火法冶炼由高速钢磨屑再生含W-Mo-Cr-V合金.pdf

第5 7 卷第1 期 2 0 05 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 7 ，N o ．1 F e b r u a r y 2005 火法冶炼由高速钢磨屑再生含W M o C r V 合金 夏文堂1 ，张启修1 ，徐瑞2 1 ．中南大学冶金科学与工程学院，长沙4 10 0 8 3 ； 2 ．燕山大学材料科学与工程学院，河北秦皇岛0 6 6 0 0 4 摘 要研究用水法预处理和火法回收相结合的工艺从高速钢磨屑中再生含w M o ．C r V 的合金，分析原料粒度、还原剂、石 灰等对回收率的影响。结果表明，回收工艺可行，w 和M o 回收率在9 6 ％以上，c r 和V 回收率不低于9 1 ％。再生合金产品质量稳 定，可满足高速钢炼钢使用要求。 关键词冶金技术；再生合金；火法冶炼；高速钢磨屑 中图分类号T F 8 0 3 ．3 ；T F 8 0 5 ．2 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 5 0 1 0 0 6 4 0 5 高速钢磨屑是高速钢和刀具生产过程中产生 的工业废料，其量占高速钢总量的0 ．5 ％～5 ％，刀 具所用材料总量的5 ％～1 5 ％。由于高速钢磨屑中 杂质含量高且细小 1 2 0 ～1 7 5 ／x m ，易氧化，无法直 接利用，经常被作为工业垃圾废弃，从而造成了W 、 M o 、C r 、V 等稀有合金元素的浪费，且污染了环境。 高速钢磨屑中所含有的W 、M o 、C r 、V 是贵重合金元 素，这些合金元素加入钢中主要与碳结合形成碳化 物，对细化钢的晶粒，提高钢的硬度、红硬性和耐磨 性有重要作用，是特钢生产中不可缺少的合金元素， 因此具有很高的再生利用价值。为了回收其中的 W 、M o 、C r 、V 等合金元素，降低炼钢生产成本，充分 利用二次资源，有关单位采用了电弧炉、金属热法及 中频炉甚至真空炉回收高速钢磨屑中的合金元素， 但采用这些工艺方法的合金元素回收率较低，特别 是C r 和V 合金元素烧损严重，回收的材料中P 和S 等杂质含量较高，影响了炼钢生产配料[ 卜2 | 。 为充分回收高速钢磨屑中的合金元素，克服常 规回收工艺的不足，采用水法预处理加火法高效回 收工艺。 1高速钢磨屑预处理 高速钢磨屑细小、表面积大，由于冷却介质中盐 的作用容易生锈且含有一定的油污，杂质P 和s 含 量高，而且其中还含有砂轮刚玉砂。通常情况下，高 收稿日期2 0 0 3 1 1 2 8 作者简介夏文堂 1 9 6 4 一 ，男，山东青岛市人，高级工程师，博士 生，主要从事废旧资源再生及固体废物处理的研究。 速钢磨屑的含P 量约为0 ．0 3 6 ％，S 含量大于 0 ．1 ％，比高速工具钢要求P ≤0 ．0 3 0 ％，s ≤0 ．0 3 0 ％ 超出许多。要达到再生的目的，必须经除油、去锈和 杂质等工艺，因此，首先要对磨屑进行精选。 高速钢磨屑再生预处理的具体做法是把高速钢 磨屑放入盛有清水的容池内浸泡同时进行搅拌，并 多次加水洗掉泥土。若高速钢磨屑锈蚀，则需用 1 0 ％的盐酸多次浸泡并搅拌，再用清水冲洗，直至水 清亮为止。无论高速钢磨屑是否锈蚀，均须对其所 含的油污进行处理，具体做法是采用高温水 或通人 蒸汽 中加入碱 5 ％N a O H 1 0 ％N a N 0 3 重复多次 清洗，此过程要同时搅拌直至无絮状物且水清亮为 止，这种措施的采用不仅去除了油污和锈蚀，而且还 去掉了部分杂质P 和S 。对处理好的磨屑脱水后， 置于烘干炉内1 1 5 ～1 2 5 ℃下烘烤。最后把结块的 磨屑用对辊破碎机破碎至磁选粒度要求，然后进行 磁选，选出精磨屑。 试验结果表明，精磨屑占投入高速钢磨屑的 7 0 ％左右，而精磨屑中还含2 ％～4 ％的刚玉砂，其 含P 量一般小于0 ．0 3 1 ％，而S 含量约0 ．0 6 5 ％。 2实验方法 最 2 ．1 火法冶炼工艺原理与特点 火法冶炼工艺结合了电渣炉的优点[ 3 叫] ，利用 电流通过特别配制的熔渣时产生的电阻热将熔渣自 身加热到2 0 0 0 ℃，通过还原剂还原高速钢磨屑中的 氧化物，达到除去杂质P 和S 及再生回收高速钢磨 屑中合金的效果。 还原反应为M e O 还原剂一M e 氧化物。式 万方数据 第1 期夏文堂等火法冶炼由高速钢磨屑再生含W ．M o - C r V 合金6 5 中M e O 一高速钢磨屑原料中金属氧化物；M e 一被 还原的金属。 研究中熔炼电热炉所用的电极和电弧炉炼钢电 极相同，高速钢磨屑通过高温渣池进入熔池。一般 来讲，由于高速钢磨屑体密度小，还原剂及造渣熔剂 较轻，并非直接穿过渣池进入熔融金属熔池，而是加 入炉中先浮在渣池表面上进行预热，而后缓慢的通 过渣池经充分加热、反应后以金属液滴的形式进入 熔池中，实际上大部分磨屑通过渣池时已全部熔化， 这不仅热效率高，而且磨屑在熔化及反应过程中得 到了一定程度的渣洗作用，所得的再生钢液较纯，这 是电热炉区别于其他冶炼炉有利于去杂的原因。 