阅读说明：本技术 一种利用铝铬废渣制备氮化铬铁的方法 (Method for preparing ferrochromium nitride from aluminum-chromium waste residues ) 是由 孔祥清 张婷婷 付莹 王学志 牛秀梅 周渊明 周宁宁 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种利用铝铬废渣制备氮化铬铁的方法,属于工业固体废弃物资源化利用领域和有色金属的处理技术领域。其特征是以金属铬冶炼形成的工业废弃物铝铬渣作为原料,解决了固体废弃物的排放问题,所生产的产品符合优质氮化铬铁材料要求,原材料价格低廉,生产成本低,比常规方法低20％-30％；工艺相对简单,生产效率高,对环境影响小；产品质量稳定,含氮量较高,能达到5％-6％,年可节约铝矾土矿5万吨,铬矿1万吨,实现了铝铬渣的资源化循环利用,节约资源,对环境友好,为氮化铬铁的生产提供了一种较理想的方法。(The invention provides a method for preparing ferrochromium nitride from aluminum-chromium waste residues, belonging to the field of resource utilization of industrial solid wastes and the technical field of treatment of nonferrous metals. The method is characterized in that industrial waste aluminum chromium slag formed by smelting metal chromium is used as a raw material, the problem of solid waste discharge is solved, the produced product meets the requirements of high-quality chromium iron nitride materials, the raw material price is low, the production cost is low and is 20-30% lower than that of the conventional method; the process is relatively simple, the production efficiency is high, and the influence on the environment is small; the product quality is stable, the nitrogen content is high and can reach 5 to 6 percent, 5 ten thousand tons of bauxite ore and 1 ten thousand tons of chromium ore can be saved in one year, the resource recycling of the aluminum chromium slag is realized, the resource is saved, the method is environment-friendly, and a relatively ideal method is provided for the production of the chromium iron nitride.)

一种利用铝铬废渣制备氮化铬铁的方法

技术领域

本发明涉及工业固体废弃物资源化利用领域和有色金属的处理技术领域，具体是一种利用铝铬废渣制备氮化铬铁的方法。

背景技术

氮化铬铁作为一种合金添加剂，被广泛用于不锈钢、耐热钢、耐腐蚀钢、合金钢等特种钢冶炼生产。目前，在生产的含镍的奥氏体不锈钢中加入氮，使镍的含量降低这样的生产方式具有极大的经济效益，氮代替镍会使钢的强度、抗腐蚀性显著提高，而塑性仍保持良好的水平。近年来，国内许多钢铁企业都在研制生产高强度、耐热、耐腐蚀的含铬、氮的钢种。但随着市场需求的变化，客户对含氮、铬较高的氮化铬铁产品需求较大。

目前氮化铬铁的传统生产方法是将铬铁产品在一定条件下，通入氮气与铬铁进行化合反应而获得氮化铬铁，具体有液体渗氮法和固体渗氮法这两种形式。但是传统的氮化铬铁的工艺流程较长，原材料成本较高。

铝铬渣是铝热还原反应冶炼金属铬所衍生的副产物。在冶炼金属铬时利用金属铝与工业氧化铬发生还原反应制取金属铬，金属铝粉与Cr₂O₃在熔融的状态下发生激烈的化学反应，生成的Al₂O₃迅速向刚玉相转变,同时与未反应完全的Cr₂O₃固溶，生成铝铬固溶体，即铝铬渣。通常，每生产l吨金属铬排放15吨铬渣，铝铬渣的主要成分为Al₂O₃和Cr₂O₃。铝铬渣对生态环境等存在一定的危害性，但如果治理得当，又是可利用的资源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用铝铬废渣制备氮化铬铁的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种利用铝铬废渣制备氮化铬铁的方法，包含以下步骤：

A、原料准备：将铝铬渣破碎，得到铝铬渣颗粒；将铝铬渣颗粒与石油焦颗粒混合后加入到电弧炉中；启动电弧炉后，石墨电极附近温度迅速升高，当温度达到2039K时，Cr₇C₃开始熔化、聚集、下沉，最终获得Cr₇C₃块体，然后将其破碎、球磨成Cr₇C₃粉末，选取一定量的Fe₃O₄与Cr₇C₃粉末混合均匀；

B、将上述混合料放进真空感应加热炉的炉腔内，开启真空系统，当真空度达到10Pa时，打开加热系统，升温速率为50℃/min，当温度达到1250℃时候开始恒温，然后加热到1350℃，开始恒温，同时观测真空度数值，此时Cr₇C₃与Fe₃O₄高温下发生反应，生成铬铁合金和一氧化碳，生成的一氧化碳在真空或者负压下不断排出，直到真空度维持在10-20Pa范围内，继续恒温。确保反应充分后，关闭真空系统。然后从充气阀充入高纯氮气，当氮气压力达到0.2Mpa时，停止充气，继续恒温在1350℃，随后，随炉冷却到低于100℃时，出炉，即可得到含氮量为5％-6％的氮化铬铁。

