铬铁矿电炉冶炼高碳铬铁现状与发展趋势.pdf

1、 年第 期总第 期铁 合 金.:./.项目来源 中南大学研究生科研创新项目(校企联合项目)(项目编号:)作者简介 郭宇峰 男 年出生博士教授:.通信作者 王帅 男 年出生博士副教授:.收稿日期 铬铁矿电炉冶炼高碳铬铁现状与发展趋势郭宇峰李志伟杨景军王帅陈凤刘飞杨凌志(中南大学资源加工与生物工程学院 湖南长沙)(山西工程职业学院 山西太原)(新太实业集团有限公司 内蒙古乌兰察布)摘 要 介绍了铬铁矿电炉法冶炼生产高碳铬铁现状及未来发展方向 当前全球范围内高碳铬铁的冶炼方式以电炉冶炼为主可将冶炼方式分为开放式/半封闭式交流埋弧炉冶炼、封闭式交流埋弧炉冶炼、预还原封闭式交流埋弧炉冶炼、开放式直流明弧

2、炉冶炼 随着电炉容量扩大允许配入的粉矿占比越来越小需要对炉料进行造块预处理方法包括烧结、球团、压团 此外铬铁矿中铬还原温度高渣系熔化温度高冶炼过程中能耗高、碳排放高未来高碳铬铁生产需要从炉料清洁制备、炉渣制度优化及冶炼技术研究等方面开展研究关键词 高碳铬铁 电炉冶炼 炉料预处理 渣系优化中图分类号.文献标识码 文章编号()()()(.)./.前言铬是不锈钢生产当中必不可少的元素通常以铬铁合金的形式加入不锈钢其中的铬部分置换铁形成合金渗碳体提高不锈钢的稳定性另有部分铬溶入铁素体当中提高不锈钢强度、硬度和耐磨性铬铁合金是通过铬铁矿冶炼获得铬铁矿的分类主要有铬铁矿、镁铬铁矿、铝铬铁矿、富铬尖晶矿统称

3、铬铁矿 截止 年根据 提供的数据可得全球范围已探测到的铬铁矿总量已经达到了 亿 资源分布如图 所示由图 可见全球铬铁矿资源分布极度不平衡大部分铬铁矿集中在少数几个国家地区其中近一半铬铁矿分布在南非地区除南非外津巴布韦的铬铁矿占有量也非常巨大超过了 亿 目前通常以碳为还原剂将铬、铁元素从铬铁矿中还原获得铬铁合金 该过程需添加大量熔剂最终合金中除了所需要的铬、铁元素之外还图 年全球铬铁矿产量分布(据 官网数据.).(.)包含其他如碳、硅、磷、硫等元素 铬铁分类根据其碳含量的高低可分为:高碳铬铁、中/低碳铬铁、微碳铬铁其中高碳铬铁是铬铁合金生产的主要产品 目前全球生产的铬铁合金当中约有 是高碳铬铁

4、高碳铬铁中铬含量为 左右 含量 具体牌号分类见表 表 不同牌号高碳铬铁成分组成表.牌号化学成分/范围.早期使用高炉、转炉等设备冶炼生产高碳铬铁但炉温比较难达到需要的温度冶炼效果并不理想铬回收率不高合金中的铬含量较低实际铬含量上限约 左右且热量利用率低 而电炉工作时最高温度可达 满足各种冶炼反应条件因此电炉法也成为目前高碳铬铁主要的生产方式 至今我国生产铬铁合金的企业已超过一百家其中部分企业产量进入全球铬铁企业产量前 年度全球范围内铬铁产量排名前 企业见表 由表 可见我国已成为世界铬铁合金的生产大国由于铬铁矿中的铬氧化物还原需要较高温度且铬铁矿冶炼渣系成分主要是 该渣系熔化温度高黏度大导致冶炼过

