一種渦流捲入石灰石脫除含銅鐵水中碳的方法與流程
2023-08-22 17:48:31
本發明屬於冶金技術領域，具體涉及一種渦流捲入石灰石脫除含銅鐵水中碳的方法。
背景技術：
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每生產1噸銅會產生2.2噸銅渣，隨著煉銅技術的迅速發展，銅渣的堆存量也大大增加。銅渣中含有大量的有價金屬元素，而目前對銅渣的利用還集中在單獨提銅和單獨提鐵方面，銅鐵元素的同時利用也僅限於銅鐵合金。銅鐵元素的提取大都採用碳質還原劑還原銅渣中的氧化物和硫化物，為保證還原效果，碳質還原劑大都過量加入，這使得得到的銅鐵合金中含有大量的碳，很大程度上降低了合金的利用價值，將含銅鐵水用於冶煉含銅抗菌不鏽鋼需進行脫碳過程。
工業上脫碳的方法有普通吹氧脫碳法和真空脫碳法，雖然脫碳的程度不同，但都為通入氧氣與合金中的碳發生反應達到脫碳效果，此方法在鐵水煉鋼過程中廣泛應用。對於含銅鐵水，氧氣的通入會使銅元素燒損。
O2+[Cu]＝Cu2O
使得相對較低的銅含量進一步降低，而含銅鐵水的應用需要保證一定的銅元素含量，馬氏體含銅抗菌不鏽鋼銅元素含量要求為2.5～4.0％，銅含量太低還需在後續過程中加入銅合金，得不償失。
在工業上固體添加物的加入大都懸浮在熔體表面，難以與熔渣熔池充分接觸，添加劑利用率極低，且一些密度較小的添加劑揮發嚴重，造成非常嚴重的環境汙染。因此，找到一種新的脫碳劑脫除含銅鐵水中的碳是非常必要的，不但有效脫除合金中的碳元素，還可以保護合金中的少量有價元素，除此之外，還需一種新的添加方式來提高脫碳劑的利用率。
申請號為201210104356.0的專利提出了一種新型KR脫硫攪拌方法，涉及轉爐前鐵水爐外脫硫，通過攪拌器的旋轉攪動，使鐵水表面上的脫硫劑捲入鐵水中混合脫硫，但是未涉及脫碳領域。申請號為201510802460.0的專利提出RH強制吹氧脫碳的方法，在真空條件下可將碳含量降到9ppm，但只涉及鐵水脫碳，未涉及含銅鐵水脫碳。申請號為201510471169.X的專利提出一種氬氧脫碳爐冶煉高碳高猛含量鐵水的方法，也未涉及含銅鐵水脫碳。申請號為201610144809.0的專利提出一種攪拌捲入煤粉還原銅渣的方法，攪拌形成渦流，有非常好的還原效果，但未涉及脫碳領域。
技術實現要素：
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針對現有固體添加劑加入方式和氧氣脫碳的不足，本發明提出了一種渦流捲入石灰石脫除含銅鐵水中碳的方法。該方法採用中心攪拌旋轉攪動鐵水產生漩渦，將粉狀的石灰石加入到漩渦中心立刻被漩渦捲入鐵水深處，與鐵水充分混合併反應，石灰石在高溫下迅速分解成氧化鈣和CO2，CO2與鐵水中的碳發生反應產生CO，且CO2作為弱氧化氣體，與銅不發生反應。氧化鈣可促進脫磷、脫矽過程的進行，並造渣浮在熔體表面起保護作用。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：
一種渦流捲入石灰石脫除含銅鐵水中碳的方法，包括以下步驟：
(1)將含銅鐵水導入到感應爐中，保證含銅鐵水的溫度≥1450℃；
(2)對含銅鐵水進行攪拌，形成高徑比為0.5～2.5的旋渦；
