利用铝灰和铜渣生产硅铝铁合金的方法

摘要

本发明公开了一种利用铝灰和铜渣复合废弃物为主要原料生产硅铝铁合金的方法，包括以下步骤：原料预处理、配料和制团、电热法制备硅铝铁合金。与现有技术相比，本发明利用铝灰和铜渣复合废弃物作为主要原料，克服了单独一种固体废弃物成分的局限性，还原剂采用反应活性较高且价格低廉的烟煤，通过合理配比，采用电热法生产用于炼钢脱氧剂的硅铝铁合金。采用铝灰和铜渣为主要原料生产的硅铝铁合金的主要成份重量百分比为：铝含量35～50％，硅含量15～35％，铁25～40％，Ti＜1％。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种利用铝灰和铜渣复合废弃物为主要原料生产硅铝铁合金的方法。

背景技术

炼钢的脱氧剂有多种，常用的有铝，硅铁和硅铝铁合金。其中，硅铝铁合金的密度大(约4.0g/cm³)，在钢液中不易上浮，与钢液接触时间长，铝不易烧损，可提高铝的脱氧效果，是目前钢厂最乐意使用的脱氧剂。硅铝铁合金的生产有两种方法，即掺兑法和电热法。掺兑法是将纯铝和硅铁按一定比例熔炼而成，缺点是铝和硅铁都是高能耗产品，熔炼时硅和铝均有一定烧损，故生产成本较高。电热法生产硅铝铁合金原料主要有高岭土、铝矾土，铁屑和烟煤及其它含铝、硅的矿物。在矿热炉中直接还原生产硅铝铁合金，该法工艺较复杂，设备投资较大，但生产成本相对较低，适合大规模工业生产。高岭土中氧化铝含量低于氧化硅，电热法通常生产的硅铝铁中铝含量高于硅，要配入铝矾土，铝矾土的成本较高，尤其是我国铝土矿资源有限，再加上近几年电解铝项目和氧化铝项目不断上马，对铝矾土原料的需求成倍增长，按此发展速度，不需要多少年，我国铝矾土资源将面临枯竭。

铝加工过程中产生大量的铝灰渣，铝灰渣的处理通常要经过二次精炼或机械方法提取金属铝，经提取铝后仍然剩余大量的铝灰，剩余的铝灰中仍含有15-30％的金属铝，因品位低不值得进一步提取铝而废弃。仅上海地区，每年就产生5万多吨废铝灰，对环保提出了严重挑战。其主要成分是金属铝和含铝的化合物，其中铝含量折算成三氧化二铝为70％左右，处于铝矾土中三氧化二铝含量范围之内，铝灰中存在的金属铝无需还原，可直接进入硅铝铁合金，减少了还原剂的加入量，降低了生产成本。铜渣是铜冶炼的副产品，每生产一吨铜约产生2.2吨的铜渣，2009年我国铜产量约400万吨，以此计算，我国铜渣大约达到880万吨。铜渣主要成分是铁和二氧化硅，铁替代铁屑也可直接进入硅铝铁合金，进一步降低了生产成本，而二氧化硅能够被还原成金属硅，是硅铝铁合金的主成分。以铝灰和铜渣为主要原料，通过调整两者的比例生产硅铝铁合金，克服了单一废弃物成份的局限性，真正做到了变废为宝。

经对现有技术的文献检索发现，公开号为CN1053450的中国专利公开了一种用矿热法生产硅铝铁合金的配方及其生产工艺，其配方成份主要有铝矾土、铁矾土、硅石、铁屑及烟煤等。采用电热法生产硅铝铁克服了传统掺兑法流程长，生产成本高的不足，但该专利采用了铝矾土、铁矾土、硅石等资源性原料，成本较高。检索中还发现，公开号为CN1066687中国专利公开了用矿热炉直接一步还原生产硅铝铁合金，在配料中采用原料经细粉碎充分混合再加压成块或球，使被还原剂与还原剂紧密接触，选用三水铝石和一水铝石加高岭土等活性三氧化二铝的矿石做原料。但该专利的主要原材料仍然是铝土矿，另一原料高岭土也是资源性矿物。

