一种利用稻壳灰提升高铁转炉钢渣中铁的还原效率的方法
阅读说明：本技术 一种利用稻壳灰提升高铁转炉钢渣中铁的还原效率的方法 (Method for improving reduction efficiency of iron in steel slag of iron converter by using rice hull ash ) 是由 王亚丽 胡禧礴 魏宇辰 姚羽涵 马骥堃 裴天蕊 韩磊 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及转炉钢渣综合应用技术领域,尤其涉及一种利用稻壳灰提升高铁转炉钢渣中铁的还原效率的方法。所述高铁转炉钢渣的处理方法,包括：向高铁转炉钢渣中加入稻壳灰、氧化硅和氧化铝,进行还原反应。本发明的处理方法,以农业废弃物稻壳灰作为还原材料,将高铁转炉钢渣中的铁还原出来；以氧化硅和氧化铝作为调质剂,调节高铁转炉钢渣的碱度和硅铝比,使渣铁更易分离；同时确定了与上述物料相适配的还原反应条件及冷却方式。经该方法对高铁转炉钢渣进行还原重构,铁还原率可达80％以上。(The invention relates to the technical field of comprehensive application of converter steel slag, in particular to a method for improving the reduction efficiency of iron in iron converter steel slag by using rice husk ash. The treatment method of the high-speed rail converter steel slag comprises the following steps: rice hull ash, silicon oxide and aluminum oxide are added into the high-iron converter steel slag for reduction reaction. The treatment method takes the agricultural waste rice hull ash as a reducing material to reduce the iron in the high-iron converter steel slag; silicon oxide and aluminum oxide are used as hardening and tempering agents, and the alkalinity and the silicon-aluminum ratio of the high-iron converter steel slag are adjusted, so that the iron slag is easier to separate; meanwhile, the reduction reaction conditions and the cooling mode which are matched with the materials are determined. The method reduces and reconstructs the high-iron converter steel slag, and the iron reduction rate can reach more than 80 percent.)
技术领域
本发明涉及转炉钢渣综合应用技术领域，尤其涉及一种利用稻壳灰提升高铁转炉钢渣中铁的还原效率的方法。
背景技术
转炉钢渣是使用转炉炼钢时加入的造渣剂与钢水中的杂质、炉衬形成的以硅酸盐、铁酸盐等为主要成分的固体废物。随着钢铁行业的不断发展，其产量也在不断增加。然而，受转炉炼钢原矿化学成分、炼钢工艺的影响，部分转炉钢渣中铁含量较高，严重影响了其工作性能；因此，需要对其成分进行重构后才可广泛应用。