(3)將石灰石粉末噴入到漩渦中心，噴入過程中，持續進行步驟(2)的攪拌，並保持漩渦溫度≥1450℃，石灰石粉末噴吹結束後，繼續攪拌20～40min；其中，按質量比，石灰石粉末∶含銅鐵水＝(1～4)∶10；
(4)石灰石粉末被漩渦直接捲入鐵水內與鐵水充分接觸並發生反應，得到脫碳後的含銅鐵水和熔渣；
(5)脫碳後的含銅鐵水和熔渣分層排出。
所述的步驟(1)中，含銅鐵水為銅渣加入碳質還原劑還原後得到，含銅鐵水溫度為1450～1650℃。
所述的步驟(1)中，含銅鐵水中含碳質量百分數為2.0～6.0％。
所述的步驟(1)中，含銅鐵水中含銅質量百分數為4.68～5.88％。
所述的步驟(1)中，保證含銅鐵水的溫度≥1450℃的方法為，感應爐自身加熱。
所述的步驟(1)中，感應爐包括排渣口和排鐵水口，所述的感應爐的一側的下部設置有排鐵水口，在感應爐的另一側的上部設置有排渣口；
所述的感應爐設置有攪拌槳、攪拌槳升降系統、風罩、煙氣淨化系統、餘熱回收系統和洗滌塔；所述的攪拌槳設置在感應爐內部；所述的風罩設置在感應爐的上方，所述的煙氣淨化系統的入口通過管道與風罩相連，所述的餘熱回收系統的入口通過管道與煙氣淨化系統的出口連接，所述的洗滌塔入口通過管道與餘熱回收系統的出口連接，所述的洗滌塔出口於大氣連通；所述的攪拌槳連接有攪拌槳升降系統，用於更換攪拌槳；所述的噴粉設備用於噴吹石灰石粉末。
所述的步驟(2)中，攪拌方式為中心攪拌，調整攪拌槳插入至含銅鐵水液面高度的1/3～1/2處，進行中心攪拌，中心攪拌速度為50～200r/min。
所述的步驟(3)中，石灰石粉末噴吹結束後，進行的攪拌為偏心攪拌，偏心攪拌速度為50～200r/min，偏心度為0.1～0.8，目的是使生成的CO2彌散化，與漩渦混合更為充分。
所述的步驟(4)中，脫碳後含銅鐵水中含碳質量百分數≤0.2％。
所述的步驟(4)中，脫碳後含銅鐵水中含銅質量百分數為Cu：4.67～5.87％。
所述的步驟(4)中，熔渣的主要成分為CaO。
所述的步驟(4)中，得到脫碳後的含銅鐵水和熔渣的同時，產生氣體，氣體主要為剩餘的CO2，經由風罩去往煙氣淨化系統，淨化處理後，經餘熱回收系統回收餘熱，並通過洗滌塔，用Ca(OH)2溶液進行回收，得到CaCO3沉澱作為石灰石粉末原料返回感應爐中，重新利用。
所述的步驟(5)中，感應爐中，上層為熔渣，下層為脫碳後的含銅鐵水，將熔渣從排渣口排出，脫碳後含銅鐵水從排鐵水口排出。
脫碳原理：
CaCO3＝CaO+CO2(g)
CO2+[C]＝2CO(g)
本發明的有益效果：
(1)通過攪拌方法，攪拌器中心攪拌旋轉攪動在鐵水中產生漩渦，漩流將噴粉設備加入到鐵水表面的石灰石立刻捲入鐵水深處，石灰石迅速分解產生CO2，與含銅鐵水中的[C]發生反應達到脫碳效果。
(2)CO2為弱氧化氣體，在脫碳的同時不會使銅氧化，既達到脫碳的效果，又能避免銅的燒損。
(3)脫碳劑採用較為廉價的石灰石，且攪拌加入，加入的石灰石能迅速混入鐵水，反應迅速徹底，工期流程短。
(4)通過加入石灰石可有效降低鐵水中碳含量，產生的CO2帶來的氧化條件有助於鐵水中磷、矽的脫除，使鐵水含碳可降到0.2％以下，符合煉鋼用鐵水需求，且不降低熔體的銅含量。
(5)該方法工藝簡單，感應爐添加攪拌系統，投資少，節能環保，成本低廉，具有較高的經濟價值。
附圖說明：
