專利名稱：：一種電弧爐冶煉不銹鋼實現(xiàn)鎳直接合金化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及冶煉不銹鋼的鎳合金化工藝，尤其涉及一種不銹鋼冶煉過程中加入經(jīng)過脫硫處理的鎳精礦直接進行鎳合金化的方法。
背景技術(shù)：
：不銹鋼生產(chǎn)中鎳合金化的原料一般是電解鎳或鎳鐵，部分廠家使用氧化鎳塊，由于電解鎳、鎳鐵和氧化鎳塊價格昂貴，因此使用廉價的鎳合金化原料是降低不銹鋼成本的重要措施。鎳元素具有親S、O、Fe、Cu元素特點，其礦物表現(xiàn)為緊密結(jié)合或伴生。自然界鎳礦主要有硫化礦和氧化礦兩大類，其中硫化礦約占13%，氧化礦約占87%。硫化鎳礦開采難度大，但可以通過選礦的方式進行富集變成鎳精礦，品位可達7%以上，硫化鎳礦主要成分是Ni、S、Fe、Cu及O。氧化鎳礦到目前為止不能用物理方法進行選礦富集，所以用來冶煉的氧化鎳精礦品位比較低，一般低于3%。目前鎳的產(chǎn)量有60%來自于硫化礦，來自氧化礦的比例不大。對于硫化鎳精礦的火法冶煉，基本思想是造锍熔煉，因為S與Cu、Ni、Fe形成的化合物熔點低，造锍冶煉能耗小。硫化鎳精礦焙燒后造锍，造锍結(jié)束后得到Ni—Fe—Cu的硫化物，然后在轉(zhuǎn)爐內(nèi)吹氧去除熔體內(nèi)部的Fe，再通過物理法實現(xiàn)鎳銅分離(方法主要是分層熔煉法、羥化法、優(yōu)先熔解法、磨浮法等)，最后對含少量Fe、Cu的高鎳锍進行電解精煉從而得到高純度的鎳產(chǎn)品。對于氧化鎳礦的火法冶煉，由于氧化鎳礦品位低，可以造锍烙煉，也可以直接在電爐內(nèi)熔煉，熔煉能耗相對很大，產(chǎn)品是純度高的鎳產(chǎn)品、鎳鐵或氧化鎳塊。濕法冶煉對火法冶煉是有益補充，但濕法冶煉對原料要求高，在直接處理硫化鎳精礦和氧化鎳礦時成本較高?？傊囈苯鸸ば驈?fù)雜，能耗巨大，造成了鎳價昂貴。例如2006年電解鎳板的價格突破30萬元/噸。不銹鋼冶煉直接使用鎳精礦作為原料來代替電解鎳、鎳鐵或氧化鎳作原料，來進行鎳的直接合金化，無疑大大降低了不銹鋼冶煉的原料成本。對于氧化鎳礦熔融還原實現(xiàn)鎳直接合金化，專JP2842185，JP2959368，JP2301506，EP386407均用氧化鎳礦作為原料，用碳作為還原劑在轉(zhuǎn)爐中實現(xiàn)鎳直接合金化冶煉不銹鋼液。由于氧化鎳礦鎳品位低(〈3%)，在不銹鋼冶煉過程中需大量的能量，能耗與用氧化鎳礦在電爐里熔煉鎳鐵相當(dāng)，且會造成渣量巨大，渣量甚至超過鋼液重量，導(dǎo)致每爐冶煉的不銹鋼量很小，影響生產(chǎn)效益。對于硫化鎳精礦熔融還原實現(xiàn)鎳直接合金化主要存在以下三個難點一是硫化鎳精礦含有大量的Cu和S，鎳直接合金化過程必然會對鋼液增S和增Cu，如何處理；二是用硫化鎳精礦進行直接合金化過程需要能量及時將精礦熔融，采用何種方式，能量如何供應(yīng)。三是如何保證鎳直接合金化過程不影響正常生產(chǎn)。CN99120032.2專利發(fā)明了交流等離子熔融還原鉻鎳精礦直接冶煉不銹鋼的方法和裝置，冶煉裝置為三相交流小孔石墨電極等離子爐，注入氬氣或焦?fàn)t煤氣以作為載氣體，其中一根電極兼作加料極，將鉻精礦粉、鎳精礦粉、硅鐵粉、石灰和氧化鎂經(jīng)電極中心孔噴入熔池。被還原的Cr和Ni等金屬溶入被熔化的定量潔凈廢鋼或海綿鐵中，達到不銹鋼所需的合金化目標(biāo)值。CN99120032.2在用鎳精礦進行鎳直接合金化技術(shù)上存在如下不足此專利使用的是含NiO超過75%含量的鎳精礦來實現(xiàn)鎳的直接合金化，而事實上硫化鎳礦經(jīng)過選礦焙燒處理后變成的鎳精礦Ni含量不會超過15%，氧化鎳礦根本不能通過選礦方式富集提高鎳品位，此專利使用的原料是經(jīng)過濕法冶金冶煉出的含NiO高的燒結(jié)氧化鎳塊(古巴鎳公司主要產(chǎn)品)，是鎳冶金的最終產(chǎn)品，而不是鎳冶金原始料鎳精礦。