用于工业硅及硅系铁合金生产的碳硅复合球团生产方法
阅读说明：本技术 用于工业硅及硅系铁合金生产的碳硅复合球团生产方法 (Production method of carbon-silicon composite pellets for industrial silicon and silicon-series ferroalloy production ) 是由 李菲 孙智博 阎峰云 吴涵泽 杨凯鑫 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：用于工业硅及硅系铁合金生产的碳硅复合球团生产方法,属于工业硅及硅系铁合金技术领域。使用工业硅及硅系铁合金生产过程中,以及其它过程中产生的含硅废料和含碳废料,将粒度适用的上述两种废料以一定比例首先进行混合,然后按比例加入粘结剂和水混合均匀,混合料压制成型后,经过干燥,得到碳硅复合球团。所得球团冷热强度高,球团内部反生放热反应,反应性好,可完全或部分替代工业硅及硅系铁合金生产原料,是一种既能高效利用了生产过程中产生的粉料,又能改善炉况,提高矿热炉热利用效率,提高硅回收率,降低生产控制难度的有效方法。(A production method of carbon-silicon composite pellets for producing industrial silicon and silicon series ferroalloy belongs to the technical field of industrial silicon and silicon series ferroalloy. The method comprises the steps of firstly mixing the silicon-containing waste and the carbon-containing waste which are generated in the production process of industrial silicon and silicon series ferroalloy and other processes according to a certain proportion, then adding a binder and water according to a certain proportion to be uniformly mixed, and drying after the mixture is pressed and formed to obtain the carbon-silicon composite pellet. The obtained pellets have high cold and hot strength, the internal reaction and the exothermic reaction of the pellets are good in reactivity, and the pellets can completely or partially replace industrial silicon and silicon ferroalloy production raw materials, so that the method is an effective method which can not only efficiently utilize powder generated in the production process, but also improve the furnace condition, improve the heat utilization efficiency of the submerged arc furnace, improve the silicon recovery rate and reduce the production control difficulty.)
技术领域
本发明涉及利用碳硅复合球团生产工业硅及硅系铁合金的技术，属于工业硅及硅系铁合金技术领域。
背景技术
工业硅及硅系铁合金生产过程中会产生大量含硅废料和含碳废料。其中，含硅废料主要有：微硅粉，硅石沫和精炼包渣等；含碳废料主要有：木炭渣，煤渣，焦炭渣，木片渣和废电极等。
