一種電解鋁廠鋁灰的高效利用工藝的製作方法
2023-06-01 19:27:56 1
本發明涉及電解鋁生產過程中產生的白色鋁灰在煉鋼生產過程中合理應用的行業交叉創新工藝，特別是一種電解鋁廠鋁灰的高效利用工藝。
背景技術：
鋁生產企業和鋼鐵生產企業，都屬於國民經濟的支柱性產業和戰略行業，鋁灰是鋁工業不可避免的副產物，其組成複雜，含有大量的金屬鋁、熔鹽混合物、氧化鋁、合金及其他組分。在氧化鋁經熔鹽電解生產鋁的過程中，由於操作和測定器具的攜帶、陽極更換、出鋁、鑄錠以及電解槽大修，會產生一定量的鋁灰。一般每生產1噸鋁會產生30～50kg的鋁灰。對於白鋁灰的成分，x射線衍射分析結果表明鋁灰的物相組成為al2o3、mgal2o4、aln、naal11o17和k1.6al11o17。鋁灰被國家列為危險廢物，不能運送出鋁電解廠，但每個鋁電解廠在金屬鋁生產過程中產生的鋁灰量較少，如果將其進行處理，將大增加生產成本。為了使鋁灰能運送出鋁電解廠進行集中處理，需將鋁灰進行無害化處理。如果直接排放將會汙染環境。所以需將鋁灰中的氮、氯和氟含量降到許可排放的範圍或更低的含量，然後再進行集中處理。根據國家環保要求，廢棄物排放中對氮、氯和氟排放量經作出了要求，但對於鋁灰中氮、氯和氟含量未提出明確要求，然而目前國際上氧化鋁生產的原料鋁土礦中的氯和氟等微量雜質的含量一般為0.001%～0.2%範圍以內。
目前已有將鋁灰應用於煉鋼工藝過程中的脫氧劑使用，在電爐或者轉爐出鋼過程中添加，也有的在lf精煉過程中做脫氧劑使用。但是這種使用模式，使得鋁灰中間的氮化物對鋼水造成增氮，對於大多數鋼的質量來講，是一種危害，這也限制了鋁灰在煉鋼工藝中間的應用。在部分的地區，為了消除這一危害，對於鋁灰水解脫氮的工藝也有實施的範例，但是這又造成了新的環境汙染。
煉鋼工藝過程中，鋼水脫氧的模式主要有兩種：（1）擴散脫氧。通過降低爐渣中間的feo+mno的含量，使鋼液中間的氧向爐渣中間擴散加以脫除。（2）沉澱脫氧。即直接向鋼液中間加入脫氧劑，脫除鋼液中間的自由氧或者浮氏體。
在脫氧的過程中，調整爐渣的鹼度和粘度，也是脫氧的重要操作內容。調整爐渣的鹼度通常由sio2和al2o3作為最主要的兩種成分的原料來完成。其中sio2主要用於矽鎮靜鋼和矽鋁鎮靜鋼調整爐渣的鹼度，al2o3可以通用於爐渣鹼度的調整。
目前採用調整爐渣鹼度含有al2o3的原料主要有鋁礬土和鋁粉、鋁渣球（鋁灰直接壓球）等。檢索文獻披露：（1）王寶慶，王丹，廖耀華等人在2015（12）第32卷的《河南化工》雜誌上刊登的論文「鋁灰回收工藝研究進展」中間，有「鋁灰是鋁工業不可避免的副產物，其組成複雜，含有大量的金屬鋁、熔鹽混合物、氧化鋁、合金及其他組分。鋁灰通常被認為是廢物而被堆積在垃圾處理廠，然而其中的某些組分是可以回收製取高純度產品的，處理後的殘餘物也是無毒的，其中可回收組分包括金屬鋁、氧化鋁以及其他有用組分。為避免環境汙染並創造經濟收益，鋁灰的回收再利用已經引起人們的廣泛關注。本文介紹了鋁灰的產因、分類、組成，著重對鋁灰不同的回收工藝進行了綜述，展望了鋁灰回收工藝的前景並提出了相關建議。」