在铝灰的再生利用方面，公开号为CN1088622的中国专利公开了利用作为工业废弃物的铝含量很低的铝渣(同上文所述的铝灰)制造铝合金的方法。以铝渣的压块成型物、块状硅石为主要原料，以块状无烟煤为还原剂，在矿热炉中生产Al-Si-Fe合金。该专利为铝渣废物再生利用提供了一个思路，但是因为铝渣成份的局限性，硅的来源仍然用到了硅石粉这一资源性原料，还原剂用无烟煤，成本较高，无烟煤挥发分较低，还原反应活性差。进一步检索中还发现，公开号为CN1328165中国专利公开了一种生产炼钢脱氧剂Al-Si-Fe合金的熔融还原法。该方法是将不同批次的含有不同含量的铝和三氧化二铝的铝渣混配成化学成份相对稳定的铝渣粉，将该铝渣粉、硅石粉、铁锈和碳粉用废重油作粘合剂制成块状混合成型物，再将该混合成型物放入反应炉中，在1400～1800℃温度下进行1～2小时的熔融还原反应，从而得到铝硅铁合金。该专利用到了废弃物铝渣，但是同样因为铝渣成份的局限性，硅的来源仍然用到了硅石粉这一资源性原料，还原剂采用碳粉，成本非常高，碳粉挥发分较低，反应活性反而不高。

通过检索现有专利和文献，未发现以铝灰和铜渣复合废弃物为主要原料生产硅铝铁合金的报导。

发明内容

本发明为了解决上述的技术问题，公开了一种利用铝灰和铜渣复合废弃物为主要原料生产硅铝铁合金的方法，使其克服了单独一种固体废弃物成分的局限性，既降低了硅铝铁合金的生产成本，又消耗了容易造成环境污染的废弃物。

本发明利用铝灰和铜渣生产硅铝铁合金的方法，包括以下步骤：

(1)原料预处理：

A.铝灰粒度小于100目；B.将铜渣球磨到粒径小于3mm；C.还原剂采用烟煤，将烟煤球磨到粒径小于3mm；

(2)配料和制团：

按照铝灰30～45wt％：铜渣30～50wt％：烟煤18～30wt％的重量配比原料，并加入原料重量的15～22wt％的纸浆废液作为结合剂，混合制球，并烘干料球；

(3)电热法制备硅铝铁合金：

将干燥后的料球送入矿热炉，在温度大于2000℃的高温下冶炼，每隔2小时，采用石墨烧穿器打开一次炉眼，放出硅铝铁合金，吹氧10分钟除钙，静置除渣后铸锭。

其中，步骤(3)中的温度优选为2000-2800℃。

其中，步骤(3)中的温度优选为2000-2200℃。

进一步，所述步骤(2)中的结合剂采用造纸厂产生的纸浆废液，其中含有效物质木质素磺酸盐含量≥55％。

所述的料球烘干到水份小于2％。

与现有技术相比，本发明利用铝灰和铜渣复合废弃物作为主要原料，克服了单独一种固体废弃物成分的局限性，还原剂采用反应活性较高且价格低廉的烟煤，通过合理配比，采用电热法生产用于炼钢脱氧剂的硅铝铁合金。采用铝灰和铜渣为主要原料生产的硅铝铁合金的主要成份重量百分比为：铝含量35～50％，硅含量15～35％，铁25～40％，Ti＜1％。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

利用铝灰和铜渣生产硅铝铁合金的方法，包括以下步骤。

(1)原料预处理：

主要原料成分为：

铝灰主要成份重量百分比：Al₂O₃含量25～50wt％，Al含量15～30wt％，SiO2含量5～15wt％，MgO含量5～10wt％，TiO2含量1～3wt％，Fe₂O₃含量2～6wt％，CaO含量2～6wt％。铝灰粒度小于100目，无需球磨。

铜渣主要成份重量百分比：Cu含量0.2～0.7wt％，Fe含量20～40wt％，Fe₃O₄含量1～5wt％，SiO₂含量30～45wt％，Al₂O₃含量1～5wt％，CaO含量5～10wt％，MgO含量1～3wt％。将铜渣球磨到粒径小于3mm。

还原剂采用烟煤，主要成份重量百分比：固定碳含量55～65wt％，挥发份含量26～32wt％，灰份含量＜7wt％。将烟煤球磨到小于3mm。

(2)配料和制团：

按照重量百分比配料：铝灰30～45wt％、铜渣30～50wt％和烟煤18～30wt％。按照原料重量的15～22wt％加入纸浆废液作为结合剂，混合制球，烘干到水份小于2％。