微硅粉是冶炼硅（铁）中被烟气带出炉外的细颗粒，其主要成分是SiO2。根据纯度（SiO2含量），密度，粒径的不同，微硅粉价格差异巨大。挪威，美国等发达国家生产的高质量微硅粉每吨售价可高达2000元。而我国工业硅企业生产的微硅粉仅能用于低端混凝土和耐火材料，一般售价在50-500元之间，个别地区企业的价格甚至更低。按照每生产一吨工业硅和硅铁，分别产生0.3吨和0.2吨微硅粉计算，2019年我国的工业硅和硅铁产量分别达到220万吨和549万吨，全年微硅粉理论产量达到175万吨。但由于有不少企业没有除尘设备，所以微硅粉的回收率不到三分之一。据测算，一个运行稳定的大型矿热炉，每吨微硅粉的成本价格（包括原料，燃料，损耗折旧）为1100元左右。由此造成每生产1吨微硅粉，企业需要多付出600-1050元成本。以中位数825元/吨计算，2019年我国微硅粉产量在60万吨左右，仅此一项，我国工业硅生产企业多付出了成本约5亿元。廉价出售微硅粉不仅造成了严重的资源和能源浪费，还造成了严重的资本浪费。硅石在开采过程中会产生15%-20%废料；装料及运输过程由于原料之间的碰撞、挤压等又会产生7%的废料；原料入炉生产对硅石粒度要求较为严格，一般粒度在20-80mm。原料在破碎和筛分时，粒度小于5 mm 粉料被筛下丢弃堆积。同样调查发现，加工1t 石英砂岩或石英岩会产生约20％-30％左右粒度小于0.1mm的细粉，这些废料不能直接用于工业硅的生产，否则会造成炉料透气性差，引起炉况不稳定。 在工业硅及硅系铁合金精炼过程中还会产生精炼包渣，每生产1吨硅，会产生约100kg的硅渣，这些硅渣中含金属硅约15%。大量的硅渣在冶炼厂堆放或用于铺路，造成了资源的浪费。
木炭，煤，焦炭，木片的运输过程中也会分别产生约5%，2%，1%，1.5%的碎渣（<3mm）。这些废料无法通过现有加料系统直接回炉，一般丢弃或填埋处理，由此造成的资源浪费和成本损失难以估量。工业硅生产中使用的碳质还原剂为木炭，但近年来考虑到环境保护问题，使用烟煤、洗精煤、石油焦等碳质还原剂代替木炭，还原剂的粒度要求在3-20mm之间，而直径一般小于3mm的还原剂被筛分出来，由于某些地方对于粉料的处理缺乏有效管理，导致大量的粉料在露天堆积，造成了严重的环境问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于工业硅及硅系铁合金生产的碳硅复合球团生产方法。
本发明是用于工业硅及硅系铁合金生产的碳硅复合球团生产方法，其步骤为：
步骤（1）将含硅废料中的一种或几种与含碳废料中的一种或几种进行混合，得到废料混合物；
步骤（2）将所述步骤（1）得到的废料混合物质量0.1-30wt%的粘结剂和0.1~25wt%的水，加入废料混合物，在混料机中均匀混合1~15min；
步骤（3）将所述步骤（2）得到的混合物的温度保持在25~200℃，在5~45MPa的压力下压制成碳硅复合球团；
步骤（4）将所述步骤（3）得到的碳硅复合球团放置在干燥环境下1~100天或放置在50~250℃下干燥2~24小时；
步骤（5）将所述步骤（4）得到的碳硅复合球团投入工业硅及硅系铁合金生产的配料系统中，最终进入矿热炉进行工业硅或硅系铁合金冶炼；
所述含硅废料主要包括工业硅及硅系铁合金生产过程中，由收尘系统收集得到的微硅粉，硅石运输过程及清洗工序得到的硅石颗粒和精炼包中及从矿热炉中排出的渣等；也包括其它生产流程中产生的主要成分为Si和SiO2废料。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：（1）综合有效利用了工业硅及硅系铁合金生产过程中产生的各类含碳废料和含硅废料，以往此类废料以极低的价格出售。通过碳硅复合球团将上述废料返回矿热炉进行冶炼生产，可以大大提高含碳废料和含硅废料的利用效益，减少废料的储存量，降低原料成本的同时保护环境。（2）本发明涉及的碳硅复合球团内，含硅废料中的SiO2将与含碳废料中的C发生化学反应：SiO2+3C→SiC+CO。该化学反应为强吸热反应，有利于提高硅回收率，调节矿热炉料层的温度。（3）本发明涉及的碳硅复合球团制备过程成本低，产品冷热强度均高，碳硅复合球团在物料转运及入炉反应过程不会失去强度，产生大量粉状料，恶化炉况。本发明具有很好的市场推广前景。
具体实施方式
本发明是用于工业硅及硅系铁合金生产的碳硅复合球团生产方法，其步骤为：
步骤（1）将含硅废料中的一种或几种与含碳废料中的一种或几种进行混合，得到废料混合物；
步骤（2）将所述步骤（1）得到的废料混合物质量0.1-30wt%的粘结剂和0.1~25wt%的水，加入废料混合物，在混料机中均匀混合1~15min；
步骤（3）将所述步骤（2）得到的混合物的温度保持在25~200℃，在5~45MPa的压力下压制成碳硅复合球团；
步骤（4）将所述步骤（3）得到的碳硅复合球团放置在干燥环境下1~100天或放置在50~250℃下干燥2~24小时；
步骤（5）将所述步骤（4）得到的碳硅复合球团投入工业硅及硅系铁合金生产的配料系统中，最终进入矿热炉进行工业硅或硅系铁合金冶炼；