的內容表述；文章中間沒有關於在煉鋼工藝環節中間應用，並且消除其危害作用的內容表述；（2）蘇曉梅，李小忠，申秀英在2010,44(2):254-258《華中師範大學學報》的雜誌上刊出的論文「鋁灰渣高效利用的試驗研究」一文中間有「鋁灰中的有毒金屬元素（se、as、ba、cd、cr、pb等)進人土壤和地下水系統會造成重金屬汙染等負面影響；鹽餅中的鹽分積聚在土壤中會導致鹽鹼化；接觸水後會產生氨氣、氫氣和甲烷，容易引起火災；其中的砷和砷化鋁等雜質與水發生反應後產生的砷化氫氣體在生產場所中富集後不僅汙染空氣，而且會造成密切接觸者的急性砷化氫中毒。由此可見，最大限度地回收鋁灰中的有價成分，不僅可以免去填埋的需要，還能消除以上諸類汙染。」的內容表述；文章中間介紹了目前鋁灰的處理方式有「壓榨回收法、傾動迴轉爐處理法、迴轉窯處理法、改良的mrm法和炒灰回收法的處理工藝」，文章中間同樣沒有提及鋁灰在煉鋼領域進行無害化的處理工藝；（3）俞海明主編，與2012年在冶金工業出版社出版的著作《轉爐鋼水的爐外精煉技術》書中中有「向鋼水內加入預熔渣或者不同的渣料，這些渣料的主要成分是石灰和螢石、石灰和鋁渣球、石灰和預熔渣等。這些渣料的熔點較低，能夠迅速的形成低熔點的渣系，呈現液態的渣系。使得al2o3夾雜物能夠被熔渣吸附在一起，在浮力的作用下上浮到鋼水上部，進入頂渣被去除」的內容表述。
通過這些文獻的表述可知，電解鋁廠的鋁灰在煉鋼工藝環節中間的應用，還沒有一種能夠消除其潛在危害元素的工藝方法。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種電解鋁廠鋁灰的高效利用工藝，將鋁灰用於煉鋼工藝環節之中，不僅能夠有利於煉鋼脫氧作業，而且能夠對鋁灰進行無害化處理，一舉多得。
本發明的目的是這樣實現的，一種電解鋁廠鋁灰的高效利用工藝，使用電解鋁廠的白色鋁灰，配加石灰石粉末和石墨碳壓製成為球體，應用於lf精煉工藝過程中；所述三種成分的重量百分比含量分別為鋁灰60%、石灰石30%、石墨碳10%；將石灰石和石墨破碎，然後再在雷蒙磨中間將其磨細到粒度為1mm以下，然後與鋁灰混合，將其混勻，加入高壓壓球機，壓製成渣球，拉運到轉爐出鋼工位待用；lf冶煉時替代脫氧劑，噸鋼加入0.8～3kg的渣球，再按照傳統的煉鋼工藝操作即可。
本發明利用氮化物在鋼液中間增氮的作用機理，設計了使用電解鋁工業產生的鋁灰，中間添加部分的石灰石粉末和石墨碳，按照比例混合後將其壓球，在轉爐出鋼過程中加入使用，能夠使得鋁灰球中間的c和金屬鋁作為脫氧元素與鋼渣中間的feo+mno反應，起到脫氧的作用。鋁灰中間的aln和al2o3參與調整爐渣的粘度與鹼度，鋁灰球中間添加的石灰石和石墨碳在煉鋼的條件下起的作用，能夠阻止或減少aln增氮的機率，並且實現鋁灰中間有害元素的無害化，具體無害化的途徑如下：
1)鋁灰中間的se、as、cd、cr、pb的氧化物在煉鋼的條件下，cd、cr被鋁灰中間的金屬鋁和石墨碳還原進入鋼液，成為鋼材的組成部分（鋼材中間的se、ba、cd、cr與鐵原子形成固溶體，大多數鋼材對於它們的限制在0.02%左右，鋁灰中間的含量在鋼液中間處於安全狀態）；其主要的反應方程式如下：
①2cr2o3+3c(s)=4cr（s）+3co2(g)
②2cdo+c(s)=2cd（s）+co2(g)
