专利名称:硼镁铁矿直接制取硼铁的方法
一种以电炉为主要设备制取硼铁的冶炼方法。
如众所周知，微量的硼(0.01-0.003%)加入钢中可显著提高钢的淬透性及钢材的综合性能，加入某些特殊钢及铸铁里的硼(0.1～0.01%)，可极大地提高耐磨强度，机械强度及硬度〔1〕加入以Fe、Co、Ni为基的非晶态合金少量硼可明显改善非晶态性能。永磁材料钕铁硼合金加入少量硼形成稳定的四方相结构可提高磁能级合金元素硼的加入是以硼铁的形式加到钢，铸铁中或合金材料中。硼铁在国外都是以硼酐，铁精矿(或铁鳞)为原料用铝热法，电铝热法，碳热还原法生产的〔2〕。硼的利用率为50～60%，据日本介绍的硼铁操作实例，每生产1吨硼铁，需硼酐〔B2O3〕1100公斤，Al1120公斤，轧钢铁皮1100公斤，氯酸钾168公斤〔3〕。我国仅有辽阳铁合金厂用炉外铝热法还原硼酐〔B2O3〕(或硼酸)及铁鳞，生产硼铁。
综合以上提及的各种生产硼铁的方法，存在的主要缺点是，原料利用率低，生产成本高，制造工艺较复杂，如生产硼铁首先要利用含硼矿物制成硼酸，再将硼酸脱水，生产出硼酐，再以硼酐，铁鳞等为原料冶炼出硼铁，制造过程中还要消耗大量的金属铝镁等。因此，现有的生产方法不尽合理。同时能够用于制造硼酸的矿物种类有限(主要是硼镁矿)，不能使更多的含硼矿物都得到利用，更为不尽合理的是，目前冶炼硼铁的方法，都是将含硼的氧化物(硼酐)和含铁氧化物人为混合冶炼来生产，而自然界本身存在的，同时含有硼和铁两种元素的矿物却不能加以开发应用。
本发明的目的在于改变旧的硼铁生产工艺，利用同时含有硼和铁两种元素的矿物-硼镁铁矿直接冶炼制取硼铁含金。这样即可扩大含硼矿物的利用范围，又能简化硼铁的生产工艺，进而大幅度降低硼铁的生产成本，而此项工作对生产硼酸的资源较贫乏，而硼镁铁矿贮量丰富的国家或地区有着更重要的意义。经过多次实验，利用硼镁铁矿直接冶炼硼铁的方法获得成功。
利用硼镁铁矿直接制取硼铁时，所用的原料是硼镁铁矿矿石，焦炭和少量的金属铝、萤石等，依靠的主要设备是电炉，其中电炉炉衬是采用电炉冶炼所用的电极糊(主要成份是石墨)制成的。
原料中硼镁铁矿的化学成分按重量百分数如下表化学成分 ∑Fe B2O3MgO SiO2CaO S百分含量 30～36 8～15 20～25 10～15 1～3 0.1～0.2百分含量 5～10 15～20 30～40 10～15 1～9 0.1～0.5续上表化学成分 P Al2O3结晶水百分含量 0～0.1 1～3 ～5%百分含量 0～0.5 1～3 15～20
硼镁铁矿矿石是冶炼的目的产品-硼铁的物质来源，矿石经x射线衍射物相分析确定各主要金属元素中，铁主要赋存于磁铁矿Fe3O4及硼镁铁矿(Mg，Fe)O·(B，Fe)2O3两种矿物中;硼主要赋存于硼镁石MgHBO3及硼镁铁矿中;脉石主要是以蛇纹石Mg3Si4O11及少许Ca3Al6Si2O16等形态存在。这些矿物在高温下，一部分将发生离解，并熔化为熔体，在碳还原剂存在的条件下，Fe、Si、B等元素将被从各自的氧化物中还原出来，其反应为
G°1＝118419-215.31TT始＝550K
G°2＝205915-214.56TT始＝960K
G°3＝147763-150.06TT始＝985K
G°3＝858363-473.80TT始＝1812K
G°5＝723056-373.94TT始＝1934K
G°6＝624074-296.02TT始＝2108K从上述热化学反应方程式中可以看出，铁的各种氧化物优先被还原。B、Si要在较高的温度下得到还原。然而B、Si易溶于铁液中，在有铁液存在的情况下它们的还原反应为
G°7＝727763-467.86TT始＝1555K
