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不锈钢冶炼粉尘形成机理及直接回收基础理论和工艺研究

彭及  
【摘要】: 不锈钢冶炼粉尘含有多种重金属,填埋弃置不仅污染环境,而且造成宝贵的镍、铬等金属资源流失。通过前期探索提出返回熔炼的直接回收工艺方案处理不锈钢冶炼粉尘,即粉尘与还原剂碳混合制粒后加入炼钢炉,使粉尘中的有价金属还原并以合金元素的形式回收于不锈钢母液之中。在国家自然科学基金等项目的支持下完成本课题的研究,研究内容主要涉及以下三个方面:(1)不锈钢冶炼粉尘形成机理及其直接返回对冶金体系物化特性的影响(2)不锈钢冶炼粉尘直接返回处理基础理论研究(3)不锈钢冶炼粉尘直接返回熔炼的新工艺研究。解决了实现该工艺技术所必需解决的一些关键基础理论问题和关键技术难题,取得以下进展。 应用高速摄影技术观察研究不锈钢冶炼高温熔体表面气泡破裂过程,确定膜滴和喷射液滴的特征、大小和数量与气泡直径之间的定量关系,系统地分析了粉尘形成过程的物理化学变化及其物理化学特性,确定了粉尘形成过程可分为前驱体形成和细小颗粒的集聚长大两个阶段,这为不同成份冶炼粉尘的分离及分别处理和现有除尘设备的改造提供依据。 热力学分析表明,不锈钢冶炼粉尘中的镍很容易还原、其次为铁、而铬较难还原,并伴随有铅、锌氧化物的还原。确定了各元素的物相的稳定区,明确了铬的各种碳化物物种的稳定区。动力学研究表明,球团碳热还原过程分三个阶段进行,确定了各阶段的控制因素和粉尘中各金属氧化物的还原特征。 分别采用水力模型和高温金属与炉渣体系考查气泡在钢渣界面的分离行为,发现气泡在钢渣界面的停留与炉渣的化学成份、钢渣界面张力、气泡的大小、熔体温度等因素紧密相关,气泡在钢渣界面的停留时间随着气泡尺寸的增大而延长,但随温度的升高显著降低。气泡在钢渣界面停留的这些行为特征,为促进气泡携带夹杂物迅速通过钢渣界面提供了依据。 电弧炉炼钢炉渣发泡性能研究查清了不锈钢炉渣发泡性能差的原因:炉渣中Cr_2O_3含量低于16%时不会降低炉渣的发泡性能,只有超过此溶解度后才导致发泡性能显著下降;炉渣发泡取决于冶炼时产生的CO气体量,FeO的还原速度比Cr_2O_3的高得多从而产生更多的CO气体,这是导致碳钢电弧炉冶炼易实现炉渣最大泡沫化的原因:直接回收工艺所添加的碳酸钙与硝酸钙,其加热分解可产生大量的气体,可作为炉渣发泡的内气源。这些提高炉渣发泡能力的方法可提高直接回收工艺的炼钢能力。 首次明确了球团浸没在液态炉渣中的加热熔化特征,揭示了固态炉渣壳的形成与生长,然后熔化向球团内部渗透的显微过程,查明了直接回收工艺过程中固态炉渣壳的寿命和球团加热熔化机理,掌握了球团中加入金属铁粉促进热传导而加速球团的熔化规律,确定了球团的存在位置和在钢渣之间的体积分配,建立了钢渣界面张力的定量计算方法。 建立了磷硫脱除过程数学模型,确定了磷、硫的传输速度为过程的控制步骤,揭示了钢中[P%]和炉渣中(P%)以及钢中[S%]和炉渣中(S%)随时间的变化关系以及炉渣中FeO在磷硫脱除过程中的作用机制,为不锈钢冶炼粉尘直接回收工艺所获得的不锈钢母液中磷硫含量的控制提供了依据。 不锈钢粉尘直接返回冶炼的工艺研究克服了不锈钢冶炼粉尘造球困难以及木质素磺酸钙作粘结剂时带入有害元素硫的问题,取得了镍、铁的回收率超过96%和铬的回收率超过94%以及钢锭中P、S含量可控的理想效果。不锈钢冶炼粉尘球团的预还原不利于有价金属的还原回收,球团自然干燥后于电弧炉炼钢过程中的还原期加入较适宜,而且要在冶炼过程结束的前3min左右加入金属还原剂调整渣型以提高冶炼金属回收率。 对无回收价值的冶炼粉尘用廉价的粘土作为粘结剂进行固化处理即可通过标准毒性浸出试验。其工艺参数为:采用50%的粉尘与50%的粘土混合,在1100℃下热固化15min,固化产物热稳定性良好可作为建材使用。 总之,不锈钢冶炼粉尘直接返回冶炼的回收处理技术可充分利用钢厂现有设施,是一种投资省、生产运行成本低的处理不锈钢冶炼粉尘的新方法。


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