作为本发明的进一步技术方案：所述步骤A中的Cr₇C₃与Fe₃O₄的质量比为：1.5:1-3:1。

作为本发明的进一步技术方案：所述步骤B中1250℃时的恒温时间为1小时。

作为本发明的进一步技术方案：所述步骤B中真空度维持在10-20Pa范围内的恒温时间为5小时。

作为本发明的进一步技术方案：所述步骤B中停止充气后的恒温时间为2小时。

作为本发明的进一步技术方案：所述步骤A中的铝铬渣破碎后的粒度≤10mm。

作为本发明的进一步技术方案：所述步骤A中的Cr₇C₃粉末为80-120目颗粒。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明具有能大量消耗铝铬渣、缓解铝铬渣对环境危害、价格低廉和环境友好的特点，所制备的以铝铬渣为主料的含氮量较高。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种利用铝铬废渣制备氮化铬铁的方法，同时解决固体废物铝铬渣的环境污染问题及资源化再利用问题。

所述铝铬渣颗粒为治炼金属铬产生的炉渣，所述铝铬渣颗粒的化学成分是:Al₂O₃为75～85wt％，Cr₂O₃为8～15wt％，CaO≤3wt％，Fe₂O₃≤2wt％，MgO≤2wt％；所述铝铬渣的粒径≤10mm；Al₂O₃的熔点为2327K，密度为3.9g/cm³，Cr₂O₃的熔点为2539K，密度为5.21g/cm³，C的熔点3823K，密度2.26g/cm³，Cr₇C₃熔点为2039K，密度6.89g/cm³。将铝铬渣颗粒与石油焦颗粒混合后加入到电弧炉中，启动电弧炉后，石墨电极附近温度迅速升高，根据热力学原理，温度为1400K时，C与Cr₂O₃反应生成Cr₇C₃的标准吉布斯自由能已经小于零，说明该碳还原反应可自动进行，随着温度的升高，该反应趋势越强，当温度达到2039K时，Cr₇C₃开始熔化、聚集，由于密度较其他氧化物大，会不断下沉，最终形成Cr₇C₃块体。当温度达到2327K时Al₂O₃开始熔化，由于密度差异较大，Al₂O₃与Cr₇C₃形成分层，一方面得到了纯度较高的Al₂O₃产品，另一方面得到了廉价的Cr₇C₃。进一步用真空还原的方法制备更高附加值的氮化铬铁，最大限度地实现了固体废弃资源综合利用。所生成的Cr₇C₃其主要成分为铬84.52％，碳8.65％，铁1.66％。利用Cr₇C₃制备氮化铬铁的反应原理如下：

4Cr₇C₃+3Fe₃O₄＝9Fe+28Cr+12CO

Fe+Cr+N＝FeCrN

Cr₇C₃与Fe₃O₄高温下发生反应，生成铬铁合金和一氧化碳，生成的一氧化碳在真空或者负压下不断排出，可以通过真空计显示值判断是否仍有一氧化碳排出，待反应充分，没有一氧化碳排出后，关闭真空阀，往真空腔内充入氮气，在高温下铬铁合金与氮气反应，最终形成氮化铬铁。

具体制备步骤如下：

A、原料准备：将铝铬渣破碎至粒度≤10mm，得到铝铬渣颗粒；将铝铬渣颗粒与石油焦颗粒混合后加入到电弧炉中；启动电弧炉后，石墨电极附近温度迅速升高，当温度达到2039K时，Cr₇C₃开始熔化、聚集、下沉，最终获得Cr₇C₃块体，然后将其破碎、球磨成80-120目的粉末。选取一定量的Fe₃O₄与Cr₇C₃粉末混合均匀，所述Cr₇C₃与Fe₃O₄的质量比为：1.5:1-3:1。

B、原料进炉：将上述混合料放进真空感应加热炉的炉腔内，开启真空系统，当真空度达到10Pa时，打开加热系统，升温速率为50℃/min，当温度达到1250℃时候开始恒温，恒温时间为1小时，然后加热到1350℃，开始恒温，此时Cr₇C₃与Fe₃O₄高温下发生反应，生成铬铁合金和一氧化碳，生成的一氧化碳在真空或者负压下不断排出，直到真空度维持在10-20Pa范围内，继续恒温5小时后，确保反应充分后，关闭真空系统。然后从充气阀充入高纯氮气，当氮气压力达到0.2Mpa时，停止充气，继续恒温在1350℃，恒温时间为2小时。随后，随炉冷却到低于100℃时，出炉，即可得到含氮量为5％-6％的氮化铬铁。

采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果:

1.本发明以金属铬冶炼形成的副产物铝铬渣作为原料，解决了固体废弃物的排放问题，实现了铝铬渣的资源化循环利用，节约资源，对环境友好，按每年3.4万吨铝铬渣的转化量推算，每年可节约铝矾土矿5万吨，铬矿1万吨。生产的产品符合优质氮化铬铁材料要求，可被用于电炉和氧气转炉冶炼含氮钢。

2.原材料价格低廉，生产成本低，比常规方法低20％-30％。

3.工艺相对简单，生产效率高，对环境影响小。

4.产品质量稳定，含氮量较高，能达到5％-6％。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。