G°8＝591558-357.47TT始＝1649K使得B、Si的氧化物同碳反应容易进行。另外用碳作还原剂进行直接还原，生成的CO气体产物，很容易离开反应体系，可使还原反应脱离平衡状态而连续进行。从热化学方程式来看，升高温度，有利于上面反应的正向进行。
前以述及，本发明以电炉为主要设备制造硼铁合金，具体方法是以硼镁铁矿矿石，焦炭和少量的金属铝，萤石等为原料，采用原料处理、混合配料、装炉冶炼、炉渣处理、出铁等主要工艺过程，最后生产出合于标准的硼铁合金。
前边所说“原料处理”工序，主要包括对硼镁铁矿矿石的处理和对焦炭的处理，按要求应该将矿石粒度破碎到30mm以下，并将其放到焙烧炉中进行氧化焙烧，破碎的目的是为了增加矿石的比表面，为以后进行的氧化焙烧创造条件。而焙烧的目则是为了除去矿石中全部结晶水和部分有害杂质硫和磷等，焙烧温度应在800～900℃下进行较适宜。同时为了保证焙烧的效果焙烧炉中应该有良好的氧化气氛和足够的焙烧时间，一般以八小时为宜。对于焦炭的处理主要是破碎和烘干两个方面，焦炭破碎后的粒度应是3～8mm，破碎的目的同样是为了增加物料的比表面，以加快电炉内高温下还原反应的进行，潮湿的焦炭对还原不利，故要将焦炭烘干。为了提高焦炭的还原能力，焦炭中的固定炭含量越多越好，但一般的冶金焦其固定炭含量达80%以上，已能够满足要求。
前边所说的“混合配料”工序，是将已经经过原料处理工序处理过的矿石和焦炭按100公斤矿石加15～20公斤焦炭这样一个比例进行均匀混合，当焦炭含固定炭高，而矿石中含铁氧化物低时取下限，反之取上限，以保证在电炉中焦炭中的固定炭和矿石中的铁氧化物反应、使铁氧化物能够被充分还原，成为金属铁为原则，固定炭不足，将要消耗其它还原剂，碳过量则不经济。
前边所说的“装炉冶炼”工序，是将混合后的炉料按1∶1(电炉吨位与以吨计的混合炉料重量之比)的比例一次装入电炉内，然后送电加热，炉内温度要达到1600℃以上。随着炉温的升高，加热时间的延长，炉料一边熔化，一边反应，首先是铁氧化物被固体碳直接还原，生成金属铁和一氧化碳，金属铁在高温下熔为铁液，在铁液存在的条件下，硼和硅等元素亦开始被还原，还原后的硼和硅进入到铁液中，形成了液态铁合金，但此条件下完全依靠固体碳来还原硼和硅等，硼的收得率低，而且速度变慢，故采用加入金属铝进行还原，铝是强还原剂，易和硼及硅的氧化物发生反应，反应式为
但在有FeO存在的情况，下铝亦能使Fe得到还原，其反应式为
由于铝相对焦炭而言价格较高，因此使用铝还原时应该在固定碳将铁氧化物充分还原，即当炉渣中的氧化铁充分消失，渣的颜色由黑变白之后，再加入金属铝，金属铝的加入量应该以保证硼被充分还原为前提，具体数量依矿石含B2O3和SiO2的量而定，根据物料平衡计算出的、使硼全部被还原和使硅40%还原所需铝量之和。由于铝还原是较为激烈的化学反应，因此操作时，加铝可采用间断式，供电亦可采用间断式。以防止反应过于激烈，发生炉喷。
前边所说的“炉渣处理”工序，将视液态炉渣的情况而定，一般当炉渣的流动性较差，不利于渣铁分离时，应加一定数的萤石(主要成分为CaF2)，使炉渣变稀，这样易于渣铁分离。
除上述工序外，本方法还包括出铁工序，将冶炼好的硼铁合金及渣一起从电炉出铁口流出后盛入到盛铁槽中，待到盛渣铁槽中的硼铁合金液体及渣冷凝后，按常规处理。
应用以上方法，即利用硼镁铁矿直接经氧化焙烧脱掉结晶水及部分的磷与硫等杂质。以碳和铝为还原剂，用电炉生产硼铁合金，其产品可以达到国颁标准。