CN99120032.2專利沒有解決上鎳合金化成本高的問題。US95470308(在其他國家申請的專利號CN96106849.3，EP747490)專利提出鎳合金鋼或不銹鋼精煉期間從含硫的鎳精礦獲得金屬鎳的方法。此方法為將精礦中的硫轉(zhuǎn)入并保持在爐渣中，控制爐渣組成和溫度，爐渣與熔池通過惰性氣體混合和熔池中添加一定鋁。爐渣脫硫程度、爐渣重量和鋼中硫規(guī)定確定了加入熔池的精礦量。爐渣與鐵熔池之重量比為O.10.3，熔池溫度保持為15501700"。爐渣堿度控制為1.03.5，爐渣中八1203組分保持為1525wt^，而MgO組分保持為1220wt%。US95470308專利添加的是含28%Ni，30%S的硫化鎳精礦，工業(yè)生產(chǎn)的硫化鎳精礦品位很難達到20%以上；實現(xiàn)鎳合金化的目標(biāo)值只有0.25%，經(jīng)濟意義不大；不銹鋼鋼液精煉終點硫為0.2%，而優(yōu)質(zhì)不銹鋼絕對不允許有這么高的硫；只通過光學(xué)堿度計算出的硫分配比來確認(rèn)生產(chǎn)中渣實際的脫硫能力，缺乏說服力；選擇在精煉脫氧后進行鎳的直接合金化，無疑延長了生產(chǎn)周期，破壞了鋼水的純凈度；選擇在精煉爐(A0D)上實現(xiàn)鎳的直接合金化，鎳精礦熔融還原所需要的能量根本無法滿足。所以說，此專利解決的脫硫?qū)嵗谏a(chǎn)實踐中是不實用的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種電弧爐冶煉不銹鋼實現(xiàn)鎳直接合金化的方法，解決了鎳直接合金化中脫硫、生產(chǎn)能耗大、成本高的問題。本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的方法包括以下步驟選擇鎳品位大于7%，S含量小于3%的鎳精礦做原料，把鎳精礦與焦炭按質(zhì)量比為15:120:1混合制成球團，在電弧爐冶煉不銹鋼過程中分批加入，總加入量控制在100150kg/t鋼水，冶煉過程中加入鐵水，加入量為金屬原料加入重量的4060%，在電爐冶煉氧化期用氧燃燒嘴對球團進行噴吹促進其及時熔融，實現(xiàn)氧化脫硫；在冶煉末期，停氧造還原性氣氛，保持爐渣一定的堿度，實現(xiàn)爐渣脫硫。所述方法優(yōu)先選擇冶煉含銅不銹鋼，在冶煉不含銅不銹鋼時，選擇含Oi量極低鎳精礦作為原料。優(yōu)選地，在氧化脫硫前添加螢石。優(yōu)選地，所述方法是將鎳精礦與焦炭的混合球團分23批加入，間隔時間為510分鐘。優(yōu)選地，氧燃燒嘴噴吹的氧氣與油的比例為4:15:1。以下闡述本發(fā)明的原理1)綜合脫硫法的原理當(dāng)鎳精礦球團加入爐內(nèi)加熱后，球團內(nèi)微量C元素與氧化物反應(yīng)釋放能量和C0，這有利于加速鎳精礦的破裂和熔融。而被熔融的組分首先在局部形成以Fe0—Si02—Ni0為主體的渣液滴，S元素將以離子狀態(tài)熔解于此渣液滴中。如果沒有外來氧氣的作用，被還原出的Fe—Ni熔體液滴的比重高于渣，將沉入渣層底部并進入鋼液，S最容易熔于鐵熔體，也將隨著Fe—Ni熔體進入鋼液。先通過氧燃燒嘴的富余氧使被還原出的Fe—Ni熔體液滴再次被氧化，這樣Fe、Ni元素繼續(xù)以氧化物形式浮在渣層上部，熔融出來的S不能及時進入鋼液，富余的氧氣有時間進行氧化脫硫。