5、程需要消耗大表 年全球高碳铬铁产量前十企业(数据来源:.).(:.)排名公司名称国家 年产量/万 萨曼可 南非嘉能可 南非欧亚资源集团 哈萨克斯坦新钢联冶金有限公司中国 明拓集团铬业科技有限公司中国奥托昆普 芬兰印度塔塔集团 印度印度塔塔集团 津巴印尼湖南万泰钢铁有限公司中国 山西太钢万邦炉料有限公司中国铁 合 金 年 量能量因此高碳铬铁生产成为高能耗产业有统计铬铁合金的生产能耗达到 /总体上高碳铬铁的生产在节能降耗提高回收率等方面具有较大提升空间本文从铬铁矿炉料制备、电炉冶炼现状综述了目前主要高碳铬铁生产工艺总结高碳铬铁生产当中存在的问题从炉料清洁制备、节能降耗、渣系优化、炉渣利用等方面提出

6、展望 高碳铬铁冶炼技术现状电炉法作为目前高碳铬铁主要冶炼方式利用电流或电弧通过炉料时产生的热量对炉料进行加热得到碳、铬含量高的高碳铬铁产品但电炉法对入炉料要求较高随着电炉容量的扩大允许配入的粉矿占比越来越小因此需要对炉料进行入炉前预处理炉料的预处理方式可分为烧结、球团、压团等 预处理后装入电炉内冶炼冶炼方法可分为开放式直流开弧冶炼、开放式/半封闭式交流埋弧冶炼、封闭式交流埋弧冶炼 经过炉料处理、电炉冶炼后最终获得合格的高碳铬铁产品.炉料制备现状.直接入炉炉料直接入炉是将铬铁矿与还原剂、熔剂混合之后直接入炉冶炼的一种炉料处理方式该方式使用的铬铁矿是自然块矿 作为冶炼高碳铬铁最早的炉料处理方法该方

7、法虽然步骤简单但自然块矿产量逐渐减少直接入炉冶炼对能源利用率较低能耗损失较大炉料混合均匀程度较低在冶炼过程中存在部分矿料参与反应部分矿料未参与反应的情况目前该方法已被淘汰.铬铁矿造块目前国内外铬铁矿造块处理方式分为以下几种:烧结法、球团法(氧化性球团、还原性球团)、压团法烧结法:该方法是将粉状铬铁矿通过高温加热在不完全熔化条件下将铬铁矿烧结成块烧结后的铬铁矿疏松多孔且具备一定的强度有利于冶炼同时许多研究对铬铁矿烧结技术进行多次实验成品率成功提高到.但铬铁矿熔点高产生液相的温度较高工艺能耗偏高且粉状铬铁矿烧结过程透气性差因此铬铁矿烧结技术还需要进一步完善 目前使用烧结法进行铬铁矿造块的代表性公司

8、有奥图泰()公司等其入炉料处理技术路线如图 所示图 奥图泰高碳铬铁冶炼入炉料处理技术路线.在配料阶段将铬矿与约 的还原剂混匀后球磨可添加返矿一起进行球磨对符合粒度要求的混合料进行过滤控制浆料中的水分含量再添加膨润土、添加剂等进行造球获得的球团通过滚轴筛进行筛分之后经过梭式给料机和辊式给料机搭配底层球团进入钢带烧结炉内烧结炉分为多个单元随后通过冷空气扇吹入冷风在前三个冷却室中冷却随后烧结球团和底层球团一起通过传输带经 第 期郭宇峰等 铬铁矿电炉冶炼高碳铬铁现状与发展趋势 过筛分获得产品球最终将产品球送至电炉进行熔炼氧化球团法:该方法不在球团内配入碳质还原剂将铬铁矿磨细后造球再焙烧得到氧化性球团目