转炉吹炼过程造成了转炉钢渣中的铁以金属铁珠或者小颗粒的形式存在。在炉底高速氧气射流冲击下，一方面，一部分颗粒偏大的铁液，凝固或者以液态形式存在，在重力作用下重新跌落，跌落过程中，一部分停留在渣中，另一部分停留在熔池上方加入渣料形成的钢渣中；另一方面，氧气射流冲击区域的铁液被氧气射流撕裂成金属液滴，在熔池内强烈的碳氧反应作用下冲入渣中与钢渣相互混合，形成乳化液。这些进入渣中的金属铁液或铁珠随着转炉继续，一部分会重新进入熔池，一部分会留在钢渣中，在转炉倒渣过程中随钢渣进入渣罐，所以转炉钢渣中存在着部分金属铁珠。
稻壳是稻米加工过程中数量最大的农业副产品，但稻壳灰利用率较低，弃置烧毁造成极大的资源浪费和经济损失。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用稻壳灰提升高铁转炉钢渣中铁的还原效率的方法。
具体地，本发明提供以下技术方案：
本发明提供一种高铁转炉钢渣的处理方法，包括：向高铁转炉钢渣中加入稻壳灰，进行还原反应；
所述高铁转炉钢渣中，FeOx的含量大于40％；
所述稻壳灰的添加量按照公式I计算，所述公式I如下：
G(稻壳灰)＝[8.33R1+11.25R2+10.34R3]÷R4 I；
其中，G(稻壳灰)为理论上每100g高铁转炉钢渣中需添加稻壳灰的质量；R1为高铁转炉钢渣中FeO的质量百分比；R2为高铁转炉钢渣中Fe2O3的质量百分比；R3为高铁转炉钢渣中Fe3O4的质量百分比；R4为稻壳灰的烧失量。
本发明发现，铁含量较高的转炉钢渣，并且该转炉钢渣呈现出较高的四元碱度系数和较高的SiO2/Al2O3质量比，该类转炉钢渣中存在大量的FeOx等可还原出铁的氧化物。
本发明还发现，稻壳灰中含有炭质及硅铝质成分，利用稻壳灰中炭质成分有望实现铁还原；高铁转炉钢渣可以通过添加稻壳灰来进行铁的还原和分离；即，向高铁转炉钢渣中加入特定质量的稻壳灰，可将高铁转炉钢渣中的铁还原出来，而稻壳灰的添加比例主要通过稻壳灰中的炭含量及还原组分进行调节。
作为优选，所述稻壳灰的含炭量>50％；当所述稻壳灰的含炭量大于50％时，更有利于将高铁转炉钢渣中的铁还原出来。
作为优选，所述高铁转炉钢渣中，四元碱度>2.0且m(SiO2)/m(Al2O3)>2.5。
转炉炼钢过程中，由于氧气的进入使得钢渣中含有10％～30％左右的FeOx(目前研究的钢渣铁含量多在这个范围内)，然而，一些特殊种类的钢渣中FeOx含量可以达到40％～50％；当铁含量升高，FeOx的存在形式会发生改变。具体而言，当钢渣中FeO含量升高后，钢渣的熔点会降低，渣的流动性会变好，但Fe2O3和Fe3O4随着铁含量的升高，比例也会增加，这将会大大提高钢渣的熔点，降低流动性。进而本发明发现，通过对高铁转炉钢渣的碱度及硅铝比的调整可以在还原铁的同时，提升高铁转炉钢渣在高温时的流动性，使铁更易沉降，将转炉钢渣中多余的Fe分离出来。
进一步地，所述处理方法还包括：向所述高铁转炉钢渣中加入调质剂；所述调质剂为氧化硅和氧化铝。
更进一步地，以所述高铁转炉钢渣的质量为基准，所述氧化硅和氧化铝的添加量按照公式II计算，所述公式II如下：
其中，mx为100g高铁转炉钢渣中各成分的质量；Mx为稻壳灰中各成分含量的百分数；x为添加氧化硅的百分数；y为添加氧化铝的百分数。
本发明中，通过添加氧化硅和氧化铝可对高铁转炉钢渣进行成分调质。
作为优选，所述还原反应在700～1500℃下进行。
进一步地，所述还原反应的条件为：从700℃升温至1500℃，保温35～45min。
在具体的实施方式中，将高温炉炉膛温度升至700℃时，再将装有高铁转炉钢渣、稻壳灰、氧化硅和氧化铝的碳化硅坩埚放入炉中，升温至1500℃，保温40min。
更进一步地，升温速率为8～12℃/min。
作为优选，所述处理方法还包括：将还原反应后的熔体倒入水中进行水淬冷却；所述水的温度为10～30℃。
作为本发明的较佳技术方案，所述处理方法包括如下步骤：
