高鈦渣副產(chǎn)品半鋼應(yīng)用研究

蔡曉東，趙 剛，王英彬，李 勝，郭顯江

（1.阜新市先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000）

高鈦渣是生產(chǎn)四氯化鈦、鈦白粉和海綿鈦產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)原料。全球鈦白粉和海綿鈦需求量不斷增長(zhǎng)，高鈦渣的需求呈直線上升趨勢(shì)。近年來(lái)，我國(guó)鈦白粉和海綿鈦行業(yè)發(fā)展迅速，雖然國(guó)內(nèi)高鈦渣的產(chǎn)量在不斷擴(kuò)大，但仍滿足不了國(guó)內(nèi)強(qiáng)大的需求，我國(guó)每年需要進(jìn)口大量的高鈦渣。高鈦渣作為短缺的初級(jí)礦產(chǎn)品，市場(chǎng)前景廣闊。

鈦渣的生產(chǎn)方法主要是電爐熔煉法。這種方法是將鈦精礦與固體還原劑混合加入電爐中進(jìn)行還原熔煉，鈦精礦中鐵的氧化物被選擇性地還原為金屬鐵，而鈦的氧化物被富集在爐渣中，經(jīng)過渣鐵分離獲得鈦渣和副產(chǎn)品金屬鐵[1]。高鈦渣冶煉過程中得到的副產(chǎn)品生鐵因其碳含量為1.5%～2.3%，在熟鐵和生鐵之間,其次是含硅量＜1.0%，比高爐冶煉的生鐵低，通常稱為半鋼[2]。半鋼的有效利用對(duì)提高鈦渣生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性有著重要的影響，世界各大鈦渣生產(chǎn)廠都十分重視副產(chǎn)品半鋼的綜合利用。加拿大魁北克鐵鈦公司（QIT）將其用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生鐵、鋼坯、鐵粉和鋼粉；南非里查茲灣礦物公司（RBM）經(jīng)過噴吹處理后澆筑成生鐵；挪威Tinfos鈦鐵公司（TTI）在搖包內(nèi)進(jìn)行脫硫處理得到優(yōu)質(zhì)生鐵[3]。

阜新市目前有高鈦渣生產(chǎn)企業(yè)9戶，每年生產(chǎn)半鋼2萬(wàn)t。為了提高鈦渣生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，有必要對(duì)半鋼進(jìn)行增值研究。本文對(duì)高鈦渣生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，在渣鐵分離后，對(duì)液態(tài)半鋼進(jìn)行脫硫，脫硫后的鐵液倒入中頻爐中進(jìn)行增碳、增硅，經(jīng)過改性處理的半鋼達(dá)到了優(yōu)質(zhì)鑄鐵材料標(biāo)準(zhǔn)。

1 半鋼產(chǎn)出原理及工藝

鈦精礦和焦炭（或無(wú)煙煤）經(jīng)破碎篩分后于礦熱爐內(nèi)在1200～2000℃的高溫下發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)物為高鈦渣和半鋼。

熔煉結(jié)束后放出鐵水，高鈦渣的比重小，浮在上面，下邊為鈦鐵水。工藝流程如圖1所示。

圖1 高鈦渣冶煉工藝流程

阜新市高鈦渣副產(chǎn)品半鋼的成分如表1所示。

表1 阜新高鈦渣副產(chǎn)品半鋼成分%

2 半鋼加工成鑄鐵的改性處理

根據(jù)GB/T718-2005《鑄造用生鐵》的規(guī)定，鑄造用生鐵的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)如表2。

表2 鑄造生鐵成分標(biāo)準(zhǔn)%

通過表1和表2的對(duì)比可知，半鋼中P含量滿足鑄鐵的三級(jí)要求；w（C）＜3.30%，低于鑄鐵要求；Mn含量符合鑄鐵2組要求；S含量遠(yuǎn)大于鑄鐵要求；Si含量低于鑄鐵要求。對(duì)比分析后可知，半鋼需要除硫、增碳、增硅，來(lái)達(dá)到鑄鐵成分標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 半鋼處理工藝流程

