利用冶金焦粉和硅石粉生产硅铁合金的研究.pdf
2 0 1 2年第 4期 安 徽 冶 金 1 3 利用冶金焦粉和硅石粉生产硅铁合金的研究 鲁 慧慧 张朝 晖 刘佰龙 宋世雄 西 安建 筑科 技大 学 摘 要研究利 用酒钢 自产的冶金焦粉和硅 石粉生产硅 铁合金 具有 重要的 实用价值 , 采用 常规 法 硅 石块 兰炭 钢 屑 和 压 块 法 焦 粉 和 硅 石 粉 混 合 造 块 钢 屑 进 行 制 备 硅 铁 的 对 比试 验 , 研 究 了 冶金 焦 粉 和 硅 石 粉 应 用 于硅铁 生产的可行性 , 并对两种方法的工艺特 点、 原料消耗 、 电耗 等进行 了对比分析 , 结 果表 明 利 用冶金 焦粉与硅 石粉作压块原料 , 可生产理想的硅 铁舍金 , 且压块法的硅石 消耗 量、 E s i l 回收 率、 顶 电极 消耗 和电耗均优 于常规法 , 但要在 生产过程 中需控制好 焦粉的烧损 。 关 键 词 焦粉硅 石 粉硅 铁 合 金压 块 Pr e d u c t i o n o f Fe r r o s i l i c o n wi t h M e t a l l u r g i c a l Ce ke Br e e z e a nd S i l i c a Po wd e r Lu Hui hu i Zh a ng Zha o hu i Li u Ba i l o ng So n g Sh i x i o ng Xi a n U n i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d T e c h n o lo g y Ab s t r a c t To i n v e s t i ga t e p r od u c t i o n o f f er r o si l i c o n u t i l i z i n g me t al l u r gica l co k e b r ee z e a n d si l i c a p owd er h as si g n i f i - ca n t p r a ct ic al v al u e.Th e f ea si bi l i t y o f u s i n g c ok e br e ez e an d si l i c a po wder t o pr o d u c e f er r o s i l i c on wa s s t u di e d t hr ou g h c o mp a r i s o n e x p e r i me n t s o f c o n v e n t i o n a l me t h o d s i l i c a 4 -s e mi c o k e 4- s t e e l c h i p s a n d b r iq u e t t i n g me t h o d c o k e b r e e z e a n d s i l i c a p o wd e r mix t u r e b r i q u e t t i n g 4- s t e e l c h i p s .A t t h e s a me t i me ,t h e p r o c e s s c h a r a c t e r i s t i c s a n d r a w ma t e r i a l a nd po wer c on s umpt ion o f t h e t wo me t h o ds wer e al s o c omp ar ed a n d an a l y z ed.Res u l t s s h owed t h at t he br i q u et t i n g me t h o d h a s s i gn i f i c an t ad v an t ag es ov er t h e co n v en t i o n al met h od i n si l i c a c on s u mp t i o n,r e co v er y r a t e of Si ,e l e c t r o de c on s u mpt i o n as wel l a s po wer co n s u mpt i o n.Bur n i n g was t e o f c ok e br e ez e,h owe v er ,mu s t be c on t r ol l e d i n p r o du c t i o n p r o ce s s. Ke y wor d s c o ke br e ez e si l i c a p o wd er f er r os i l i c on al l o y b r iqu et t i n g 0 前 言 焦粉 是冶金 生产 企业 将工业 焦炭 破碎 时产生 的 一 种 副产 物 , 是 焦炭 经 破 碎 过筛 后 得 到 的粒 度 小 于 l O mm 的焦炭 [ 1 ] 。因其粒 度小 , 无 法用 于 高炉 炼 铁 , 被当作低级燃料廉价使用。酒钢每年约有 1 O万 t 焦粉 , 除 部分用 于 烧 结外 , 大部 分 低 价外 销 , 而 酒 钢 新建 的 多座硅铁 炉 , 需要 大量 的碳质 还原剂 [ 2 ] 。 另外 , 酒 钢铁合 金 厂 的硅 石 , 经 过破 碎 、 筛 分 以 后 , 筛 下 物 即为硅石 粉 。 目前 , 硅石 粉没有 很好 的利 用方 法 , 只能废 弃 堆 积 。焦 粉 也 没有 找 到 有效 的成 型办法, 只能当作低级燃 料廉价处理。焦粉和硅石 粉若 不 能再利用 , 不 仅造 成 了大量 资源浪 费 , 更 为重 要 的是废 弃硅 石 粉露 天 堆 积 , 风 吹 日晒 , 四处 飞 扬 , 对 环境造 成严 重 的污 染 , 直 接 影 响 到生 产 厂 区及 周 围居民的工作 和生活环境 , 危 害人 体健康[ 3 “ ] 。因 此 , 研究 利用 酒钢 自产 焦 粉 和 硅石 粉 生 产硅 铁 具 有 重要实用价值, 符合资源综合利用、 循环经济的生产 理 念 。 本 研究 采用 常规法 硅石块 兰炭 钢屑 和压 块法 焦粉和硅石粉混合造块钢屑 进行制备硅铁 的对 比试验 , 研究 焦粉应 用 于硅铁 生产 的可行性 , 并 对 两种 冶炼 工艺 实验 的工 艺 特点 、 原 料 消 耗 和 电耗 等进行 了对 比分 析 。 1 试 验 1 . 1试验 原料 试验所 用 兰炭 、 焦 粉和硅 石粉 由酒钢 提供 , 钢屑 和石 墨 电极 自购 。 酒钢 焦粉含 灰 分较 高 , 且 电阻 率 和反 应 能力 均 不如 兰炭 。硅 石粉 品位 不够 理想 。钢 屑为纯 净 的碳 作者 简介 鲁慧慧 , 助理 工程 师, 陕西省西安市 7 1 0 0 5 5 西安建筑科技 大学冶金工程 学院 1 4 A N HU I ME T A L L U R G Y 2 0 1 2年第 4期 素钢 筋 , 无 锈 。 1 . 2配料 计算 以 5 0 k g硅石 为基 础 , 焦 炭 消 耗量 按 S i O 。 1 0 0 被 还原计 算 , 设 还原 硅 石 中其 他 元 素及 焦 炭 灰 分所 消 耗 的还 原剂 , 正好 与 S i O 不 完全 还原 和 电极 消耗 相抵消 , 则计算设定值[ 5 见表 1 。 表 1 计算 条件设定值 % 雾 囊 固 定 碳 含 铁 量 含 硅 量 含 铁 量 回 收 率 篓 呈 烧 损 率 根据表 1中条件设定值 , 可计算出利用冶金焦 粉 和硅石 粉生 产硅铁 合金 的炉料 配 比。 碳 还原 二氧化硅 的总反 应式 是 S i O2 2 CS i 2 CO 1 6 O 1 2 2 28 干 焦 需 要 量 为 嚣 2 6 . 5 k g 5 0 k g硅石进入合金的硅量为 5 0 0 . 9 8 0 . 9 2 2 1 k g 需钢 屑量 为 一6 . 8 k g 炉 料配 比为 硅 石 5 0 k g 、 干 焦 炭 2 6 . 5 k g 、 钢 屑 6 .8 kg。 1 . 3压块试 验 酒钢焦粉是一种 自身成型性能极差 的物质, 若 在常温下使其成型, 须选择粘结性能优 良的粘结剂 , 改变 焦粉 的成型性 能 , 否 则 仅 靠加 压 不 能 实 现焦 粉 成型[ 。 试验通 过前 期探 索 , 最 终 确 定 添加 粘 结 剂 的方 案嘲 , 压块试 验配 料方案 见表 2 。 表 2压块 试验 配料 方案 将 原料按 照表 2配 比计 量 加 入混 合 容 器 中, 然 后 经过 充分搅 拌 , 将 混合原 料加 入 圆柱形 模具 内 , 用 1 0 t 压力 机把 混合 原 料挤 压 成 4 0 mm 3 5 mm 4 0 mm 的圆锥 台型 的压 块 , 经 2 0 0 ℃烘 干 8 ~9 h r ] 即为成 品 。 入 炉 压 块 产 品 的理 化 性 能 列 于 表 3 。试 验 表 明 , 其质 量基本 可 以满足 要求 。 表 3压 块 的 理 化 性 能 1 . 4硅铁 生产 试验 常规法生产硅铁合金的原料配比结果见表 4 。 表 4常规 法的原料配比 k g 1 一个周期的试验用料量 非实际消耗量 。 利用冶金焦粉和硅石粉压块生产硅铁合金的原 料配 比结 果见表 5 。 表. 5 压块法的原料配比 k g 1 同表 4 。 2 试验结果 与讨论 2 . 1常规 法 生产硅 铁合金 常规 法生产 硅 铁合金试 验结果 列 于表 6 。 表 6 常规法冶炼硅铁的试 验结果 顶电极 消耗量。 /m m 炉料消 耗量 / k g 合计 1 o 4 。7 3 丝 1 6 7 。 ~ i k g 2 1 3 1 分子为波动范围 , 分母为加权后平均含量; c 、 S 、 P、 A I 均达标。 2 包括 电极升降所用的少量动力用 电。 3 系试验周期 内的总消耗量 , 按 电极长度计量 , 未考虑料面以上 的电极氧化损耗 。 4 炉料消耗量 投入炉料量一炉内残存炉料量 一2 1 3 k g 。 一 栅 m 斓 一 硅 / 一 7 7 7 7 7 7 7 量 一 炼期_ 暑 一 ∞ ∞ 熔周 一 I 枵一 。 。 肭 2 0 1 2年第 4 期 安 徽 冶 金 1 5 2 . 2冶金焦 粉压 块 法生产 硅铁 合金 1 试 验 现象分 析 。 在 用冶 金焦粉 压块 法 生 产 硅铁 合 金 过 程 中 , 发 现 以下 现象 a 加 料后 电流 升幅不 大 , 且 很快 回落下 来 ; 当料 层达 到一定 的厚度 后 , 电流 回落 速度延 缓 。 b 冷 态 压 块 表 面呈 灰黑 色 , 加入 炉 内后 不 久 , 料面上的压块表面转为银灰色。 c 与“ 常规法” 相 比, 出铁量减少 , 含 S i 量偏低 , 为 5 8 . 5 “ - 6 3 . 8 %, 加权平均为 6 O 。 d 电极消耗较快 , 且端部形状极不规则。 分析认为 造成上述现象 的主要原 因是焦粉烧 损率较大。 2 试验方案修订 。 重新核定了焦粉的烧损率 , 修订了配料方案。 核定 条件如 下 试 验 产 出 的 硅 铁 平 均 含 S i 为 6 O ; 正 常情 况 下 , 5 O k g硅 石约 可 产 S i 2 1 k g ; 正 常情 况 下 , 5 O k g硅 石约 可产硅 铁 S i 7 5 2 8 k g 。 经 计 算 正 常 烧 损 条 件 下 , 产 l k g“ S i ” 约 需 1 . 2 6 k g 焦粉 ; 若将 S i 含 量从 6 O 调至 7 5 , 尚需 1 9 k g焦 粉。故 以 l O O k g硅石料计 , 生产合格硅 铁 S i 7 5 需 要 的焦粉 量约 7 2 k g 。 由此可得 , 焦粉烧损率达 2 6 . 4 。修正后 的配 料方 案见 表 7 。 表 7 压块 法生产 硅铁 合金的原料 配比 修正 k g 1 --个周期的试验用料量 非实际消耗量 。 表 7主要是调整 了焦粉 的烧损量, 其他未作变 动 。 按表 2的原 料 配 比进 行试 验 , 结 果见表 8 。 2 . 3两种 工 艺的冶 炼特 点 “ 常规 法” 和“ 压 块法 ” 在冶 炼过程 中显示 出以下 不同特点 1 炉 料透气 性 。 “ 压块法” 所用原料块度非常均匀 如高炉炼铁 用球 团 , 因此 , 炉 料 透气 性 很 好 , 料 面 火苗 均 匀 , 大 大减轻了扎眼和捣炉的劳动强度。 注 表中的各项 内容说明同表 6 。 炉料消耗量 一投入炉料量一炉内残存炉料量 2 2 1 k g 。 而 “ 常规法 ” 所 用原料 粒度极 不匀 称 , 堆 比重大 。 当炉 内温度 升 高 后 , 炉 料 易 粘 结 在 一 起 , 影 响 透气 性 , 局部“ 刺火” 现象 比较严重 , 从而增加了炉口维护 的工作 量和强 度 。 2 炉料反应 速 度 。 “ 压块法” 有利于加快反应速度。原因是 a 焦炭 粒度 小 , 使相 同数 量 的焦炭颗 粒增 多 , 即 比表面积增大, 从而对 S i 和 S i O的吸附能力增强。 b 硅 石粒度 也小 , 且 与 焦 炭 接触 均 匀 、 紧 密 , 接 触 面积 大大增 加 。 而 “ 常规 法” , 即使混 料均 匀 , 也 不可能 具备上 述 优 点 , 因此反 应速 度相对 要慢 些 。 3 电极插 入 深度 。 电极深 而稳定 地插入 炉料 是炉 况正 常的重要 标 志之一 。通常要求埋在炉料中的电极端头距炉底相 当于 0 . 6 7 倍 电极 直 径 为 宜 , 而端 头 埋 人 炉 料 的 深 度 , 以 1 . 5 倍 电极 直径 为宜 。 同等条件下 , “ 压块法” 比“ 常规法” 更有利于电 极 深插 , 因为炉料 的 电阻主要 决定 于焦炭 , 而压 块的 细粒焦 比” 常规法 ” 使用 的大焦粒具有更高 的电阻 率 。 4 电极 电流 负荷稳 定性 。 “ 压块法” 加料时 , 电流变化较平稳 ; 而“ 常规法” 电流升 幅 大 , 电流 表指 针波 动也大 。 电流 的大小 和稳定 性 与 电极 同炉 料 中主要导 电 物质一 焦 炭 的 接触 状 况 有很 大 关 系 接 触 面 积大 , 电 流也大; 接触不均匀 , 电流也不稳定。对“ 压块法” 来 , 一一 耱 一 一 一一 糙 ~ 枷 一 一 一 蜕 一 一m m 一 一一 ~黜 舢 舢 舢 ~一 一 量 一 鼹 一炼 期 .星一 ∞ 的 弱 ∞ {;; 表 一熔 周 一 二I 二I 一掀 一。 。 。 蚋 黻 耕 1 6 A N HU I ME T A L L U R G Y 2 0 1 2年第 4期 说 , 焦 粒在 炉料 中 的分 布是 均匀 的 , 即炉 内电阻分布 均匀 , 因此电流变化相对平稳。“ 常规法” 则难以做 到焦粒 分布均 匀 , 若 遇上 加偏料 , 对 电流稳定 性 的影 响就更 大 。 5 焦炭烧 损率 。 “ 压块法 ” 中 , 焦炭烧 损率 比较 大 , 这不 仅会增 大 生产 成本 , 而且 如估 计 不 准 , 极 易引 发 炉 料缺 碳 , 恶 化炉况, 补救困难。 而“ 常规法” 一般不会出现因焦炭严重烧损而导 致 的缺 碳情况 , 除非 配料 不准 和操 作 失误 。 试验表明, 焦粉烧损率与配制料的粒度 、 压块块 度和密 度 以及 料 层 厚 度有 很 大 关 系 。本 试 验 中 , 焦 粉粒度≤3 mm, 炉膛深度为 4 5 0 mm, 料层较薄, 难免 加大烧损 。大工业生产情况会有改善 , 但也要预先 做 好摸索 烧损率 的试验 。 2 . 4两 种工艺 的原 料消耗 硅铁 生产所 用 的主要 原料 是硅石 粉 、 还 原剂 本 试 验 中分别 为兰炭 和焦粉 、 钢 屑和 电极 。因钢屑用 量基本 固定 , 故不 予讨论 。 1 硅石 粉 。 由表 6和表 8可见 , 两 种 工 艺投 入 的 总硅 石 量 是相同的, 为 2 O O k g 。因清出的炉内残存料各组成 物 数量难 以准确 测 定 , 故假 定 它 们 仍符 合 原 配料 中 的 比例 。于是 可 以求 出硅 石 消 耗量 , 再 由硅 铁 量及 其 含 S i 量可 以估算 S i 的 回收率 , 结 果列 于表 9 。 表 9 硅石 消耗量和[ S i ] 回收率的比较 如表 9所示 , 本 试 验 中两 种 工 艺 的硅 石 消耗 量 和 V s i - I 回收率基 本接 近 , “ 常规 法” 分别 为 1 7 8 0 k g / t 铁 和 9 1 . 5 9 / 6 ; “ 压块 法” 为 1 7 6 0 k g / t 铁 和 9 2 . 0 。 2 兰炭和 焦粉 。 兰炭 和焦 粉烧损 率 的原设定 值均 为 8 。 在用兰炭的“ 常规法” 中, 没有发现缺碳现象 ; 但 在 用焦粉 的“ 压块法 ” 中 , 碳 的烧 损非 常 明显 , 以致后 来做了更改方案的试验。 本试 验 条件下 两 种 工艺 的烧 损 率低 限如 下 兰 炭 为 8 , 焦粉为 3 4 . 4 。 3 电极 消耗 。 由表 6和表 8可 见 , “ 常 规 法” 和 “ 压 块 法 ” 的顶 电极 消耗分 别 为 0 . 0 7 4 k g / k g铁 和 0 . 0 6 5 k g / k g铁 。 由此 , 在该项指标上, “ 压块法” 优于“ 常规法” , 这可 能 与“ 压块 法” 冶 炼速度 快有关 。 应 当指 出 , 该 项 指标 不 能 与 大 工业 上 用 自焙 电 极生产硅铁相提并论。原 因是 未加任何保护 的石 墨电极在埋弧操作 中会很快发红、 氧化、 变细, 从而 加 快 了烧损 ; 另外它 的价格 与 自焙 电极 相差甚 悬 。 2 . 5 两种 工艺 的冶炼 电耗 硅 铁生 产 中 , 电费 约 占 总成 本 的 6 5 9 , 6 ~7 0 , 所 以冶炼 电耗是 一项举 足轻重 的指标 。 由表 6 和表 8可见 , 在 一 个试 验 周 期 内 , “ 常规 法 ” 和“ 压 块法 ” 的冶炼 电耗分 别 为 2 2 . 9 k W h / k g铁 和 2 2 . 4 k Wh / k g铁 , 由此 , “ 压块 法” 相 对较 好 。 “ 压块法 ” 之所 以更利 于节 能 , 就在 于 1 它有 利于 提高 电 阻率 , 且 使 炉 内电 阻分 布 均 匀 , 故 能较好 地实 现 电极平 稳深 插 , 从 而提 高 了炉 内 的热 效率 。 2 相 同数量 下 , 小颗 粒 状 的焦 炭 和 硅 石 的表 面 积 明显增 大 , 且 二者 又 均 匀 、 紧 密地 接 触 , 无 疑 使 其 接 触面 积大大 增加 , 从 而有 利于加 快反应 的进行 , 缩 短 冶炼 时 间。 正 因为这 样 , 用 压块 或 球 团 进 行 冶炼 已被 国 内外铁 合金 界公认 为是重 要工艺 节 能措施 之一 。 应 当指 出 , 本试 验 中 , 两种工 艺 的冶炼 电耗 比较 高 。原 因是 1 两种工艺都是未经电烘就投料的 , 炉子是处 在 室温状 态 , 冶 炼过程 中要 吸收相 当 的热 量 , 所 以出 第一 炉铁 就要 4 . 5 ~ 5 h 大 工业 生 产 , 炉 子 电烘 后 , 也要 经过 1 4 ~1 5 h才 出第 一炉 铁 。 2 炉子 小 , 料 层 薄 炉 膛 深 度 为 4 5 0 mm , 散 热 快 。 3 敞 口炉 大 工业 生 产 的 矿热 炉 至 少有 半 封 闭 式矮烟 罩 , 辐射热 损失很 大 。 4 因绝 缘不 良等原 因 , 难免 跑 漏 电。 以上 诸 多 不 利 因 素在 大 工 业 生 产 中会 得 到 改 善 。 3 结语 通过采用常规法 硅石块 兰炭钢屑 和压块 法 焦粉 和硅石粉 混合造 块 十钢 屑 进 行制备 硅铁 的 下转 第 3 2页 3 2 A N HU I ME T A L L U R G Y 2 0 1 2年第 4期 2 需求 变化 趋势 。 模 具需 求提供 稳定 的支撑 。 塑料模 具钢 、 大 型模块 钢 、 中高 档模具 钢需 求不 断增 加 。 a .汽 车 、 家 电是 塑 料模 具 钢 的 主要 应 用 市 场 , 汽车行业 9 O 以上的零件由模具成型 , 同时使用冷 作 、 热作 、 塑料 模具钢 , 平均 每万辆汽 车消耗模 具 0 . 1 2 t 。家电行业零件 的 8 0 靠模具成型 , 使 用量 最 大 的是 塑 料模具 钢 。 b . 模 具在 应 用时属 于 消耗 品 , 用 量较 大 。以生 产汽车齿轮的精锻科技为例 , 公司成本结构中 5 0 左右是 制造 费用 , 主要 是 在对 锻 件 进行 切 割 、 锻 压 、 钻孔和拉削等操作时大量消耗的模具 、 刀具等 。因 此 , 我 国汽车、 家电等行业庞大的产量基数将为我国 4 结 语 结合模具产业和模具钢发展现状 、 市场特点及 产业 发展趋 势 , 在 未来 五年 , 我 国模 具钢 产业 会有较 大发展空间, 尤其是中、 高端产品领域。对于我国大 型钢铁企业来说 , 未来发展模具钢产业需要做好 以 下 几点 加强 基 础 理 论 研 究 , 提 高 模 具 钢 质 量 和 性 能 ; 推行模具钢 品种规格多样化、 精料化和制品化 ; 加快信息技术的应用 , 提高专业化排产; 重点发展塑 料模具钢; 走中、 高端路线, 树立模具钢品牌; 并创新 “ 钢材商店” 销售模式。 收稿 E l 期 2 0 1 2 0 7 1 7 上接 第 1 6页 对 比试验 , 研 究冶 金 焦粉 和 硅石 粉 应 用 于硅 铁 生 产 的可行性 , 并对两种方法的工艺特点 、 原料消耗、 电 耗等进行 了对比分析 , 试验结果表明 1 用酒 钢 自产 冶金 焦 粉 与硅 石 粉作 压 块 原 料 , 采 用 占原料 总量 1 的糖 浆 与 3 的膨 润 土 作 复合 粘结剂 , 可达到理想的压块效果。 2 压块 的炉料透气性好 , “ 刺火” 现象较少发生 ; 炉料反应速度快 ; 电流平稳 , 有利于电极深插 。 3 压块法 的硅石消耗量 、 E s i 2 回收率及 顶电极 消耗 均优 于常规 法 , 但要控 制好焦 粉 的烧损 。 4 “ 常规法 ” 和“ 压块法 ” 的冶 炼 电耗分别 为2 2 . 9 k Wh / k g铁和 2 2 . 4 k Wh / k g铁, 压块法 的冶炼 电耗 小 于常规 法 。 参 考 文 献 1 刘长林 , 王毅 , 蔺谦.工业废 弃焦粉成 型技术.甘肃 工业大学学报 , 2 0 0 3 , 2 9 1 7 3 7 5 . 2 张朝 晖 , 宋世雄 , 巨建 涛等.硅 石粉 和焦粉 粘 结压 块试 验.钢铁研究 , 2 0 0 9 , 3 7 3 1 1 1 3 . 3 李孙龙 , 李 国庆.焦粉 和 硅 粉造 球 研 究.铁合 金 , 1 9 9 o 1 3 3 3 5 . 4 冯兵 , 刘千帆.焦粉压块替代铁合金焦试验研究 .甘肃 冶 金 , 2 0 0 9, 3 1 1 5 8 . 5 陆友 转 , 邹 立智 , 起洪志 等.铁 合金及合 金添加剂手 册. 北京 冶金工业 出版社 , 1 9 9 o 5 0 . 6 周伯俞 , 康铁 良, 施谷 全.型煤与焦粉 型焦粘合剂 的研究 及应用.煤炭加工与综合利用 , 2 0 0 5 1 2 9 -3 2 . 7 赵天宝 , 马治和.焦粉团球 的研制 和试验.铁合金 , 1 9 9 o 4 2 9 3 1 . 8 刘宝 山.焦粉 型球 的研制 及工业 中试.煤 炭加工与综合 利用 , 2 O O l 4 2 7 3 O . 收稿 日期2 O 1 2 0 8 -0 8