所述纸浆废液采用造纸厂产生的纸浆废液，含有效物质木质素磺酸盐含量≥55％。

(3)电热法制备硅铝铁合金：

将干燥后的料球送入矿热炉，在温度2000-2800℃下冶炼，每隔2小时，采用石墨烧穿器打开一次炉眼，放出硅铝铁合金，吹氧10分钟除钙，静置除渣后铸锭。

实施例2

铝灰主要成份重量百分比：Al₂O₃含量35.65％，Al含量25.60％，SiO₂含量10.52％，MgO含量7.82％，TiO2含量2.31％，Fe₂O₃含量1.68％，CaO含量3.78％。铜渣主要成份重量百分比：Cu含量0.46％，Fe含量35.2％，Fe₃O₄含量4.06％，SiO₂含量39.2％，Al₂O₃含量3.2％，CaO含量6.8％，MgO含量1.3％，将其磨成粒度小于3mm。

优选烟煤，将其磨成粒度小于3mm，主要成份重量百分比：固定碳含量59.6％，挥发份含量29.3％，灰份含量6.71％。

按重量百分比铝灰40％、铜渣35％和烟煤25％配料，外加原料重量的18％的纸浆废液，混合均匀，制球，干燥。干燥后的料球和稻壳炭混合后一起放入6300KVA的矿热炉，电弧炉电压120V，在温度2000℃的高温下冶炼。每隔2小时，采用石墨烧穿器打开炉眼，放出硅铝铁合金，吹氧10分钟除钙，静置除渣后铸锭。

生产出的硅铝铁合金中主要元素重量百分比为：铝含量43.28％，硅含量18.06％，铁含量35.13％，钛含量0.88％。

实施例3

铝灰主要成份重量百分比：Al₂O₃含量35.65％，Al含量25.60％，SiO₂含量10.52％，MgO含量7.82％，TiO₂含量2.31％，Fe₂O₃含量1.68％，CaO含量3.78％。铜渣主要成份重量百分比：Cu含量0.46％，Fe含量35.2％，Fe₃O₄含量4.06％，SiO₂含量39.2％，Al₂O₃含量3.2％，CaO含量6.8％，MgO含量1.3％，将其磨成粒度小于3mm。

优选烟煤，将其磨成粒度小于3mm，主要成份重量百分比：固定碳含量59.6％，挥发份含量29.3％，灰份含量6.71％。

按重量百分比铝灰37％、铜渣40％和烟煤23％配料，外加原料重量的19％的纸浆废液，混合均匀，制球，干燥。干燥后的料球和稻壳炭混合后一起放入6300KVA的矿热炉，电弧炉电压120V，在温度2200℃的高温下冶炼。每隔2小时，采用石墨烧穿器打开炉眼，放出硅铝铁合金，吹氧10分钟除钙，静置除渣后铸锭。

生产出的硅铝铁合金中主要元素重量百分比为：铝含量41.06％，硅含量20.08％，铁含量36.31％，钛含量0.67％。

实施例4

铝灰主要成份重量百分比：Al₂O₃含量35.65％，Al含量25.60％，SiO₂含量10.52％，MgO含量7.82％，TiO2含量2.31％，Fe₂O₃含量1.68％，CaO含量3.78％。铜渣主要成份重量百分比：Cu含量0.46％，Fe含量38.2％，Fe₃O₄含量4.06％，SiO₂含量39.2％，Al₂O₃含量3.2％，CaO含量6.8％，MgO含量1.3％，将其磨成粒度小于3mm。

优选烟煤，将其磨成粒度小于3mm，主要成份重量百分比：固定碳含量59.6％，挥发份含量29.3％，灰份含量6.71％。

按重量百分比铝灰34％、煤矸石45％和烟煤21％配料，外加原料重量的20％的纸浆废液，混合均匀，制球，干燥。干燥后的料球和稻壳炭混合后一起放入6300KVA的矿热炉，电弧炉电压120V，在温度2100℃的高温下冶炼。每隔2小时，采用石墨烧穿器打开炉眼，放出硅铝铁合金，吹氧10分钟除钙，静置除渣后铸锭。

生产出的硅铝铁合金中主要元素重量百分比为：铝含量39.65％，硅含量20.67％，铁含量36.81％，钛含量0.61％。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。