9、前制备氧化性球团的代表性方法有 法即将铬铁矿配上少量的除尘器中回收的矿粉和焦粉造球入 竖炉进行预热焙烧该工艺获得的氧化性球团可热装可冷装但电耗比制备还原性球团高后续电炉冶炼的碳质还原剂用量过大预还原球团法:该方法是在球团内配入碳质还原剂并将球团焙烧预还原获得金属化球团有效减少能耗提高铬的回收率 目前具有代表性制备还原性球团的方法有、法 其中 法是在球团内配入一定的碳质还原剂使用链篦机回转窑预还原铬铁矿球团配碳量为还原矿中、的理论量的 冶炼焦用量减少了 铬回收率提高了 该工艺获得的产品还原度有 电炉冶炼获得的渣中铬含量仅有 但 方法需要解决回转窑结圈问题 法使用转底炉预还原铬铁矿球团该工艺用可燃

10、气体提供热量通常首选高燃值的天然气也可使用炉煤气国际上有加拿大国际金属回收公司使用该工艺方法进行球团的预还原但在国内仍使用固定碳为还原剂用固定碳燃烧产生的热量进行预还原 工艺获得的球团还原度处于 区间内有效避免了结圈粉化等问题但综合能耗(/)比 法(/)要高除上述两种预还原工艺之外在 世纪初我国成功研发出外热式竖炉生产工艺该工艺是将铬矿粉、焦炭、膨润土按一定的比例制成球团之后再经外热式竖炉进行预还原最终获得产品的还原度 压团法:该方法将粉状铬铁矿在一定外压力作用下在模具内受压形成形状和大小一定的铬铁矿块 压团法减少了工序投资低美国内湖公司使用马里兰州巴尔特莫国际球团厂提供团块在电炉上进行冶炼硅

11、铬合金的试验但是冶炼之后难以得到含碳量低于 的铬铁合金冶炼技术难以改善.还原剂高碳铬铁冶炼常用的还原剂包括焦炭、无烟煤和兰炭三种 目前使用的还原剂大部分是冶金焦冶金焦具备固定碳高、强度高的优点但是冶金焦的比电阻不高反应性能欠佳且灰分和硫、磷的含量较高同时水分含量较高 有研究尝试使用其他还原剂代替冶金焦兰炭具有较高的比电阻且价格较低但是兰炭的固定碳较低挥发分高可以与冶金焦搭配在达到预期冶炼效果的前提下节约成本 除了兰炭之外无烟煤也是还原剂之一 等人使用无烟煤进行了还原铬矿实验在大功率电炉内使用无烟煤提高了工作电压降低了电消耗且无烟煤其他元素含量较低冶炼得到的铬铁合金其他元素含量更低 除上述之外还

12、可以使用矿煤等还原剂.电炉冶炼方法及工艺现状高碳铬铁的冶炼方式以电炉冶炼为主根据电炉加热方式将电炉分为:还原电炉(矿热炉)、电阻炉和感应炉 目前工业化大规模生产使用的是还原电炉(矿热炉)分为埋弧电炉和精炼电炉其中埋弧电炉主要用于生产高碳铬铁精炼电炉用于生产中低碳、微碳铬铁还原电炉冶炼根据冶炼时电炉的开放程度和电极是否埋入炉料分为开放式/半封闭式交流埋弧炉冶炼、封闭式交流埋弧炉冶炼、预还原封闭式交流埋弧炉冶炼以及开放式直流明弧炉冶炼.开放式/半封闭式交流埋弧炉冶炼开放式/半封闭式交流埋弧炉冶炼是在冶炼过程中电炉炉口处于全开放或半封闭状态将电极埋入炉料使用交流电冶炼这是高碳铬铁冶炼最早采取的方式

13、该方式在冶炼过程中可实时观察到冶炼电炉的状况以便对炉内炉料情况进行调整该冶炼方式存在的弊端是热利用效率不高由于烟气中含有较多的细小颗粒且黏结性强烟气的利用存在一定的难度需要采用复杂的除尘方式才能达到烟气利用的目的导致冶炼整体步骤繁琐效果不明显产生烟气带走的热量占整个热量输出近 该方式整体能耗(/)远大于封闭式交流电埋弧冶炼 目前开放式交流电埋弧炉冶炼逐步被淘汰但在我国和印度仍有部分厂家使用该冶炼方式.封闭式交流埋弧炉冶炼封闭式交流埋弧炉在冶炼过程中电炉炉口处于全封闭状态电极埋入炉料使用交流电冶炼 该冶炼方式需要对炉料进行预处理再入炉冶炼热利用率高在提倡能源高效利用的现阶段逐渐成为主流冶炼方式电