脫硫公式如下02+FeS(l)=Fe+S02平衡常數(shù)-lgk=10166/T-0.6經(jīng)計算，當(dāng)局部溫度在140(TC160(TC條件下，平衡常數(shù)k為105數(shù)量級，02和S02的分壓力基本為一個大氣壓，F(xiàn)e的活度是l，這樣平衡FeS(l)的活度就是10—610—5數(shù)量級，而鎳精礦含S為1。X的條件下，實際FeS(l)的活度在10"數(shù)量級，所以氧化脫硫的熱力學(xué)條件良好。對于動力學(xué)條件，由于02以及生成氣體的攪拌，鎳精礦球團熔融出的渣液滴可以與02充分混合。電弧爐氧燃燒嘴可以分布35個，保證了氧化脫硫的反應(yīng)的面積。在氧化脫硫階段，主要任務(wù)是快速將鎳精礦球團熔化和脫硫，并不急于將Ni還原出來進入鋼液。由于CO氣泡和鐵元素都可以將Ni還原出，所以一旦停止氧化脫硫操作，Ni將很快被還原出并進入不銹鋼液。由于電弧爐不銹鋼冶煉末期需要加入一定的還原劑回收渣內(nèi)的Cr，保持一定時間的還原期，可以通過控制高碳出鋼以確保爐內(nèi)的還原氣氛，并控制渣堿度2左右來進一步實現(xiàn)爐渣脫硫。2)鎳精礦中Cu的綜合利用措施，充分利用鎳精礦里面的Cu作為含銅不銹鋼的合金元素。Cu合金元素有利于降低鋼的冷作硬化傾向，提高鋼的抗腐蝕性能，并具有抗菌性。所以不銹鋼牌號中有相當(dāng)一部分牌號要求含有Cu合金元素。比如抗菌不銹鋼、焊接結(jié)構(gòu)用馬氏體不銹鋼、高成型鐵素體不銹鋼、用于濕腐蝕條件下的奧氏體不銹鋼、沉淀硬化型不銹鋼等等。所以在冶煉含銅不銹鋼時，根本沒有必要擔(dān)心Cu為有害元素。在冶煉不含銅不銹鋼時，可以選擇含Cu量極低鎳精礦作為原料。3)鎳直接合金化過程選擇電弧爐為熔煉爐并配入高比例鐵水量。用鎳精礦實現(xiàn)鎳直接合金化屬熔融還原過程，需要補充一定的能量，經(jīng)計算不銹鋼鋼液每增l%Ni需要外界補充160kWh/t250kWh/t的能量，不銹鋼冶煉過程中還需要加入其它合金，也需要外界能量。為了保證在規(guī)定的冶煉周期內(nèi)完成能量供給任務(wù)，本發(fā)明選擇電弧爐為熔煉爐，并配入高比例鐵水量。鐵水內(nèi)C、Si元素氧化釋放的化學(xué)能可以降低電耗，采取超高功率供電和氧燃燒嘴供能提高了能量供給的速度。這樣可以在規(guī)定的冶煉周期內(nèi)完成冶煉不銹鋼任務(wù)，確保生產(chǎn)的順行。采用本發(fā)明方法的有益效果(1)鎳直接合金化目標(biāo)值做到1%，鎳收得率高于90%，雖然只是部分替代電解鎳或鎳鐵，但由于鎳價過于昂貴，仍可大大降低成本；(2)由于使用了鐵水內(nèi)的內(nèi)生碳作為還原劑，還原劑用量大大降低，降低了成本；(3)Ni0在電弧爐中被還原，充分利用了鐵水的化學(xué)能，可以降低鎳冶金綜合能耗；(4)回收一定量的Fe，提高冶煉過程Fe的收得率。(5)對于冶煉含銅不銹鋼，可以節(jié)約Cu合金的加入量。由于本發(fā)明選用的脫硫鎳精礦可以在工業(yè)生產(chǎn)中大量獲得，而鎳直接合金化過程也無需改造電弧爐設(shè)備，可以帶來規(guī)模經(jīng)濟效益。圖1為鎳直接合金化工藝流程圖。具體實施方式分別選用卡里古利鎳精礦和甘肅金山鎳精礦作本發(fā)明實施例的原料，脫硫后成分如表1所示。表l脫硫后鎳精礦成分<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>選定精礦來源后，一共采用6種方案，各方案如表2所示。具體實施過程如圖1所示，把脫硫鎳精礦與焦炭混合按表2所給出的比例混合造球，在100t電弧爐冶煉開始后5min兌加鐵水，鐵水加入量占整個金屬原料總量之比如表2所示，在冶煉開始10min后開始分批加入鎳礦與焦炭制成的球團，其中方案1和方案4分兩批加入，其他方案分三批，每一批間隔5min，球團總的加入量如表2所示，球團加入后增大氧油燒嘴噴吹的氧氣與油的比例，正常情況氧氣(Nm3)、輕柴油(l)的理想配比為2.33:1，方案1、2、4禾Q5提高到4:1，其他實例提高到5:1，氧化脫硫在最后一批球團加入后10min結(jié)束。