渣的cr2o3含量下降相差在2%以内。

实施例2

本发明应用在公称容量为50t的冶炼不锈钢母液的电弧炉上，该电弧炉以不锈钢废钢、碳钢废钢、铬铁合金、镍铁合金等为主要原料，经过常规配料和熔炼，为aod转炉提供成分、重量及温度合适的不锈钢母液，电弧炉安装有一支三层套管式喷枪，布置在电弧炉炉门右侧，喷枪的出口位于留钢液面和冶炼液面之间，喷枪的中心通道直径为16mm，第一环缝通道宽度为2mm，第二环缝通道宽度为1mm。

不锈钢除尘灰为电弧炉和aod转炉除尘系统捕集到的烟尘，按质量百分数，除尘灰中t.fe含量约为48%，ni含量约为0.9%，cr含量约为10%，利用气力输送的方式将不锈钢除尘灰细粉输送至电弧炉喷粉系统的储料仓内。

本实施例的具体吹炼步骤如下：

（1）在电弧炉加料之前，炉内液面高度为出钢液面，此时喷枪出口处于裸露状态，喷枪的中心通道喷吹氮气，流量为100nm³/h，第一环缝通道喷吹氮气，流量为50nm³/h，第二环缝通道喷吹氮气，流量为50nm³/h；

（2）在电弧炉加料过程中，炉内液面上涨，为避免喷枪堵塞，喷枪的中心通道喷吹氮气，流量为400nm³/h，第一环缝通道喷吹氮气，流量为300nm³/h，第二环缝通道喷吹氮气，流量为80nm³/h；

（3）加料完成，开始冶炼，在废钢熔化阶段，喷枪的中心通道以氮气为载气喷吹碳粉，氮气流量为500nm³/h，碳粉流量为50kg/min，第一环缝通道喷吹氧气，流量为400nm³/h，第二环缝通道喷吹氮气，流量为100nm³/h；

（4）待废钢全部熔清，熔池温度达到1550℃以上，熔池碳含量达到0.5%以上时，吹炼进入熔融还原阶段，喷枪的中心通道以氮气为载气喷吹不锈钢除尘灰细粉和碳粉，氮气流量为500nm³/h，不锈钢除尘灰细粉流量为42kg/min，碳粉流量为14kg/min，第一环缝通道喷吹氧气，流量为400nm³/h，第二环缝通道喷吹天然气，流量为80nm³/h；

（5）熔融还原阶段持续12min，熔池温度达到1650摄氏度，吹炼进入最终还原阶段，喷枪的中心通道以氮气为载气喷吹碳粉，氮气流量为400nm³/h，碳粉流量为40kg/min，第一环缝通道喷吹氧气，流量为300nm³/h，第二环缝通道喷吹氮气，流量为100nm³/h；

（6）最终还原阶段持续5min，测温取样出钢，出钢过程中喷枪的中心通道喷吹氮气，流量为400nm³/h，第一环缝通道喷吹氮气，流量为300nm³/h，第二环缝通道喷吹氮气，流量为80nm³/h；

（7）出钢后，炉内液面高度恢复为出钢液面，喷枪出口裸露，通过前后倾动电弧炉，使炉渣间歇性地覆盖喷枪出口，利用喷枪喷吹氮气的冷凝效果使炉渣粘附在喷枪周围，保护喷枪及其周围耐火材料。

采用本发明后，每炉次可处理约500kg不锈钢除尘灰，除尘灰中铬元素的回收率可达91%，镍元素的回收率可达97%，铁元素的回收率可达98%，电弧炉冶炼终点炉渣的cr2o3含量下降1.8%。

对比例

采用实施例2的电弧炉、冶炼原料以及不锈钢除尘灰，将其中的步骤（4）修改，其余不变，具体如下：

（4）待废钢全部熔清，熔池温度达到1500℃以上，熔池碳含量达到0.3wt%时，吹炼进入熔融还原阶段，喷枪的中心通道以氮气为载气喷吹不锈钢除尘灰细粉和碳粉，氮气流量为500nm³/h，不锈钢除尘灰细粉流量为42kg/min，碳粉流量为8kg/min，第一环缝通道喷吹氧气，流量为400nm³/h，第二环缝通道喷吹天然气，流量为80nm³/h。由于熔融还原阶段的初始温度降低、初始碳含量降低，且喷吹碳粉的流量较小，导致熔池内热量不足、还原剂不足，除尘灰还原的热力学条件变差，一部分除尘灰因缺乏还原剂而无法被有效地还原，除尘灰中铬元素的回收率仅为62%，镍元素的回收率仅为71%，铁元素的回收率仅为82%；此外，由于碳粉喷入量的减少，电弧炉冶炼的化学能减少，耗电量增加9kwh/t钢。

向电弧炉内喷吹除尘灰的方法，目前是没有的，现有的是将除尘灰和别的料混合压成球，扔进电弧炉。工序复杂，增加了工序成本，而且球状除尘灰加入矿热炉或电炉的反应动力学条件差，渣-金之间难以达到平衡状态，导致除尘灰的收得率低，炉渣中的cr2o3含量高，硅铁等还原剂的消耗量大；此外造球过程和运输过程中均存在二次污染问题。

不锈钢除尘灰重金属种类较多，其中有回收价值的主要是铁铬镍，这些金属元素都以氧化物或者符复合氧化物的形式存在，都是有毒重金属元素，尤其是六价铬，现有技术大都采用还原的方法处理不锈钢除尘灰，存在前期处理复杂、能耗大、炉内耐火材料损坏等问题，尤其是金属回收波动大，本发明创造性的将不锈钢除尘粉直接加入电弧炉中，无需造球、也不改变原料比例，在冶炼过程中实现不锈钢除尘灰的还原，稳定、高效的回收铁铬镍，且对耐火材料有保护作用，尤其是本发明无需外加金属还原剂，通过工艺的控制，解决了现有电弧炉由于冶炼环境复杂、影响因素多而不适用于不锈钢除尘灰还原的技术问题，关键的，本发明还原产物无需再次冶炼，仅采用一步反应实现整个冶炼过程，为真正的直接还原，即通过一步还原直接使有价金属回到不锈钢中，无需另加设备。