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不锈钢除尘灰冶炼工艺研究

文档作者：李具仓文档来源：酒钢天风不锈钢公司		点击数：	更新时间： 2020年12月03日
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第35卷第1期
2013年2月
甘肃冶金
GANSU METALLURGY
Vo1．35 No．1
Feb．，2013
文章编号：1672-4461(2013)O1-0057-04
不锈钢除尘灰冶炼工艺研究
李具仓
(酒钢天风不锈钢公司，甘肃嘉峪关735100)
摘要：本文通过对不锈钢除尘灰的成分、粉化机理、还原机理、压球工艺和冶炼工艺的研究，制定合理的压球一干
燥一冶炼工艺，采用此工艺对不锈钢除尘灰进行加工处理，结果表明：300系列不锈钢除尘灰加入特殊添加剂后压
球，可有效的防止球的粉化；球干燥后采用矿热炉冶炼，可降低生产成本，提高了合金元素的收得率：镍的收得率达
到93．3％ 以上，铬的收得率达92．6％ 以上，铁的收得率达90．1％ 以上，产品符合不锈钢厂使用标准要求，处理工艺
达到国内先进水平。
关键词：除尘灰；粉化机理；还原机理；压球；冶炼
中图分类号：X757 文献标识码：A
Research on the Recuperation of Removable Dust from
Stainless Steel Deduster
LI Ju-cang
(Tianfeng Stainless Steel Company of JISCO ，Jiayuguan 735100，China)
Abstract：By the analysis of the content，the mechanism of pulverization an d revivification，the ball formation and smelting
process，the recuperation of removable dust from stainless steel deduster was established by ball extruding drying smelting
process．This process Van effectively prevent the pulverization during the ball form ation process by adding the special addi—
tive in the removable dust from 300 stainless steel deduster；After enough drying and smelting at submerged arc furnace，
the production cost can be reduced an d the yield ratio of alloy components Can be increased with more than 93．3％ of Ni．
92．6％ of Cr．90．1％ of Fe．The product can meet the exploitation specification requested from stainless steel plant．The
process is the advanced domestic leve1．
Key W ords：removable dust；mechanism of pulverization；mechanism of revivification；ball extruding；smelting
1 引言
不锈钢生产产生除尘灰在40～60 kg／t，不锈钢
除尘灰因其含有铬、镍等物质，对环境造成很大的危
害和严重的污染，特别是水资源的安全，大量的露天
堆积有潜在的危险，一旦发生污染，六价铬渗入地下
水源，将导致不可逆无法修复的生态环境破坏 J。
因此对不锈钢除尘灰的有效处理至关重要。
不锈钢除尘灰通过压球后冶炼成低镍铬生铁，
可大量用于不锈钢、耐热钢、工具钢生产，高速发展
的汽车工业也需要大量的含镍铬铸件。同时我国
镍、铬资源贫乏，镍资源的60％ 、铬资源的85％依
靠进口，因此不锈钢除尘灰的循环再生利用具有非
常重要的环保和社会意义。
2 不锈钢除尘的性质和冶炼理论
2．1 不锈钢除尘灰的成分
不锈钢300系列除尘灰化学成分如表1。
表1 不锈钢除尘灰成分
旦 坌 丝 !!! 里 ! 圣! ! !