(1)将高铁转炉钢渣、稻壳灰、氧化硅和氧化铝混合后，从700℃以8～12℃/min的速率升温至1500℃，保温35～45min；
所述高铁转炉钢渣中，FeOx的含量大于40％，四元碱度>2.0且m(SiO2)/m(Al2O3)>2.5；所述稻壳灰的含炭量>50％；
所述稻壳灰的添加量按照公式I计算，所述公式I如下：
G(稻壳灰)＝[8.33R1+11.25R2+10.34R3]÷R4 I；
其中，G(稻壳灰)为理论上每100g高铁转炉钢渣中需添加稻壳灰的质量；R1为高铁转炉钢渣中FeO的质量百分比；R2为高铁转炉钢渣中Fe2O3的质量百分比；R3为高铁转炉钢渣中Fe3O4的质量百分比；R4为稻壳灰的烧失量；
以所述高铁转炉钢渣的质量为基准，所述氧化硅和氧化铝的添加量按照公式II计算，所述公式II如下：
其中，mx为100g高铁转炉钢渣中各成分的质量；Mx为稻壳灰中各成分含量的百分数；x为添加氧化硅的百分数；y为添加氧化铝的百分数；
(2)将步骤(1)得到的熔体倒入10～30℃的水中，进行水淬冷却，干燥后进行渣铁分离。
在上述技术方案中，物质的添加量均应根据被改善转炉钢渣的化学组成进行调整。
本发明中，稻壳灰的加入可以提供充足的炭，在高温中将转炉钢渣中的FeOx进行还原分离。转炉炼钢过程中炉渣中铁氧化物在熔融状态下主要以FeO形式存在，其中液渣下层与钢液接触，主要是二价铁；而渣上层与炉气接触，主要是三价铁；但是FeO在室温下并不稳定，低于527℃时则分解为Fe3O4，同时析出铁，但在钢渣中由于相平衡Fe和Fe2O3共存。不同的冶炼工艺，包括冶炼钢种、铁水和原料成分的不同，渣处理工艺的不同，使得钢渣中铁的存在形式和含量也各不相同；钢渣全铁品位一般在23％以上，一些特殊种类钢渣可以达到30％以上，含铁相主要以金属态Fe、简单化合态(FeO、Fe2O3、Fe3O4)等形式存在，且分布分散。高温状态下稻壳灰中炭与钢渣熔体中的铁相充分反应，形成Fe液滴分布在钢渣熔体中；而钢渣的碱度和硅铝比是控制钢渣在高温状态下能否形成熔体与稻壳灰中炭充分混合发生还原反应的关键因数。稻壳灰中同时含有氧化硅及氧化铝成分，在添加稻壳灰作为铁还原材料时，会同时引入氧化硅和氧化铝，但稻壳灰中硅铝质材料含量有限，需要再添加氧化硅、氧化铝对其进行补充。硅铝质材料(即氧化硅和氧化铝)引入后，促使高温状态下钢渣熔体内部形成更多的孤岛状硅氧四面体，降低玻璃体的整体聚合度，增加熔体流动性；在充分反应后，铁液滴更易发生聚合沉降。因此，本发明提供的处理方法中，还原材料及成分重构材料的添加应在转炉钢渣高温煅烧过程中。由此可见，本发明的处理方法可以有效提升高铁转炉钢渣中铁的还原效率。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的处理方法，以农业废弃物稻壳灰作为还原材料，将高铁转炉钢渣中的铁还原出来；以氧化硅和氧化铝作为调质剂，调节高铁转炉钢渣的碱度和硅铝比，使渣铁更易分离；同时确定了与上述物料相适配的还原反应条件及冷却方式。经该方法对高铁转炉钢渣进行还原重构，铁还原率可达80％以上。
(2)本发明通过加入稻壳灰、氧化硅和氧化铝，将高铁转炉钢渣中多余的铁还原出来进行回收利用，同时对高铁转炉钢渣的成分进行调整，进而调整高铁转炉钢渣在高温时的流动性，该方法是从结构上对高铁转炉钢渣进行高附加值利用的有效手段，而相关技术手段尚无研究报道，对于提升高铁转炉钢渣在转炉钢渣综合应用技术领域中的应用水平有积极的促进作用。
(3)本发明既能将农业废弃物稻壳灰进行再利用，减少资源环境污染，又可以从钢渣中有效地回收金属，保证磁选金属铁后剩余尾渣的活性和稳定性，使钢渣能够被高附加值地加以利用。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
以下所涉及的高铁转炉钢渣中的FeOx含量>40％。
实施例1
本实施例提供一种高铁转炉钢渣的处理方法，具体如下：