冶煉的還原期渣堿度控制在2左右?？紤]到還要添加電解鎳和碳素鉻鐵滿足生產(chǎn)，最終鎳直接合金化目標(biāo)值通過物料平衡算出，鎳直接合金化目標(biāo)值和收得率如表2所表示。表2鎳直接合金化實例方案及其合金化效果<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表3鎳直接合金化實例其他冶金指標(biāo)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>每種方案的其他冶金指標(biāo)如表3所表示。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可得出冶煉周期可以控制在70min左右，終點碳含量控制0.5%左右，增S最好可以做到0.008%，增Cu在0.06%左右，電耗低于400kWh/t鋼水，爐渣厚度均小于0.4m。以上冶煉效果對于生產(chǎn)含銅不銹鋼基本是可以接受的。權(quán)利要求1.一種電弧爐冶煉不銹鋼實現(xiàn)鎳直接合金化的方法，其特征在包括以下步驟選擇鎳品位大于7％，S含量小于3％的鎳精礦做原料，把鎳精礦與焦炭按質(zhì)量比為15∶1～20∶1混合制成球團，在電弧爐冶煉不銹鋼過程中分批加入，總加入量控制在100～150kg/t鋼水，冶煉過程中加入鐵水，加入量為金屬原料加入重量的40～60％，在電爐冶煉氧化期用氧燃燒嘴對球團進行噴吹促進其及時熔融，實現(xiàn)氧化脫硫；在冶煉末期，停氧造還原性氣氛，保持爐渣一定的堿度，實現(xiàn)爐渣脫硫。2.如權(quán)利要求1所述的電弧爐冶煉不銹鋼實現(xiàn)鎳直接合金化的方法，其特征在于，優(yōu)先選擇冶煉含銅不銹鋼，在冶煉不含銅不銹鋼時，選擇含Cu量極低鎳精礦作為原料。3.如權(quán)利要求1所述的電弧爐冶煉不銹鋼實現(xiàn)鎳直接合金化的方法，其特征在于，在氧化脫硫前添加螢石。4.如權(quán)利要求1所述的電弧爐冶煉不銹鋼實現(xiàn)鎳直接合金化的方法，其特征在于，鎳精礦與焦炭的混合球團分23批加入，間隔時間為510分鐘。5.如權(quán)利要求1所述的電弧爐冶煉不銹鋼實現(xiàn)鎳直接合金化的方法，其特征在于，氧燃燒嘴噴吹的氧氣與油的比例為4:15:1。全文摘要本發(fā)明公開了一種電弧爐冶煉不銹鋼實現(xiàn)鎳直接合金化的方法，包括以下步驟選擇鎳品位大于7％，S含量小于3％的鎳精礦做原料，把鎳精礦與焦炭按質(zhì)量比為15∶1～20∶1混合制成球團，在電弧爐冶煉不銹鋼過程中分批加入，總加入量控制在100～150kg/t鋼水，冶煉過程中加入鐵水，加入量為金屬原料加入重量的40～60％，在電爐冶煉氧化期氧燃燒嘴的噴吹的氧氣與油的比例為4∶1～5∶1，對球團進行噴吹促進其及時熔融，實現(xiàn)氧化脫硫；在冶煉末期，停氧造還原性氣氛，保持爐渣一定的堿度，實現(xiàn)爐渣脫硫。本發(fā)明節(jié)省了大量鎳材、銅材等，節(jié)省了設(shè)備投入，降低了成本，提高了生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。文檔編號C22C33/04GK101275195SQ200710038530公開日2008年10月1日申請日期2007年3月27日優(yōu)先權(quán)日2007年3月27日發(fā)明者陳兆平申請人:寶山鋼鐵股份有限公司