2 ．2 试验原料 高速钢磨屑高速钢磨屑主要为W 。M o ，C r 4 V 及W 6 M 0 5 C r 4 V 2 高速钢混合料，经水法预处理后的 精磨屑的化学成分如表1 所示。 表1 试验用高速钢磨屑平均化学成分 T a b l e1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fh i g h s p e e ds t e e lg r i n d i n gs w a r f s 成分 S iPSF eF e OWM oC rV 含爵／％】．1 60 ．0 3 00 ．0 5 8 7 8 ．0 83 ．3 36 ．5 2 3 ．2 93 ．3 7 1 ．3 1 复合还原剂特别炼制的一种还原剂，无粉化。 渣料石灰 C a O ，选用一级石灰；萤石 C a F 2 ， 选用特一级萤石；铝氧粉 A 1 2 0 3 ，选用一级铝氧粉； 镁砂 M g O ，选用一级镁砂。 2 ．3 试验设备 自行设计的容量为0 ．5 t 单相单极电热炉。试 验装置示意如图1 所示。 1 一上电极；2 一耐火炉衬；3 一磨屑混料；4 一渣池； 5 一钢液；6 一下电极；7 一电缆；8 一变压器 图1 火法冶炼示意 F i g ．1 S c h e m eo fs m e l t i n gw i t hp y r o m e t a l l u r g i c a lp r o c e s s 炉子容量，5 0 0 k g ；变压器容量，3 5 0 ～4 0 0 k V A ； 一次电压 V ，6 0 0 0 ／1 0 0 0 0 ；二次电压 V ，4 2 ～7 0 ； 二次电压级数，5 ；冷却方式，油冷。 2 ．4 工艺流程 火法回收高速钢磨屑中的W 、M o 、C r 及V 的工 艺流程见图2 。 图2 火法再生的工艺流程 F i g ．2 F l o w s h e e to fr e c y c l i n gW ，M o ，C ra n dV b yp y r o m e t a l l u r g i c a lp r o c e s s 3 试验结果与讨论 高速钢磨屑再生合金的化学成分主要由高速钢 磨屑炉料组分和冶炼工艺参数等控制，经水法预处 理和单相单极电渣炉冶炼回收的再生合金产品化学 成分见表2 。 从表2 看，采用火法冶炼回收的再生合金成分 稳定，C 比一般的钢高，主要是因为石墨电极长期浸 泡在渣液中C 渗入钢液。再生合金中的P 和S 较 低，完全满足作为高速钢原料的要求。 高速钢磨屑合金的再生是一个复杂的物理化学 过程。技术经济指标的影响因素很多，主要是以下 工艺参数。 3 ．1 高速钢磨屑原料 高速钢磨屑原料主要来源于工具机加工工序，其 形态细小极易被冷却介质及砂轮添加剂硫磺所污染， 其中P 和s 都较高。通常情况下，高速钢磨屑P 含量 约0 ．0 3 6 ％，S 含量大于0 ．1 0 ％，比高速工具钢要求的 P ≤O ．0 3 0 ％，S ≤0 ．0 3 0 ％超出许多。为保证质量，采 取高速钢磨屑前期水法预处理，水法预处理后的高速 钢精磨屑含P 量一般小于0 ．0 3 1 ％，而S 含量在 0 ．0 6 5 ％左右，可保证火法冶炼回收合金的质量。 万方数据 6 6有色金属 第5 7 卷 0 1 6 0 2 1 l 0 1 6 0 2 1 2 0 1 6 0 3 1 1 0 1 6 0 3 1 2 0 1 6 0 4 1 1 0 1 6 0 4 1 2 0 1 6 0 5 1 1 0 1 6 0 5 1 2 3 ．2 还原剂配入量 炉料中还原剂的配入量是影响高速钢磨屑回收 技术经济指标的重要因素之一，还原剂的配入量系 数与W 、M o 、C r 、V 回收率的关系见图3 ，还原剂配 入量系数与再生合金含硅量的关系见图4 。 9 5 冰 碍9 0 “ 8 5 擞l 9 5 9 79 91 0 l 还原剂配入量系拗％ 图3 还原剂配入量与合金回收率的关系 F i g ．3R e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o e f f i c i e n t o fb u r d e na n dr e c o v e r yo fa l l o y s 2 ．0 1 ．5 啦 ．0 鲁 巳 0 ．5 0 ．0 9 7 9 91 0 l1 0 31 0 5 配还原系数，％ 图4 配入还原剂系数与再生合金 ， 含硅量的关系 F i g ．4R e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o e f f i c i e n to fb u r d e nr e d u e t a n ta n ds i l i c o nc o n t e n to fs e c o n d a r ya l l o yr a wm a t e r i a l s 从图3 可知，当还原剂不足时，W 、M o 、C r 、V 的回收率相对较低。