本文對(duì)傳統(tǒng)半鋼處理做了改進(jìn)，在出鐵車兩端下部制作兩個(gè)鐵水出口，鐵水出口處挖地坑，放置鐵水包。裝有熔煉后的鈦和鐵水混合物的鐵水車通過兩個(gè)出鐵口，使鐵水流入鐵水包中。同時(shí)在鐵水包中放入脫硫劑，經(jīng)過脫硫的半鋼直接放入中頻爐中經(jīng)過增碳、增硅，成為合格的鑄鐵材料。工藝流程如圖2所示。

圖2 半鋼處理工藝流程

2.2 半鋼脫硫原理與工藝

CaO脫硫劑的特點(diǎn)：在高碳和一定含硅量的鐵水中，CaO具有較強(qiáng)的脫硫能力；扒渣方便，但用量較大，產(chǎn)生的渣量較多，鐵損較高，鐵水降溫較大；CaO資源多、價(jià)格低、易加工、使用安全。

文獻(xiàn)[4-7]對(duì)鎂的脫硫機(jī)理和產(chǎn)物進(jìn)行了研究，得出鎂具有較強(qiáng)的脫硫能力。鎂粉脫硫特點(diǎn)：鎂粉的脫硫能力強(qiáng)于CaO，鎂的沸點(diǎn)低，在鐵水中形成氣泡，使反應(yīng)區(qū)附近流動(dòng)性好，增加脫硫效果；鎂在水中有一定的溶解度，鐵水經(jīng)過Mg飽和后可以防止回硫，并且這部分飽和的Mg在鐵水處理后的運(yùn)輸過程中仍起脫硫作用；Mg價(jià)格貴，用量少，鐵水降溫小，渣量少，鐵損少，處理周期短，有利于高節(jié)奏的轉(zhuǎn)爐，其綜合成本不一定高。

采用Mg+CaO+Al2O3作為脫硫劑，取得了很好的效果。半鋼中S的含量高達(dá)到1.2%，Mg粉做脫硫劑效果較CaO明顯。同時(shí)，加入石灰粉起到分散劑作用，可避免大量Mg瞬間氣化而造成噴濺；石灰粉還能成為大量氣泡的形成中心，從而減少M(fèi)g氣泡的直徑，降低了Mg氣泡的上浮速度，加快了Mg向鐵液中的溶解速度，提高了Mg的利用率[8，9]。由于鐵水車有兩個(gè)鐵水出口，每臺(tái)鐵水包中流入約有500 kg半鋼，量很少，鎂的沸點(diǎn)很低，在鐵水中形成氣泡，增加了CaO和Mg的流動(dòng)性，提高了脫硫效果。Al2O3有利于加快脫硫反應(yīng)速度，增加脫硫劑的脫硫量和脫硫率，提高石灰的利用率。通過多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在鐵水量比較少的情況下，采用Mg+CaO+Al2O3作為脫硫劑，不采用攪拌和噴吹的方法就可以達(dá)到很好的脫硫效果。

脫硫劑的用量與多種因素有關(guān)，如：鐵水的重量、鐵水含硫量、脫硫后的殘硫指標(biāo)、脫硫劑的類型、脫硫前后鐵水的成分、鐵水的溫度、脫硫劑的損耗、脫硫劑在鐵水中的流動(dòng)性等等。因此很難有精確的數(shù)學(xué)模型，我們是采用冶金機(jī)理來(lái)得出理論數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn)確定脫硫劑的用量。通過多次實(shí)驗(yàn)，每噸半鋼中采用22 kg的Mg，14 kg的CaO，3.5 kg的Al2O3，經(jīng)過混合脫硫劑脫硫后，鐵水中w（S）≤0.040%，符合鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 半鋼增碳原理及工藝