14、炉容量也朝大型化发展该冶炼方式使用的炉料包括烧结矿、球团矿等炉料入炉之后只能通过观测孔、检修孔、防爆孔和复杂的控制系统对炉内情况进行观测和控制铁 合 金 年 因此炉料的预处理方式是影响熔炼效果最重要的因素目前全球范围内比较有代表性的是奥图泰()公司较完善的炉料预处理封闭式交流电埋弧炉冶炼技术国内明拓集团及山西万邦引进了该技术.预还原封闭式交流埋弧炉冶炼预还原封闭式交流弧炉冶炼是使用煤或还原气体对入炉料高温焙烧后得到预还原炉料再加入电炉冶炼 预还原过程有助于降低后续冶炼过程的电耗提高生产效率将预还原与封闭式交流电埋弧炉联合使用可以在资源更少的情况下得到合格的产品 目前世界范围内以预还原封闭式交流

15、电埋弧炉冶炼方式为主的大型生产商只有两家一家 是 斯 特 拉 塔 公 司()位 于 莱 登 堡()的 工 厂 另 外 一 家 是 位 于 南 非 的()工厂这是因为采用预还原电炉的冶炼方式对技术、设备及生产组织要求高导致大型工厂较少 其中莱登堡()的预还原封闭式交流电埋弧炉冶炼的生产流程非常具有代表性具体的流程见图 图 莱登堡()预还原封闭式电炉冶炼生产流程.该流程将矿石、无烟煤与膨润土配料干燥研磨混料后进行造球装入 回转窑中焙烧得到预还原球团排入传送仓内在仓内精细配入所需还原剂然后热料装入电炉内进行冶炼其中研磨之后粒度小于 的物料占 以上球团直径处于 之间最终冶炼铬回收率达 冶炼电耗 /.开

16、放式直流明弧炉冶炼开放式直流电弧炉冶炼在 世纪 年代开始工业研究在英国的 进行中试实验并且取得了成功在 世纪 年代 公司选择将石墨电极应用到直流明弧炉当中随着技术的发展直流电炉的功率也在日益增大从 增大到了 但直流开弧电炉最主要的难题仍是无法获得较大功率的电流直流开放式电炉结构如图 所示直流电弧炉不需要将电极插入到炉料是利用石墨电极与炉料之间产生的电弧来熔炼直流电炉可以使用细粒炉料和非焦煤对电极的消耗也更小 目前全球范围内使用到直流开式电弧炉冶炼技术的公司包括:哈萨克斯坦 有 座图 直流开放式电炉结构.的直流开式电炉 南非 公司的 拥有南非最大的直流明弧电炉功率达到了 日本有全球范围最大的直流

17、明弧电炉功率达到了 该直流电炉采用的是双阴极目前全球范围内直流开弧电炉的功率有 、高碳铬铁未来发展趋势.炉料清洁制备全球范围内高品位块状铬铁矿资源的减少未来 第 期郭宇峰等 铬铁矿电炉冶炼高碳铬铁现状与发展趋势 将用到更多低品位粉状铬铁矿导致能耗提高提高冶炼成本 因此对粉状铬铁矿进行造块处理势在必行目前对铬铁矿粉处理的主要方式是将铬铁矿粉制备成球团球团法可以处理经过磨矿和选矿后粒度更细的物料 将熔剂、还原剂与粉状铬铁矿混匀之后成球所得球团在后续预热焙烧过程中部分铬铁矿被预还原 其次在球团内配熔剂可以形成低熔点化合物降低黏度在冶炼过程中的元素分配更加均匀调整化学成分、改善原料的冶金性能能耗低.节