圖1是採用本發明方法的感應爐系統結構示意圖，其中：1-排渣口；2-排鐵水口；3-攪拌槳；4-攪拌槳升降系統；5-噴粉設備；6-風罩；7-煙氣淨化系統；8-餘熱回收系統；9-洗滌塔。
具體實施方式：
下面結合實施例對本發明作進一步的詳細說明。
實施例1
本實施例中所用含銅鐵水，具體成分如表1所示。
表1含銅鐵水中各元素成分含量(質量分數，％)
本實施例採用的感應爐系統結構示意圖見圖1。
一種渦流捲入石灰石脫除含銅鐵水中碳的方法，包括以下步驟：
(1)取銅渣加入碳質還原劑後，還原得到的含銅鐵水，溫度為1450℃，質量為20t，加入到感應爐中，控制含銅鐵水的溫度為1450℃，含銅鐵水中含C質量百分數為2.0％，含Cu質量百分數為4.68％；
(2)調整攪拌槳3插入至含銅鐵水液面高度的1/3處，對含銅鐵水進行中心攪拌，攪拌速度為50r/min，形成高徑比為0.5的旋渦；
根據反應需要，通過攪拌槳升降系統4，更換攪拌槳3；
(3)將2t石灰石粉末由噴粉設備5噴入到漩渦中心，持續進行中心攪拌，並通過感應爐，保持漩渦溫度為1450℃，石灰石粉末噴吹結束後改為偏心攪拌，偏心度為0.1，偏心攪拌時間為20min，使生成的CO2彌散化，與漩渦混合更為充分；
(4)石灰石粉末被漩渦直接捲入鐵水內與鐵水充分接觸並發生反應，得到脫碳後的含銅鐵水和熔渣，剩餘的CO2，經由風罩6去往煙氣淨化系統7，淨化處理後，經餘熱回收系統8回收餘熱，並通過洗滌塔9，用Ca(OH)2溶液進行回收，得到CaCO3沉澱作為石灰石粉末原料返回感應爐中，重新利用；
(5)感應爐中，上層為熔渣，熔渣的主要成分為CaO，下層為脫碳後的含銅鐵水，脫碳後的含銅鐵水由排鐵水口2排出，熔渣由排渣口l排出，其中，脫碳後含銅鐵水中含C質量百分數為0.08％，脫碳後含銅鐵水中含Cu質量百分數為4.67％，含P質量分數為0.105％，含Si質量分數為0.215％。
實施例2
本實施例中所用含銅鐵水，具體成分如表2所示。
表2含銅鐵水中各元素成分含量(質量分數，％)
本實施例採用的感應爐系統結構示意圖見圖1。
一種渦流捲入石灰石脫除含銅鐵水中碳的方法，包括以下步驟：
(1)取銅渣加入碳質還原劑後，還原得到的含銅鐵水，溫度為1500℃，質量為20t，加入到感應爐中，控制含銅鐵水的溫度為1500℃，含銅鐵水中含C質量百分數為3.2％，含Cu質量百分數為5.06％；
(2)調整攪拌槳3插入至含銅鐵水液面高度的1/3處，對含銅鐵水進行中心攪拌，攪拌速度為100r/min，形成高徑比為1.5的旋渦；
根據反應需要，通過攪拌槳升降系統4，更換攪拌槳3；
(3)將4t石灰石粉末由噴粉設備5噴入到漩渦中心，持續進行中心攪拌，並通過感應爐，保持漩渦溫度為1500℃，石灰石噴吹結束後改為偏心攪拌，偏心度為0.3，偏心攪拌時間為30min，使生成的CO2彌散化，與漩渦混合更為充分；
(4)石灰石粉末被漩渦直接捲入鐵水內與鐵水充分接觸並發生反應，得到脫碳後的含銅鐵水和熔渣，剩餘的CO2，經由風罩6去往煙氣淨化系統7，淨化處理後，經餘熱回收系統8回收餘熱，並通過洗滌塔9，用Ca(OH)2溶液進行回收，得到CaCO3沉澱作為石灰石粉末原料返回感應爐中，重新利用；
(5)感應爐中，上層為熔渣，熔渣的主要成分為CaO，下層為脫碳後的含銅鐵水，脫碳後的含銅鐵水由排鐵水口2排出，熔渣由排渣口1排出，其中，脫碳後含銅鐵水中含C質量百分數為0.13％，脫碳後含銅鐵水中含Cu質量百分數為5.04％，含P質量分數為0.08％，含Si質量分數為0.135％。