平均含量 33．02 0．008 0．026 0．89 10．75 0．027 0．81 0．081 15．5 9．02 2．75
AL2O3
1．69
螺 麓 麟
58 甘肃 冶 金
x射线衍射仪分析不锈钢除尘灰的物相组成，
图谱如图1。
∞
o
、
噬
图l 不锈钢除尘灰x射线衍射谱
从图1可以看出，粉尘中主要金属物相为铁和
铬的氧化物及镍的氧化物。
2．2 不锈钢烟尘中主要氧化物的物理性质分析
不锈钢除尘灰中的主要氧化物的熔点和密度如
表2所示。
表2 不锈钢除尘灰中主要氧化物的密度和熔点
项目 NiO Cr203 Fe203 SiO2 CaO
熔点(K) 2 030 2 173 1 673 1 993 2 743
密度／(g／(_m ) 2 32 5．21 5 92 2．35 3．32
经测试，不锈钢除尘灰的熔点在1593～1675K
之间，其渣的密度也小于镍铬铁的密度，而且渣铁分
离较好。
2．3 除尘灰压球加热粉化原理分析
为了满足矿热炉的冶炼需要，造球后的球团矿
应具有一定的机械强度，粒度为20～50 mm，20 mm
以下不超过5％ ，同时在配料中加入焦粉增加料的
导电性和透气性 ，表3为压球配比。
表3 不锈钢除尘灰压球配比
采用表3中配比后加热干燥过程球粉化严重，
部分不粉化球在矿热炉冶炼过程粉化，造成冶炼过
程大部分灰从烟囱中抽走，同时粉状物在炉中造成
炉膛透气性变差，生产安全因素较差。
分析认为：不锈钢除尘灰中存在l5％ 左右的
CaO和9％左右的SiO ，而SiO2的三种晶型转变时，
会发生体积的收缩和膨胀。如B英石向a英石转变
时(转变温度575℃)，体积膨胀2．4％ ，a英石向a
第35卷
鳞英石转变时(转变温度870 )，体积膨胀2．7％
2CaO ·SiO2有四种晶型：a、 、fj、 ，其中a’
2CaO·SiO 出现快转变，有~2CaO·SiO 形成。⋯
a’2CaO-SiO：(转变温度675 )转变为132CaO·
SiO2及[32CAO ·SiO (转变温度725 oC)转变为
"y2CaO·SiO 时，体积膨胀12％ ，此种性质常使耐火
材料、烧结矿、水泥熟料及高碱度渣产生粉化现
象 。
因此球的粉化主要是除 灰 tt的SiO，种2CaO
· SiO。在加热过程中相变体积膨胀所致。针对粉化
问题，后期配料6中加入8％ ～10％ 防粉化抑制剂，
消除了压球在』J口热和冶炼过程中的粉化问题。
2．4 不锈钢除尘灰还原理论
不锈钢除尘灰中每种金属氧化物还原的热力学
条件是不同的，同一热力学条件对各种金属元素的
还原有不同的影响 由已知热力学数据 ，用组
合法町以计算碳和金属氧化物反应的标准吉布斯自
由能和其在标准状态下的理论还原温度。
其基本理论数据如下：
(Cr 03)+3[C]=2[cr]+3[C0]
A G。=719970 —462． 19T(J) △G。=0 T=
1557．74(K)
(Cr2O 3)+3C(s、：2lcr J+3lCO J
△G。=787740—588．97T(J) △G。：0 r=
1337．49(K)
(MnO)+[C]=[Mn]+CO
△G =27l650—169．03T(J1
1607．11(K)
(MnO)+c =[Mn]+c0
△G。=283885—170．12(J)
1668．73f K
(NiO)4-[C]=[ ]+CO
△G。= 139623 — 181．1 14
770．91fK)
(NiO)+C㈤=l Nij+CO
A G。= 134510 — 178． 95(J) 2xG =0 T=
751．66(K)
从氧势图 和计算所得数据分析，锰与氧的亲
和力比其它金属与氧的亲和力强，还原MnO需要较
高的温度和较大的能量，所以最难被还原的是锰氧
化物，其次是铬氧化物，镍和铁的氧化物是最容易被
还原的。
从热力学条件可以看出，炉料中金属氧化物的
还原温度比冶炼温度低，还原温度越高越有利于金
属的还原。氧化物的还原虽然能够在较低温度下进
行，但反应速度很慢；当熔炼时有足够高的温度时，
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第1期 李具仓：不锈钢除尘灰冶炼工艺研究 59
还原剂碳和金属氧化物中的氧会很快结合生成大量
的CO气体，改善了反应的动力学条件，有利于金属
氧化物的还原。高温能提高金属氧化物还原率的另
一个原因是由于金属氧化物的直接还原是强吸热反
应，因此温度越高，金属氧化物越有利于被还原。现
场测温矿热炉中还原不锈钢除尘灰炉温一般在1
720 oC左右。炉内弧光区温度可达2 500℃ 以上，熔
池中温度可达到1 800 qC以上。
在热力学中，活度可以表示金属溶液内元素的
相互作用。表4列出了金属液内碳与其它元素的相
互作用系数(其中x表示金属中的其它元素)。