18、能降耗高碳铬铁冶炼需要消耗大量电能电能利用率较低 虽然电炉冶炼可以提供良好的冶炼效果但能耗及碳排放量较高导致高碳铬铁的生产面临诸多限制 在双碳背景下需要开发更加节能的冶炼方式有研究尝试使用其他办法代替电炉冶炼其中微波冶炼及微波预还原研究最多微波冶炼是使用微波加热物料铬铁矿对微波有良好的响应吸波性强能够在微波场中快速升温同时微 波 冶 炼 还 具 备 清 洁、绿 色 高 效 等 特 点 等人对铬铁矿在微波场中碳热还原过程和不同温度阶段炉料的物相变化进行了研究发现在微波场中碳含量的变化会很大程度影响微波场中炉料对微波的吸收程度而炉料对微波的吸收程度影响着冶炼过程中炉料的金属化程度所以微波冶炼对配碳

19、量的计算要求十分严格过少冶炼效果不佳碳含量较多则残余碳含量过多 此外在微波冶炼过程中随着温度的升高炉料中熔剂的介电常数出现波动比如 在温度 其相对介电常数是先增大后减小而磁导率则呈现相反的趋势在冶炼当中随着温度的升高相对介电常数趋于减少相对磁导率趋于增大增大脱碳速度 总之微波冶炼作为新兴热门的冶炼高碳铬铁方式可以有效节约能源但是将其工业化仍需要大量研究.渣系优化在高碳铬铁的冶炼过程当中炉渣是冶炼过程中除金属熔体以外的副产物起到了分离吸收杂质、除去粗金属中有害元素与提高金属产品性能的作用且能保护金属不受环境污染及减少金属的热损失 因此控制炉渣的化学组成、熔炼温度及其所具有的物理化学性质在高碳铬铁

20、冶炼过程中重点关注 在高碳铬铁冶炼过程中因为铬的熔点较高还原单质铬需要的温度高达 因此在冶炼过程中整个体系的熔化温度较高而具备良好流动性的渣系会在冶炼过程中使反应更加充分实现较好的渣铁分离效果使合金中的铬元素含量提高减少渣中跑铬 三元系相图如图 所示图 三元系相图.目前高碳铬铁生产渣型主要是 三元体系(即图中区域)该区域炉渣温度高研究表明渣中 含量对炉渣的黏度影响较大同时影响炉渣熔化温度而四元体系 相图中低熔点相区面积变大这意味着炉渣的开始熔化温度逐渐降低同时已有研究表明炉渣碱度的增加或在炉渣内添加特定的熔剂改变炉渣的化学成分可以有效降低炉渣的黏度和熔点 因此对高碳铬铁冶炼渣系进行优化可以很大

21、程度降低炉渣熔点降低能耗.炉渣利用目前伴随冶炼产生的炉渣一般作为废弃物被送到渣场堆放但是由于冶炼中生产的弃渣数量过大堆存需要大量土地因此对炉渣进行回收利用可以有效保护环境同时炉渣中还含有较多的可回收元素直接将炉渣用于其他用途导致有用元素的流失浪费从中回收有价元素可以解决这一问题 回收利用炉渣的主要成分为、最终炉渣用作建筑材料和其他工业材料的原料有研究从高碳铬铁冶金渣中通过磁选的方法获得了含铬材料该方法有效回收了铬元素减少了渣中铬元素损失影响磁选的两个重要因素是粒度和电流大小另外铬铁渣具有一定的强度经过回收之后可以直接用于铺装材料和混凝土骨料还可以在回收之后进行粉碎再加工包括再次烧结冷却加入铁

22、合 金 年 混凝土中这样处理后混凝土表现出来的抗压强度明显比普通的混凝土更高冶炼中炉渣的产生不可避免因此对炉渣的回收利用也是未来发展趋势之一合理利用炉渣也是将资源最大化利用的关键 结论当前世界范围内粉状铬铁矿增多生产成本增加冶炼技术的落后是影响我国铬铁产业发展的重要问题 为了满足国家节能、绿色冶金的要求因此对粉状铬铁矿进行预处理非常必要生产过程中可根据铬铁矿的品位选择合适的造块方法包括烧结、制备氧化性球团和还原性球团制备还原性球团逐渐成为主要的处理方式 冶炼方式具备多样性预还原封闭式埋弧电炉冶炼是目前能显著提高冶炼效果且已经实现工业化生产的一种冶炼方式 未来高碳铬铁冶炼发展趋势可从炉料高效制备