本实施例处理的高铁转炉钢渣的化学组成为：CaO 40.75％，MgO 0.22％，SiO29.36％，Al2O3 2.21％，FeOx 43.22％，ZnO 2.02％，TiO2 0.31％，V2O5 0.99％，余量为不可避免的杂质；所述高铁转炉钢渣中，铁相成分(即FeOx)为：FeO 16.67％，Fe2O3 15.52％，Fe3O4 11.03％。
本实施例采用的稻壳灰的含炭量>50％，其化学成分为：Loss 53.73％，CaO0.31％，MgO 0.25％，SiO2 42.31％，Al2O3 0.08％，K2O 1.34％，P2O5 0.66％，SO3 0.55％，余量为不可避免的杂质。
将上述高铁转炉钢渣、上述稻壳灰、氧化硅和氧化铝混合；稻壳灰的添加量按照公式I计算，所述公式I如下：
G(稻壳灰)＝[8.33R1+11.25R2+10.34R3]÷R4 I；
其中，G(稻壳灰)为理论上每100g高铁转炉钢渣中需添加稻壳灰的质量；R1为高铁转炉钢渣中FeO的质量百分比；R2为高铁转炉钢渣中Fe2O3的质量百分比；R3为高铁转炉钢渣中Fe3O4的质量百分比；R4为稻壳灰的烧失量；
以所述高铁转炉钢渣的质量为基准，所述氧化硅和氧化铝的添加量按照公式II计算，所述公式II如下：
x＝5/7[m(CaO)+m(MgO)+M(CaO)×G(稻壳灰)+M(MgO)×G(稻壳灰)]-m(SiO2)-M(SiO2)×G(稻壳灰) II；
y＝2/7[m(CaO)+m(MgO)+M(CaO)×G(稻壳灰)+M(MgO)×G(稻壳灰)]-m(Al2O3)-M(Al2O3)×G(稻壳灰)
其中，mx为100g高铁转炉钢渣中各成分的质量；Mx为稻壳灰中各成分含量的百分数；x为添加氧化硅的百分数；y为添加氧化铝的百分数；
经计算，高铁转炉钢渣、稻壳灰、氧化硅和氧化铝的质量比为100：7.92：16.57：9.49。
将高温炉炉膛温度升至700℃时，再将装有高铁转炉钢渣、稻壳灰、氧化硅和氧化铝的碳化硅坩埚放入炉中，升温至1500℃，保温40min后取出，立即将坩埚内熔体倒入水中进行水淬冷却，干燥后进行渣铁分离。
对比例1
本对比例提供一种高铁转炉钢渣的处理方法，具体如下：
本对比例处理的高铁转炉钢渣同实施例1。
本对比例采用活性炭为还原剂；该活性炭的含炭量为30.9％，具体化学成分为：Loss 30.9％，CaO 7.13％，MgO 1.63％，SiO2 35.04％，Al2O3 9.82％，SO3 3.51％，K2O1.36％，P2O5 1.03％，余量为不可避免的杂质。
将上述高铁转炉钢渣、上述活性炭、氧化硅和氧化铝混合；活性炭的添加量按照公式I计算，所述公式I如下：
G(活性炭)＝[8.33R1+11.25R2+10.34R3]÷R4 I；
其中，G(活性炭)为理论上每100g高铁转炉钢渣中需添加活性炭的质量；R1为高铁转炉钢渣中FeO的质量百分比；R2为高铁转炉钢渣中Fe2O3的质量百分比；R3为高铁转炉钢渣中Fe3O4的质量百分比；R4为活性炭的烧失量；
以所述高铁转炉钢渣的质量为基准，所述氧化硅和氧化铝的添加量按照公式II计算，所述公式II如下：
x＝5/7[m(CaO)+m(MgO)+M(CaO)×G(活性炭)+M(MgO)×G(活性炭)]-m(SiO2)-M(SiO2)×G(活性炭) II；
y＝2/7[m(CaO)+m(MgO)+M(CaO)×G(活性炭)+M(MgO)×G(活性炭)]-m(Al2O3)-M(Al2O3)×G活性炭)
其中，mx为100g高铁转炉钢渣中各成分的质量；Mx为活性炭中各成分含量的百分数；x为添加氧化硅的百分数；y为添加氧化铝的百分数；
经计算，高铁转炉钢渣、活性炭、氧化硅和氧化铝的质量比为100：13.78：15.94：8.48。
将高温炉炉膛温度升至700℃时，再将装有高铁转炉钢渣、活性炭、氧化硅和氧化铝的碳化硅坩埚放入炉中，升温至1500℃，保温40min后取出，立即将坩埚内熔体倒入水中进行水淬冷却，干燥后进行渣铁分离。
试验例1
本试验例分别测试实施例1和对比例1的高铁转炉钢渣中铁的还原率，具体如下：
进行三组平行测试，测得稻壳灰为还原剂时(实施例1)，铁还原率数据如表1；
表1
第1组
第2组