表4 金属液内元素的相互作用系数e：(1873K)
元素 C Cr Mn Ni Si
C O．14 _0．12 _0．02 0．042 0．18
从表中可以看出，e C <0，e C <0。根据活度计
算公式：l =e C[x]
可以得出C能降低cr和Mn的活度，有利于cr
和Mn在金属中的溶解。生产中配加焦炭量为25％
时，增加了金属中的含碳量，降低了Cr和Mn的活
度，增加了Cr和Mn在金属中的溶解度，从而促进
了反应的进一步进行。因此，足够的碳配入量有利
于金属氧化物中cr和Mn的还原 J。
另外，碳含量在4．3％ 以下时，碳含量每增加
1％金属的熔点降低88℃左右。因此，碳含量的增
加有利于改善金属氧化物还原的热力学条件。在实
际生产中，足够的碳含量有利于降低冶炼温度，一般
控制在4．3％左右。
3 生产工艺
国内不锈钢除尘灰再生利用方法有不经冶炼直
接循环使用、高炉法冶炼处理、电炉法治炼处理。电
炉法冶炼中中频炉居多，冶炼方法也只在专利技术
中略见一斑，且要配加红土镍矿，全部使用除尘灰压
球后在矿热炉冶炼的工艺技术国内尚未见报道。本
次生产全部使用除尘灰进行冶炼试验，具体工艺如
图2。
图2 工艺流程图
3．1 压球工艺
使用DYQD560两辊压球机，在压球过程中采
用表3中的方案6加抑制剂15％可有效的防止球
在加热过程粉化，压球大小40 mm×40 mm。
3．2 熔炼工艺
熔炼工艺流程如下：不锈钢除尘灰球团人炉和
焦炭一矿热炉熔炼一熔剂石灰调整熔渣碱度一升温
一可加硅铁粉强化还原一熔剂萤石调整熔渣流动性
一倒渣一低镍铬铁生铁一出炉。原料主要参数：焦
炭碳含量85．77％左右；石灰中CaO含量85％左右；
萤石CaF 含量86％左右。
用原冶炼硅铁矿热炉进行改造后冶炼除尘灰
球，按资源数量：2 t不锈钢除尘生产1 t镍铬铁合
金，确定炉料的配比。由于不锈钢除尘球中含有一
定量的固定碳，经过核算后还需加入质量百分比约
为16％的焦炭才能将此配比下原料中的化合物还
原，考虑到在熔化期碳的烧损率和金属的渗碳量，生
产中最优方案为焦炭25％加入；炉渣碱度按CaO／
SiO =2左右控制，CaF：根据渣的流动性进行配加。
3．2．1 还原剂的加入量
试生产中以焦炭作为还原剂，配加量按表5中
的三个方案进行试验。
表5 配入不同焦碳量所得合金平均成分含量
从表5可以看出：冶炼过程中加入25％的焦炭
作为还原剂，元素的收得率较高，比较经济。
3．2．2 熔渣调整
调整熔渣的化学成分和流动性是矿热炉操作的
关键。特别是渣况，加入相应成分、相应数量的熔剂
(石灰粉粒和萤石)，使不锈钢除尘灰球团中熔化后
生成的熔渣充分还原。熔渣碱度要合适，熔点要低，
流动性好，改善镍、铬等元素还原反应的动力学条
件，以利镍、铬等元素的还原反应的顺利进行。
生产中炉渣碱度按(CaO+MgO)／SiO =2左右
控制，SiO。按除尘灰中和粘结剂中代入的量计算，不
再配加，石灰根据控制碱度和除尘灰中CaO、MgO
的含量计算加入，CaF 根据渣的流动性根据现场情
况配加。实际生产中炉渣控制较好，干渣和水渣现
象较少。
4 结果分析
4．1 产品化学成分统计
露 6lcom
甘肃冶 金 第35卷
矿热炉改造后已生产两年多，共计生产产品1
万多吨，对2011年9月份的产品成分统计结果如表
6所示。
4．2 主元素回收率和烟尘利用率
对2011年9月份连续l0次出钢的主元素回收
率计如表7所示。
表6 9月份产品成分统计结果／％
上述统计数据显示：元素镍的回收率统计平均
值 镍=93．3％，元素铬的回收率统计平均值 铬=
92．6％ ，元素铁的回收率统计平均值 铁=90．1％ ，
符合冶金原理的规律；从主元素回收率来看，采用焦
炭作为还原剂是可行的。
4．3 生产指标统计
9月份单位低镍铬生铁消耗和能耗指标如表8。
表8 9月份单位低镍铬生铁重要生产指标统计
5 结语
(1)成功的解决了不锈钢除尘灰球冶炼粉化问
题，实现了除尘灰中不配加红土镍矿冶炼的难题。
(2)使用焦炭还原不锈钢除尘灰：元素镍的回收
率达到93．3％ ，元素铬的回收率达到92．6％ ，元素
铁的回收率达到90．1％ 。
(3)生产指标：利用2 t不锈钢除尘灰可冶炼1 t
低镍铬生铁，焦炭消耗520 kg／t，电耗3 850 kWh／t。
(4)本研究成果的实施，可变废为宝，在减少环境
污染的同时，可创造良好的社会效益和经济效益，技
术成果鉴定国内领先。
参考文献：
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收稿日期：2012—10—2l
作者简介：李具仓(1969．)，男，甘肃静宁人，高级工程师，博土研究
生。主要从事不锈钢冶炼、铸造以及材料研究上作。
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