当配人量系数太高时，由于过 剩的还原剂进入再生合金，使再生合金的出铁率上 升，而且渣液变稠，不利于金属液滴的充分沉降，会 造成合金回收率下降。合适的还原剂配人量为 9 8 ％～1 0 0 ％。 图4 表明，随着配入还原剂量的增加，再生合金 中硅含量呈增加趋势。当达到一定程度，合金原料 中硅含量明显增加。 试验证明，当还原剂的配人量为理论配入量的 9 8 ％～1 0 2 ％时，合金回收率较高。还原剂配入量系 数小于9 8 ％，还原剂不足以充分还原磨屑合金原料 中的合金元素，合金回收率低。还原剂配人量增加， 再生合金中的合金量及出铁量都有增加。当还原剂 配入量系数大于1 0 2 ％时，由于还原剂配入量过多， 再生合金中含硅量明显增加，从而因含硅高而造成 次品，且使熔渣变稠，不利于合金液滴的充分沉降， 造成合金回收率降低。 3 ．3 炉料粒度 在冶炼回收条件相同的状况下，炉料粒度对冶 炼过程起重要作用。一般情况下，炉料组分越细，经 混合后能使被还原氧化物和还原剂的颗粒问良好接 触，增加反应速度，使还原剂得到充分利用。炉料颗 粒太粗，还原剂反应不充分而直接进入钢液。但若 还原剂太细，在混料时极易飞扬，装料过程中极易氧 化而损失严重，起不到还原作用。经试验和生产证 明，炉料粒度以表3 所示较为理想。 表3 炉料组分的粒度 T a b l e 3G r a i ns i z e so fr a wm a t e r i a l s 炉料组分高速钢磨屑复合还原剂萤石 镁砂石灰 粒度／m m0 ．2 4 6 ～0 ．1 4 75 ～1 05 ～1 05 ～1 05 ～1 0 3 ．4 添加剂石灰 在高速钢磨屑再生合金的反应过程中，有一些 金属热反应 如W 0 3 和M 0 0 3 与还原剂的反应 进 行得比较彻底，但也有一些金属热反应 如V 2 0 5 、 C r 2 0 3 及铁的氧化物与还原剂的反应 只能进行到 n“稻钾如如的n 1 l l 1 1 l 1 1 跎如”豁鲫∞趴虬 3 3 3 3 3 4 3 3 粥蛇∞蝤黔m鲫“ 3 3 4 3 3 4 3 3虬踮晒蛇缸H叮踮 7 7 8 7 7 8 8 7 l 9 4 6 1 3 3 7∞舵吆∞∞舵∞眈 O O O O O 0 0 O 2 3 4 5 1 2 3 2∞∞∞∞∞∞∞∞ O O O O O O O O∞砣”勉弘勉砣如 O O O O O O O O 弱∞趵2 n 铅印“ O O O O O 0 O 0如“勰“晒”坶加 O 1 l l l 1 l 1 万方数据 第1 期夏文堂等火法冶炼由高速钢磨屑再生含W M o - C r - V 合金6 7 合金液与氧化物渣达到平衡，有一部分金属氧化物 留在熔渣中，其反应生成的某些氧化物 如S i 0 2 将 阻止反应向合金生成方向进行，影响合金及铁的还 原程度，必须添加部分石灰来影响平衡。因为C a O 会同过程产生的S i 0 2 结合生成硅酸钙，有利于反应 向合金生成方向进行，同时也改善渣的黏度和流动 性，从而使合金元素及铁的还原程度增加，提高了出 铁量。石灰配入量 石灰加入量倩速钢磨屑投入量 1 0 0 ％ 与铁、铬、钒回收率的关系如图5 所示。 3 ．5 高速钢磨屑再生合金的回收率指标 试验再生合金的回收率指标见表4 ，与国内外 各种方法合金回收率的比较见表5 。 ‘ 求 薅 擎 国 13 57 q 1 1 石灰配入量，％ 图5 石灰配入量与F e 和v 及Q 回收率的关系 n 9 5R e l a t i o n s h i pb e t w e e nl i m ed o s a g e a n dr e c o v e r yo fF e ，C ra n dV 表4 高速钢磨屑再生合金中合金元素回收率 T a b l e4I n d e xo fr e c y c l i n gs e c o n d a r ya l l o yr a wm a t e r i a l 表5 与国内外各种方法高速钢磨屑 再生合金回收率的比较 T a b t e5C o m p a r i s o no fa l l o yr e c o v e r yo fv a r i o u sm e t h o d s 由表4 结果可知，采用经预处理后的 W 9 M 0 3 C r 4 V 及w 6 M o s C r 4 v 2 高速钢混合精磨屑原料， 在精磨屑投人量相等的条件下，产出的再生合金质量 几乎相等。再生合金中W 、M o 、C r 及V 的偏差较小， 其差异主要是由于机加工过程中W 。M ％C r 4 V 及 W 6 M o s C r 4 u 高速钢的比例不完全相同造成的。合金 参考文献 元素w 和M o 平均回收率大于9 6 ％，C r 和V 回收率 不低于9 1 ％。t r e a t 结果表明，火法工艺的合金回收 率高于其他工艺方法。 4 结论 1 采用火法工艺从高速钢磨屑中回收再生合 金，工艺技术可行，w 和M o 回收率大于9 6 ％，C r 和 V 回收率不低于9 1 ％。再生合金中W 、M o 、C r 及V 含量高，成分稳定，杂质含量低，完全满足高速钢冶炼 要求。 