与旧的生产硼铁合金的方法如铝热法相比，本方法具有的明显优点是1.生产工艺流程短，设备投资少。本方法是将矿石采出后就地粗破，进行氧化焙烧处理，再运输到生产硼铁厂细破后就可进入电炉冶炼;产品渣铁分离好。铝热法不仅对原料要求高(铝、镁、硼、氯酸钾……)而且原料处理工序长，需要的设备多;硼酸需用反射炉加热至800℃熔化脱水，冷却后硼酐要粉碎＜3mm，还需熔铝制粒设备，制成铝粒＜3mm;制取铝镁合金;将镁锭缓慢加入熔化的800～900℃铝液中，合金也要粉碎成＜5mm，铁矿石经破碎至＜3mm，石灰石粉碎成＜1mm，再将铝粒、硼酐、铁磷、铝镁合金、铁矿石、石灰混匀后加入反应炉内进行热反应。
2.原料消耗少，生产成本低，经济效益显著。采用本方法每生产1吨FeB7C2.5硼铁预计消耗硼镁铁矿(B2O3＞12%)4000kg;冶金焦粒900kg，电耗10000度，电极200kg，耐火材料400kg，及其他消耗都计算成本内为7270元/吨。FeB7C2.5销价为10000元/吨。每生产1吨硼铁要产出1.5吨富硼渣，如果销售给玻璃厂可获得700×1.5＝1050元，总净利润为3780元/吨。
生产1吨FeB12C2.5，硼铁预计消耗硼镁铁矿石(B2O3＞18%)4000kg，冶金焦粒800kg，铝350kg，电耗15000度，电极400kg，耐火材料750kg及其他费用都计算在成本内为10130元/吨。如果销价为15000元/吨。炉渣量按1吨计算，销价800元(B2O3＞18%)。总净利润约为5670元/吨。
铝热法〔4〕每生产1吨FeB22C01消耗硼酸2150～2400kg，铝镁合金500～600kg，铝粉720～900kg，氯酸钾270～290kg，铁磷720～800kg，铁矿石410～500kg，镁砖500～700kg，硼收率60～70%，生产成本估算为24600元，销价为25000元/吨，净利润为400元/吨。
3.社会效益大。
本方法可以直接利用硼镁铁矿进行冶炼，进而敲开了硼镁铁矿开发利用的大门，使硼资源得以扩大。同时采用此法冶炼硼铁，可以显著减少环境污染。
总之，在电力不太紧张的地区，利用本发明实现的方法代替其他方法冶炼硼铁合金。是非常经济的。
参考文献〔1〕.陆文华 主编“铸铁及其熔炼”〔2〕.M·A·雷斯 著 周建华，于忠 译“铁合金冶炼”冶金工业出版社 1981 P326〔3〕.施允石，李志忠，韦寿南“铁合金”1987 №2〔4〕.铁合金生产编写组《铁合金生产》冶金工业出版社 1975 P318
权利要求
1.一种以电炉为主要设备制取硼铁的冶炼方法，其特征在于以电极糊为电炉炉衬，以硼镁铁矿矿石、焦炭、铝、萤石等为原料，经原料处理，混合配料，装炉冶炼、炉渣处理、出铁等工序。
2.如权利要求
1所说的硼铁冶炼方法，其特征在于方法中的原料处理工序是将矿石粒度破碎到30mm以下，在焙烧中800～900℃氧化性气氛下焙烧，将固定碳含量大于80%的焦炭破碎到3～8mm，干燥脱水。
3.如权利要求
1所说的硼铁冶炼方法，其特征在于方法中的混合配料工序，是将处理后的矿石和焦炭按100∶15-20(重量之比)的比例均匀混合。
4.如权利要求
1所说的硼铁冶炼方法，其特征在于方法中的冶炼工序是将混合料一次装炉，送电加热到1600℃以上，待炉料充分熔化，且氧化铁充分还原变成金属铁后立即加铝进行强还原。
专利摘要
一种以电炉为主要设备制取硼铁的冶炼方法。该方法以硼镁铁矿、焦炭、铝等为原料，经过原料处理，混合配料，装炉冶炼等工序，可以冶炼出达到国家标准的硼铁合金，该方法的优点是，工艺流程短，投资少，见效快，使硼资源得到全面综合利用，生产无污染，采用此法生产硼铁合金，可大幅度降低生产成本。
文档编号C22B4/06GK87101579SQ87101579
公开日1988年3月9日 申请日期1987年6月24日
发明者张显鹏, 崔传孟, 刘素兰, 冀春霖, 赵乃仁 申请人:东北工学院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan