电弧炉冶炼硅钙合金的工艺分析

电弧炉冶炼硅钙合金的工艺分析

目前，金川有色金属公司每年处理40万吨精炼渣，其中黄金含量为16万吨。硫、氮含量为16万吨，铜含量为0.8万吨，co含量为0.4万吨。可回收的金属量为18万吨，每天硫酸钠含量为几十吨。因此，合理利用废物已成为主要问题。本文针对镍渣成分的特点,以生石灰为配料,利用焦炭和木炭作为还原剂来回收硅钙合金,属于资源的再利用,具有耗能少、成本低、经济效率高等优点。硅钙合金在炼钢工业上可以用作有效的脱氧剂、脱硫剂和增温剂,是炼钢中一种很理想的、兼具脱氧脱硫能力的复合脱氧剂[1~3]。但是硅钙合金比较难炼,长期以来,我国硅钙生产一直处于周期短、指标差、经济效益欠佳的状况,其难点在于硅和钙的碳化物及其未还原的氧化物易积存于炉底,造成炉底上涨,被迫停炉[4~6]。本文在生产工艺上采用自制的小型直流电弧炉,炉底温度较高,可以使生成的碳化物分解,避免了交流电弧炉生产过程中存在的炉底上涨的问题,具有较好的经济效益。1测试1.1镍渣全石化学成分采用金川公司的镍渣为原料,生石灰(CaO含量>90%)为配料,以焦炭(C含量>85%)和木炭作为还原剂,利用工业水玻璃(模数3.2)进行造粒,粒度直径约为3mm左右,采用混合加料法在自制的小型直流电弧炉中进行冶炼。镍渣及主要矿物原料的化学成分如表1所示。镍渣中的SiO2含量较高,再加入生石灰为配料,利用焦炭和木炭进行还原回收。1.2用于料面燃烧的用市场根据硅钙合金生产过程固有的特点,操作工艺基本上采用连续或定期下料焖烧法。具体操作如下:(1)预先在阳极炉底加入少量的混合料,并保证混合料不影响电极引弧,然后下电极引弧,给电提温;(2)在电极周围加入附加镍渣,以使镍渣熔化下去破坏炉底碳化物,镍渣的导电性差且电阻大,可稳定电极保持下插;(3)立即加入配炭量超过20%~30%的混合料,进行焖烧提温;(4)焖烧过程中,渐次在火焰较多处添加新料并撒些烟煤,帮助料面烧结,延长焖烧时间;(5)一直焖烧到料面化薄,即将塌料前,再如(2)~(4)操作一次,直到出合金;(6)合金出炉和浇注:为了保证炉况正常,合金要定时出炉,出合金时要用圆钢经常穿透出口,使合金顺利流出,防止堵眼影响再次开炉。本研究采用一台额定电流为1000A、输出电压为66V的直流多站弧焊电源,串联三台五级可调电阻箱组装成为一台外特性斜率可分级调节的小型直流电弧炉电源。对三台五级电阻箱的各级电阻进行测量得到电阻值的数据(第三组的第一级电阻被损坏)如表2。当只有一台电阻箱的第一级电阻(阻值为2.2Ψ)闭合时,有最小电流值Imin=66/2.2=30A,当所有电阻都闭合上时,有最大电流,除损坏的一级电阻外,其它电阻并联后的总电阻值通过计算为0.0507Ψ,所以Imax=66/0.0507=1301A。直流电弧炉工作时电弧电压一般在30~40V之间,当电弧电压为30V时,电流的可调节范围计算如下:I1=36/(66/30)=16A,I2=36/(66/1301)=710A;当电弧电压为40V时,电流的可调节范围计算如下:I3=26/(66/30)=12A,I4=26/(66/1301)=512A。所以在电弧电压为30~40V时电弧电流可调节范围如图1中的阴影部分。2试验结果及分析2.1混合法工艺上的缺陷为了得到相对稳定的试验数据,我们采用了不同的混合料配比进行多次试验,前两次采用的镍渣、生石灰和还原剂的质量比分别为3.3∶1.2∶1.4(样品1)和3.3∶1.2∶1.8(样品2)。利用德国D8ADVANC型X射线衍射分析仪对样品1和样品2做了XRD分析,见图2。从图2可以看到样品1除了有CaSi、Fe0.905Si0.095外还存在CrFe4,样品2含有CaSi和Fe3Si。样品1之所以生成了CrFe4,原因可能有两个:在配料过程中由于原料镍渣不纯而引入的杂质造成的;在造粒时加入的水玻璃不纯而引入的杂质造成的。而样品2是由于原料镍渣中有部分氧化铁存在,在还原剂作用下生成的铁和碳化物发生了如下反应:炉渣中CaO、SiO2和SiC可在较低温度下分解熔化,促进了电极深插和炉温的提高,避免了炉渣积存,铁又和硅反应生成硅铁化合物。在整个冶炼过程中反应区没有形成充分的埋弧,使得原料中的硅有一部分以氧化物(SiO)的形式挥发到空气中,而钙形成电石(CaC2)遇水后放出乙炔气体,大量烧失,都会减少样品中硅和钙的含量[7~11]。在混合法冶炼合金过程中主要发生反应为:由于反应⑤的理论还原温度为1702℃,即温度大于1702℃时反应才能进行,但是由于炉料中SiO2和CaO会在低温下先发生反应③和④,形成高熔点的SiC(熔点2540℃)、CaC2(熔点2300℃)和2CaO·SiO2(熔点2130℃),大量高熔点炉渣降低了它们的活度和反应区的温度[12~15],使反应⑤难以进行。为了提高反应区温度,必须提高炉渣的熔点,应加入过量的还原剂促使生成的碳化物熔入炉渣,提高炉渣熔点,以保证反应⑤所需的条件,所以样品3选择混合料的配比为镍渣∶生石灰∶还原剂=3.3∶1.5∶2.2,其中增加了生石灰和还原剂的用量,原因是钙的损失也较大。同时在操作工艺上进行改进形成完全的埋弧。交流电弧炉的炉底无电流通过,所以炉渣难以熔化分解,而本试验采用的是直流电弧炉,炉底阳极有大电流通过熔渣,这样使得在炉底低温区结晶出来的的碳化物分解,并且发生反应生成硅钙合金,发生的反应为:根据以上所得经验进行冶炼得到样品3,从图2中可以看到样品3中含有CaSi和Fe3Si,CaSi的衍射峰较高,而且在2θ=31°的地方多了一个CaSi的衍射峰,说明样品中Ca和Si的含量比样品2有所增加。2.2酸性炭系数对半碱减量的影响由于还原剂对整个冶炼过程有很大的影响,所以对其加入量进行了进一步的研究,采用配方3,在此配方的基础上利用过剩炭系数分别为1.1、1.3和1.5进行冶炼,得到焖烧时间和样品产量与过剩炭系数的关系,如图3所示。从图3可以看出,随着过剩炭系数的增加,合金冶炼的焖烧时间(指从加料开始形成埋弧到料面开始塌陷为止)逐渐缩短,而样品产量则呈现先增加后减少的趋势,其原因是因为还原剂的增多使得上反应⑤加速进行,并且原料消耗快,所以焖烧时间逐渐降低;增加还原剂虽然能使反应充分,但再增加还原剂会使生成的碳化物过多,虽然在炉底能熔化分解一部分,但会影响样品的产量,所以样品产量呈现先增加后减少的趋势,因此还原剂并不是越多越好。3镍渣生石灰还原剂对产物表达的影响(1)利用自制的小型直流电弧炉和混合加料法冶炼硅钙合金,当镍渣∶生石灰∶还原剂=3.3∶1.2∶1.4时,产物中得到了CaSi和Fe0.905Si0.095;当镍渣∶生石灰∶还原剂=3.3∶1.5∶2.2时,产物中得到了Fe3Si和CaSi。(2)由于原料镍渣中存在铁质材料,可在低温下与炉渣中的SiC、CaO和SiO2发生反