2)ba、as的氧化物成為爐渣的一部分組成精煉渣，精煉渣作為建材或水泥原料使用，as的化合物被固定，實現無害化處理。
3)pb的氧化物首先被還原，然後汽化進入煉鋼的除塵灰系統，在轉底爐或還原豎爐的還原處理下，被回收。
4)f和cl，在造渣過程中能夠起到化渣作用，可以替代煉鋼過程中的化渣材料螢石（caf2），其中cl被分解進入除塵灰系統，形成氯鹽，f成為氟化物固定在爐渣中間，爐渣應用於修路或者水泥，實現無害化。
5)se、na是降低爐渣熔點的重要物質，能夠起到化渣的作用，最後被固定在煉鋼鋼渣或者除塵灰中間。
這種工藝方法，使得鋁灰球既起到了脫氧劑煉鋼的目的，又起到了避免鋁灰中間不利因素造成的鋼液增氮的作用，使得鋁灰中間的有害物質無害化，達到從電解鋁危廢無害化高效利用的工藝目的。
本發明的技術原理：
本發明的技術原理基於以下的4個創新點：
1)將電解鋁生產過程中產生的廢棄物鋁灰（主要成分為al、aln、al2o3）與石灰石和石墨碳按照比例均勻混合，目的是以其中的al2o3與cao能夠生成低熔點的化合物12cao·7al2o3，形成液態的爐渣。
2)aln分解以後，向鋼液增氮主要是按照菲克定律擴散進入鋼液的，鋁灰球加入lf頂渣以後，碳酸鹽分解形成的氣體，使得lf爐渣泡沫化，aln分解後的氮原子進入泡沫化的氣泡上升，最後破泡後進入大氣，碳在脫氧的時候，產生的氣泡也是增加脫氮效果的工藝方法。其反應的方程式如下：
①c+feo→fe+co↑
②caco3→cao+co2↑
3)爐渣泡沫化以後，爐渣的體積和厚度增加，鋁灰球中間的氮化鋁接觸鋼液的機率減少，鋼液增氮的風險進一步降低。
4)以上的三種物質採用高壓壓球機壓製成為球體，在lf工藝過程中加入，石灰石中間的caco3分解，促使球體迅速的分解，產生的氣體co2逸出過程為後續的反應提供了動力學條件，其中的成分相互反應生成面積較大的液相12cao·7al2o3吸附夾雜物，防止了石墨碳和al2o3在高溫下燒結成塊的問題。其中的反應如下：
cao+al2o3=12cao·7al2o3
本發明的有益效果如下：
1、傳統的煉鋼工藝中間，絕大多數採用純鋁灰壓制的球體進行擴散脫氧，但是難以消除增氮的短板，本發明能夠消除這一短板，並且增加了脫氧的效果。
2、螢石caf2作為促進渣料熔解的添加成分，成本高，還會對環境造成f-1離子的汙染，本發明採用鋁灰中間的有害元素替代螢石，可以避免這種汙染，降低煉鋼成本。
3、利用鋁灰中間的還原劑金屬鋁和碳，能夠將鋁灰中間的重金屬氧化物還原進入鋼液，實現重金屬無害化，鋁灰中間的有害元素基本上的使用潛在能力被應用後，固定在鋼渣或者煉鋼除塵灰中間，實現鋁灰有害物質的無害化轉移。
具體實施方式
以下結合實施例對發明作進一步說明。
實施例，以一座120噸lf精煉爐的生產為例：
1)採購當地電解鋁廠產生的鋁灰（其中的al2o3含量為80%）600kg，並且採購當地cao含量為52%的石灰石300kg，採購碳含量為85%的石墨碳100kg。
2)將石灰石和石墨破碎，然後再在雷蒙磨中間將其磨細到1mm以下，然後與鋁灰混合，將其混勻，加入高壓壓球機，壓製成球，然後拉運到轉爐出鋼工位待用。
3）lf冶煉時替代脫氧劑，噸鋼加入0.8～3kg的渣球，並且按照傳統的煉鋼工藝使用即可。