實施例3
本實施例中所用含銅鐵水，具體成分如表3所示。
表3含銅鐵水中各元素成分含量(質量分數，％)
本實施例採用的感應爐系統結構示意圖見圖1。
一種渦流捲入石灰石脫除含銅鐵水中碳的方法，包括以下步驟：
(1)取銅渣加入碳質還原劑後，還原得到的含銅鐵水，溫度為1550℃，質量為30t，加入到感應爐中，控制含銅鐵水的溫度為1550℃，含銅鐵水中含C質量百分數為4.5％，含Cu質量百分數為5.24％；
(2)調整攪拌槳3插入至含銅鐵水液面高度的1/2處，對含銅鐵水進行中心攪拌，攪拌速度為150r/min，形成高徑比為2.0的旋渦；
根據反應需要，通過攪拌槳升降系統4，更換攪拌槳3；
(3)將9t石灰石粉末由噴粉設備5噴入到漩渦中心，持續進行中心攪拌，並通過感應爐，保持漩渦溫度為1550℃，石灰石噴吹結束後改為偏心攪拌，偏心度為0.6，偏心攪拌時間為35min，使生成的CO2彌散化，與漩渦混合更為充分；
(4)石灰石粉末被漩渦直接捲入鐵水內與鐵水充分接觸並發生反應，形成脫碳後的含銅鐵水和熔渣，剩餘的CO2，經由風罩6去往煙氣淨化系統7，淨化處理後，經餘熱回收系統8回收餘熱，並通過洗滌塔9，用Ca(OH)2溶液進行回收，得到CaCO3沉澱作為石灰石粉末原料返回感應爐中，重新利用；
(5)感應爐中，上層為熔渣，熔渣的主要成分為CaO，下層為脫碳後的含銅鐵水，脫碳後的含銅鐵水由排鐵水口2排出，熔渣由排渣口1排出，其中，脫碳後含銅鐵水中含C質量百分數為0.10％，脫碳後含銅鐵水中含Cu質量百分數為5.23％，含P質量分數為0.11％，含Si質量分數為0.205％。
實施例4
本實施例中所用含銅鐵水，具體成分如表4所示。
表4含銅鐵水中各元素成分含量(質量分數，％)
本實施例採用的感應爐系統結構示意圖見圖1。
一種渦流捲入石灰石脫除含銅鐵水中碳的方法，包括以下步驟：
(1)取銅渣加入碳質還原劑後，還原得到的含銅鐵水，溫度為1650℃，質量為20t，加入到感應爐中，控制含銅鐵水的溫度為1650℃，含銅鐵水中含C質量百分數為6.0％，含Cu質量百分數為5.88％；
(2)調整攪拌槳3插入至含銅鐵水液面高度的1/2處，對含銅鐵水進行中心攪拌，攪拌速度為200r/min，形成高徑比為2.5的旋渦；
根據反應需要，通過攪拌槳升降系統4，更換攪拌槳3；
(3)將8t石灰石粉末由噴粉設備5噴入到漩渦中心，持續進行中心攪拌，並通過感應爐，保持漩渦溫度為1650℃，石灰石噴吹結束後改為偏心攪拌，偏心度為0.8，偏心攪拌時間為40min，使生成的CO2彌散化，與漩渦混合更為充分；
(4)石灰石粉末被漩渦直接捲入鐵水內與鐵水充分接觸並發生反應，形成脫碳後的含銅鐵水和熔渣，剩餘的CO2，經由風罩6去往煙氣淨化系統7，淨化處理後，經餘熱回收系統8回收餘熱，並通過洗滌塔9，用Ca(OH)2溶液進行回收，得到CaCO3沉澱作為石灰石粉末原料返回感應爐中，重新利用；
(5)感應爐中，上層為熔渣，熔渣的主要成分為CaO，下層為脫碳後的含銅鐵水，脫碳後的含銅鐵水由排鐵水口2排出，熔渣由排渣口1排出，其中，脫碳後含銅鐵水中含C質量百分數為0.2％，脫碳後含銅鐵水中含Cu質量百分數為5.87％，含P質量分數為0.092％，含Si質量分數為0.165％。