2 为保证具有较高的合金回收率指标，复合还 原剂的配入量为理论的9 8 ％～1 0 0 ％，石灰加入量占 磨屑总量的6 ．0 ％- - 7 ．5 ％为宜，炉料粒度为高速钢磨 屑0 ．2 4 6 - - 0 ．1 4 7 m m ，复合还原剂、萤石、石灰及镁砂 为5 ～1 0 m m 较佳。 [ 1 ] 夏文堂，王大宇．高速钢磨屑再生利用展望[ J ] ．中国资源综合利用，2 0 0 1 ， 3 1 7 1 9 ． [ 2 ] 夏文堂．硅热法冶炼高速钢磨屑再生合金原料[ J ] ．特殊钢，2 0 0 2 ，2 3 2 5 3 5 4 ． [ 3 ] P r a s a dVV ，S a m b a s i v aA ，P r a k a s hU ，e ta 1 ．A l u m i n aa d d i t i o nt of l u o r i d es l a g sf o rr e c y c l i n go fl o wo x y g e a ah i g hc o n d u c t i v i t yc o p p e r s c r a pt h r o u g he l e c t r os l a gc r u c i b l em e l t i n g [ J ] ．J o u r n a lo fE n g i n e e r i n ga n dA p p f i e dS c i e n c e ，1 9 9 8 ，3 8 1 2 1 3 8 7 1 3 8 9 ． 下转第7 0 页，C o n t i n u e do nP ．7 0 万方数据 7 0有色金属第5 7 卷 表3 主要热工参数和技术经济指标 T a b l e3M a i nt h e r m o - p a r a m e t e r sa n d t e e h n i c o - e c o n o m i c a li n d e x e s 在全国铝行业烧成窑和水泥窑上具有广泛的推广应 用价值”。 3结语 偏心调整式回转窑密封装置具有结构简单，密 封效果好，降低煤耗、提高产质量、提高回转窑运转 率和经济效益等综合功能。应用于声4 ．5 l O O m 氧化铝熟料回转窑，密封安装间隙首次达到了 5 r a m ，回转窑运转率从8 3 ％提高到8 9 ％，熟料产量 从4 3 ．8 5 t ／h 提高到5 6 ．7 0 t ／h ，烧成标准煤耗从 1 9 3 ．8 3 k g ／t 降至1 6 6 ．0 6k g ／t ，每年可节省备件消耗 3 6 万元，增加效益7 3 8 ．2 4 万元。 E c c e n t r i c i t yA d j u s t i n gS e a lD e v i c eo fR o t a r yK i l na n dI t sA p p l i c a t i o n L I U L o n g L u o y a n gT e c h n o l o g yC o l l e g e ，L u o y a n g4 7 1 0 0 3 ，H e n a n ，C h i n a A b s t r a e t T h es t r u c t u r ea n dd e s i g np r i n c i p l e s ．m a n u f a c t d r ep r o c e s sa n da s s e m b l i n gm e t h o do fan e ws e a ld e v i c ef o rr o t a r yk i l na r ed e s c r i b e d ．a n dt h ea p p l i c a t i o nr e s u l t sa r ea l S Oi n t r o d u c e d ．T h es t r u c t u r eo ft h es e a ld e v i c ew i t ha d j u s t i n ge c c e n t r i c i t yi ss i m p l ea n dc o n v e n i e n t ，a n dt h ee x c e l l e n ts e a le f f e c t ，c o a lc o n s u m p t i o nr e d u c t i o n ，i n c r e a s e o fp r o d u c tq u a l i t ya n dk i l no p e r a t i o ne f f i c i e n c ya sw e l la se c o n o m i c a lp r o f i ta r ea c h i e v e db yu s eo ft h en e ws e a l d e v i c e ．I nt h ea p p l i c a t i o nt ot h e 拳4 ．5 1 0 0 mr o t a r yk i l nf o ra l u m i n ap r o d u c t i o n ，t h eg a p so fa s s e m b l yr e a c h e s 5 m mp r e m i e r l y ．