以上所述含硅废料主要包括工业硅及硅系铁合金生产过程中，由收尘系统收集得到的微硅粉，硅石运输过程及清洗工序得到的硅石颗粒和精炼包中及从矿热炉中排出的渣等；也包括其它生产流程中产生的主要成分为Si和SiO2废料。
对于工业硅和硅系铁合金生产过程中产生的含硅、含碳废料来说，将其制成球团不仅可以解决资源利用率低的问题，而且可以实现炉料的均匀下沉，改善料层的透气性。粉末状的硅石和还原剂紧密接触会大大提高两者之间的反应速度，有利于中间产物SiC和SiO的产生。
以上所述生产方法，含碳废料为工业硅及硅系铁合金生产过程中产生的，木炭，或者煤，或者焦炭，或者木片运输过程中产生的木炭渣，煤渣，焦炭渣，兰碳渣，木片渣和生产过程中产生的废电极，也包括主要成分为C的废料。
以上所述生产方法，所述步骤（1）所述含碳废料和含硅废料粒径小于或等于7mm，粒径大于7mm需要进行破碎处理至小于等于7mm。
以上所述生产方法，所述步骤（1）中所述废料混合物，其中含硅废料含量：0.1~99.9wt%，含碳废料含量为0.1~99 wt%，硅废料质量与含碳废料质量加和为100wt%。
以上所述生产方法，所述含硅废料SiO2含量大于等于98.5 wt%，或Si和SiO2总含量大于等于98.5 wt%。
以上所述生产方法，所述含碳废料灰分含量小于等于15 wt%，金属杂质含量小于等于5 wt%，剩余部分为固定碳。
以上所述生产方法，所述球团形状为枕头状，或者橄榄状，或者圆球状，或者圆柱状。
以上所述生产方法，所述球团各方向最大尺寸小于等于20cm。
以上所述生产方法，所述碳硅复合球团固定碳含量大于等于0.1 wt%，SiO2含量大于等于0.1wt%。
下面结合具体实施例对本发明进行简要补充和应用效果评述。
实施例1：选择硅石颗粒、微硅粉和木炭渣混合，得到废料混合物，其中硅石颗粒占废料混合物总质量的30wt%，微硅粉占40wt%，木炭废料占30wt%。配置废料混合物总质量12wt%的粘结剂和6 wt%的水，与废料混合物一起在混料机中均匀混合6min；将混合均匀后的物料加热至90℃，在15MPa的压力下压制成碳硅复合球团。将压制得到的碳硅复合球团在干燥环境下放置30天，之后进行各项强度测试。结果如下：下落强度97.8%，抗压强度16.3MPa，1100℃反应后转鼓强度85.2%。
实施例2：选择硅石颗粒、粉碎后的冶炼渣和煤渣、焦炭渣、木炭渣混合，得到废料混合物，其中硅石颗粒占废料混合物总质量的25wt%，冶炼渣占32wt%，煤渣占12wt%、焦炭渣占10wt%、木炭渣占21wt%。配置废料混合物总质量15 wt%的粘结剂和8 wt%的水，与废料混合物一起在混料机中均匀混合10min；将混合均匀后的物料加热至90℃，在25MPa的压力下压制成碳硅复合球团。将压制得到的碳硅复合球团在90℃环境下干燥5小时，之后进行各项强度测试。结果如下：下落强度98.2%，抗压强度19.1MPa，1100℃反应后转鼓强度88.6%。
实施例3：选择微硅粉和木炭渣混合，得到废料混合物，其中硅石颗粒占废料混合物总质量的30wt%，微硅粉占40wt%，木炭渣占30wt%。配置废料混合物总质量12 wt%的粘结剂和6 wt%的水，与废料混合物一起在混料机中均匀混合6min；将混合均匀后的物料加热至80℃，在15MPa的压力下压制成碳硅复合球团。将压制得到的碳硅复合球团在干燥环境下放置30天，之后进行各项强度测试。结果如下：下落强度97.8%，抗压强度16.3MPa，1100℃反应后转鼓强度85.2%。
实施例4：选择硅石颗粒和煤渣、粉碎后的废电极混合，得到废料混合物，其中硅石颗粒占废料混合物总质量的60wt%，煤渣占25wt%，废电极占15wt%。配置废料混合物总质量6wt%的粘结剂和5 wt%的水，与废料混合物一起在混料机中均匀混合5min；将混合均匀后的物料加热至80℃，在20MPa的压力下压制成碳硅复合球团。将压制得到的碳硅复合球团在干燥环境下放置5天，之后进行各项强度测试。结果如下：下落强度98.3%，抗压强度20.1MPa，1100℃反应后转鼓强度87.3%。
实施例5：选择粉碎后的冶炼渣、微硅粉和木炭渣、木片渣混合，得到废料混合物，其中冶炼渣占废料混合物总质量的15wt%，微硅粉占55wt%，木炭渣占16wt%，木片渣占14wt%。配置废料混合物总质量9wt%的粘结剂和13 wt%的水，与废料混合物一起在混料机中均匀混合10min；将混合均匀后的物料加热至90℃，在25MPa的压力下压制成碳硅复合球团。将压制得到的碳硅复合球团在干燥环境下放置7天，之后进行各项强度测试。结果如下：下落强度96.8%，抗压强度14.3MPa，1100℃反应后转鼓强度83.2%。
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