第3组
86.26％
83.83％
82.74％
进行三组平行实验，测得活性炭为还原剂时(对比例1)，铁还原率数据如表2；
表2
第1组
第2组
第3组
73.25％
73.80％
74.84％
实施例2
本实施例提供一种高铁转炉钢渣的处理方法，具体如下：
本实施例处理的高铁转炉钢渣的化学组成为：CaO 34.84％，MgO 2.97％，SiO27.89％，Al2O3 5.23％，FeOx 45.73％，ZnO 1.22％，TiO2 1.01％，余量为不可避免的杂质。
所述高铁转炉钢渣中，铁相成分(即FeOx)为：FeO 15.73％，Fe2O3 14.68％，Fe3O415.32％。
本实施例采用的稻壳灰同实施例1。
将上述高铁转炉钢渣、上述稻壳灰、氧化硅和氧化铝混合；稻壳灰的添加量按照公式I计算，所述公式I如下：
G(稻壳灰)＝[8.33R1+11.25R2+10.34R3]÷R4 I；
其中，G(稻壳灰)为理论上每100g高铁转炉钢渣中需添加稻壳灰的质量；R1为高铁转炉钢渣中FeO的质量百分比；R2为高铁转炉钢渣中Fe2O3的质量百分比；R3为高铁转炉钢渣中Fe3O4的质量百分比；R4为稻壳灰的烧失量；
以所述高铁转炉钢渣的质量为基准，所述氧化硅和氧化铝的添加量按照公式II计算，所述公式II如下：
其中，mx为100g高铁转炉钢渣中各成分的质量；Mx为稻壳灰中各成分含量的百分数；x为添加氧化硅的百分数；y为添加氧化铝的百分数；
经计算，高铁转炉钢渣、稻壳灰、氧化硅和氧化铝的质量比为100：8.43：15.58：5.14。
将高温炉炉膛温度升至700℃时，再将装有高铁转炉钢渣、稻壳灰、氧化硅和氧化铝的碳化硅坩埚放入炉中，升温至1500℃，保温40min后取出，立即将坩埚内熔体倒入水中进行水淬冷却，干燥后进行渣铁分离。
对比例2
本对比例提供一种高铁转炉钢渣的处理方法，具体如下：
本对比例处理的高铁转炉钢渣同实施例2。
本对比例采用活性炭同对比例1。
将上述高铁转炉钢渣、上述活性炭、氧化硅和氧化铝混合；活性炭的添加量按照公式I计算，所述公式I如下：
G(活性炭)＝[8.33R1+11.25R2+10.34R3]÷R4 I；
其中，G(活性炭)为理论上每100g高铁转炉钢渣中需添加活性炭的质量；R1为高铁转炉钢渣中FeO的质量百分比；R2为高铁转炉钢渣中Fe2O3的质量百分比；R3为高铁转炉钢渣中Fe3O4的质量百分比；R4为活性炭的烧失量；
以所述高铁转炉钢渣的质量为基准，所述氧化硅和氧化铝的添加量按照公式II计算，所述公式II如下：
其中，mx为100g高铁转炉钢渣中各成分的质量；Mx为活性炭中各成分含量的百分数；x为添加氧化硅的百分数；y为添加氧化铝的百分数；
经计算，高铁转炉钢渣、活性炭、氧化硅和氧化铝的质量比为100：14.66：13.42：7.52。
将高温炉炉膛温度升至700℃时，再将装有高铁转炉钢渣、活性炭、氧化硅和氧化铝的碳化硅坩埚放入炉中，升温至1500℃，保温40min后取出，立即将坩埚内熔体倒入水中进行水淬冷却，干燥后进行渣铁分离。
试验例2
本试验例分别测试实施例2和对比例2的高铁转炉钢渣中铁的还原率，具体如下：
进行三组平行测试，测得稻壳灰为还原剂时(实施例2)，铁还原率数据如表3；
表3
第1组
第2组
第3组
82.78％
83.39％
81.40％
进行三组平行实验，测得活性炭为还原剂时(对比例2)，铁还原率数据如表4；
表4
第1组
第2组
第3组
75.67％
74.28％
75.11％
通过试验例1和2的数据可以看出，活性炭的铁还原率稳定在70％以上，而利用农业废弃物稻壳灰作为还原材料时铁还原率可以稳定达到80％以上，相较于活性炭来说，铁还原率提升了10％以上。
综上所述，本发明利用农业废弃物稻壳灰有效提升了高铁转炉钢渣中的铁还原效率。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
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