t h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c ya n dc a p a c i t ya r ei n c r e a s e dt o8 9 ％a n d5 6 ．7 0 t ／hf r o m8 3 ％a n d 4 3 ．8 5 t ／h ，r e s p e c t i v e l y ，t h es t a n d a r dc o a lc o n s u m p t i o nf o rs i n t e r i n gi sr e d u c e dt o1 6 6 ．0 6k g ／tf r o m1 9 3 ．8 3 k g ／ t ，t h es p a r ep a r tc o s ti ss a v e db y0 ．3 6 M ，a n dt h ep r o f i ti si n c r e a s e db y7 ．3 8 2 4 M ． K e y w o r d s m a c h i n e r ya n da u t o m a t i o no nm e t a l l u r g y ；s e a lo fr o t a r yk i l n ；a d j u s t i n ge c c e n t r i c i t y 上接第6 7 页C o n t i n u e df r o mP ．6 7 [ 4 ] 常鹏北．有衬炉电渣冶金[ M ] 昆明云南人民出版社，1 9 7 9 2 0 2 3 W - M o - C r - VC o n t a i n e dA l l o yR e c y c l i n gf r o mH i g hS p e e dS t e e lS w a r f sb yP y r o m e t a l l u r g i c a lP r o c e s s X ／AW e n ．t a n 9 1 ，Z H A N GQ i x i u1 ，X UR u i 2 1 ．C o l l e g eo fM e t a l l u r g i c a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a41 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g eo fM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，Y a n s h a nU n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o0 6 6 0 0 4 ，H e b e i ，C h i n a A b s t r a c t T h er e c y c l i n gp r o c e s so fW M o C r Vc o n t a i n e da l l o yf r o ms w a r f so fh i g hs p e e ds t e e lb yt h ep y r o m e t a l l u r g i c a lp r o c e s sf o l l o w i n gt h ep r e ．．t r e a t m e n tw i t hh y d r o m e t a l l u r g i c a lp r o c e s s i si n v e s t i g a t e d ．T h ee f f e c t so fr a w m a t e r i a ls i z ea n dd o s a g eo fr e d u c t a n ta n dl i m eo nr e c o v e r ya r ea n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e c o v e r yo fW a n dM oi sm o r et h a n9 6 ％，a n dC ra n dVi so v e r91 ％．T h et e c h n o l o g yi sp r a c t i c a b l e ，a n dt h eq u a l i t yo fp r o d u c t i ss t a b l ea n dm e e t st h en e e d so ft h eh i g hs p e e ds t e e lm a k i n g ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；r e c y c l i n ga l l o y ；p y r o m e t a l l u r g y ；s w a r f so fh i g h s p e e ds t e e l 万方数据