23、、渣系优化及炉渣利用等方面开展参考文献 .():.曹彦祥.大型真空电阻炉的研制.真空():.赵宏军陈玉明陈秀法.全球铬铁矿床成因类型、地质特征及 时 空 分 布 规 律 初 探 .矿 床 地 质 ():.():.王惠永吕韬刘雪松.我国高碳铬铁产业发展现状/(首届)全国铁合金热点难点技术交流会论文集.于洋刘雪林李宝宽.高碳铬铁冶炼工艺中的能耗分析/(首届)全国铁合金热点难点技术交流会论文集.李建法.我国铬铁行业发展概况及现状.冶金管理():.():.朱德庆李建潘建等.铬铁矿粉烧结试验研究.钢铁():.陈文国.奥图泰生产高碳铬铁工艺设计实践.铁合金():.朱德庆李建范晓慧等.铬铁矿粉造块方法综述.

24、烧结球团():.():.贺万才王代军.大型铬铁合金预还原球团的技术进步.铁合金():.李志忠.铬矿预还原生产铬铁新工艺.铁合金():.吕韬王惠永刘雪松.铬铁矿粉转底炉预还原工艺/(首届)全国铁合金热点难点技术交流会论文集.曾仁福陈相龙雷宪军等.中粒兰炭在高碳铬铁电炉的应用/(首届)全国铁合金热点难点技术交流会论文集.():.():.():.张国强.明拓集团降低高碳铬铁生产能耗的方案研究.内蒙古:内蒙古大学.:./.():.():.():.第 期郭宇峰等 铬铁矿电炉冶炼高碳铬铁现状与发展趋势 .():.:.王昊王妍许琦.改善高碳铬铁渣铁分离的探讨.铁合金():.():.():.():.():.(

25、上接第 页)表 准确度试验.编号推荐值 测定值(本法)偏差锰矿.锰矿.锰矿.由表 可以看出采用本方法分析锰矿石中的锰含量结果与推荐值在允许差范围内表明本方法准确度良好 结语根据上述试验结果笔者认为本方法具有较好的回收率、精密度和准确度严格按照本方法操作能得到准确的分析结果可应用到酸难溶锰矿石中锰含量的分析中可替代电位滴定法省时省力提高效率参考文献 实用冶金分析方法与基础.辽宁科学技术出版社:.周晓芬.高氯酸氧化硫酸亚铁铵滴定法测定锰矿石中锰的条件试验.新疆有色金属:./锰矿石 锰含量的测定 电位滴定法和硫酸亚铁铵滴定法.年铁合金杂志征订启事 铁合金杂志是由国家科委、国家新闻出版总署批准公开发行

26、的科技期刊由吉林铁合金股份有限公司主办是中国铁合金行业唯一具有一定权威性的专业技术期刊本刊曾连续多年入选中国科技论文统计源期刊铁合金杂志主要介绍中国铁合金工业及其相关行业的生产技术、科学试验、理论研究、经营管理、市场信息工艺、产品、设备的开发及更新质量监督以及环境保护与综合利用、元素检测等方面的经验成果并及时报道国内外先进技术和发展动态铁合金杂志为双月刊(大 开 版)双月月底出版邮发代号为 单价 元/本另加收快递费 元/本本刊可在邮局订阅也可以在铁合金杂志编辑部订阅汇款请注明所订数量及收件人姓名、详细地址及邮编电话:/邮箱:.网址:.邮局汇款地 址:吉林市昌邑区和平街 号单 位:吉林铁合金股份有限公司收件人:铁合金编辑部 邮编:银行汇款开户行:中国工商银行吉林市分行哈达支行账 号:账 户:吉林铁合金设计有限责任公司铁 合 金 年