半鋼中碳元素經(jīng)過預(yù)處理造成鐵液中的含碳量有所降低，導(dǎo)致鐵液中的含碳量達(dá)不到煉制預(yù)期的理論值。阜新市半鋼中含碳量為1.86%，低于鑄鐵含碳標(biāo)準(zhǔn)（w（C）≥3.30%），需要添加增碳劑。

增碳劑中的固定碳含量高、灰分低，則增碳效率高；反之增碳效率低[10]。選用石墨化優(yōu)質(zhì)增碳劑，在高溫條件下，碳原子的排列呈石墨的微觀形態(tài)。石墨化可以降低增碳劑中雜質(zhì)的含量，提高增碳劑的碳含量，降低硫含量。在中頻電爐熔煉中使用增碳劑，可按配比或碳當(dāng)量要求隨料加入中頻爐中下部位，回收率可達(dá)95%以上。計(jì)算公式如下：

式中：Ca為每噸半鋼需要的增碳劑數(shù)量，t；Cfe0為原半鋼含C量，%；Cfel為標(biāo)準(zhǔn)鑄鐵所需的含碳量，%；Cab為增碳劑吸收率，%。

經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)半鋼中含碳量達(dá)到3.30%時(shí)，需要加入15.7 kg的石墨增碳劑。

2.4 半鋼增硅原理及工藝

由于半鋼中Si含量低，不滿足鑄鐵要求，需要對(duì)半鋼增硅。采用中頻爐中投入硅鐵的方法增硅。具體投入量通過下面的計(jì)算公式：

式中：AFeSi為每噸半鋼應(yīng)增加的硅鐵含量，t；為要求增硅后半鋼中含硅量，%；為增硅前半鋼中含硅量，%；SiFeSi為硅鐵的含硅量，%；λFeSi為硅鐵的回收率，%。

通過計(jì)算，當(dāng)硅含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）達(dá)到2.4%時(shí)，需要加入含硅75%的硅鐵26 kg。

2.5 半鋼改性處理應(yīng)用

通過在企業(yè)的生產(chǎn)試驗(yàn)，每噸高鈦渣副產(chǎn)品半鋼中加入22 kg的Mg，14 kg的CaO，3.5 kg的Al2O3脫硫，將脫硫后的鐵水置入中頻爐中加入硅鐵26 kg、碳16 kg，進(jìn)行增硅增碳。對(duì)改性處理后的鐵水進(jìn)行成分分析，各元素的成分含量滿足鑄造生鐵成分標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。

表3 半鋼改性處理后成分含量與鑄造生鐵成分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比 %

每噸半鋼經(jīng)過加工達(dá)到鑄鐵材料標(biāo)準(zhǔn)，共需要200元左右，而做成鑄鐵件可以銷售8000元/t。每噸半鋼經(jīng)過加工處理變成鑄鐵鐵水后，可以直接加工成鑄鐵件，為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

1）采用Mg+CaO+Al2O3作為脫硫劑，鎂的沸點(diǎn)很低，在鐵水中形成氣泡，增加了CaO和Mg的流動(dòng)性，提高了脫硫效果。Al2O3有利于加快脫硫反應(yīng)速度，增加脫硫劑的脫硫量和脫硫率，提高石灰的利用率，但Al2O3的用量應(yīng)控制在10%左右。加入石灰粉起到分散劑作用，石灰粉還能成為大量氣泡的形成中心，從而減少M(fèi)g氣泡的直徑，可避免大量Mg瞬間氣化而造成噴濺。在鐵水量比較少的情況下，不采用攪拌和噴吹的方法就可以達(dá)到很好的脫硫效果。

2）本文直接對(duì)渣鐵分離后的液態(tài)鐵水進(jìn)行改性處理，工藝簡(jiǎn)單可行，值得推廣。

3）由于篇幅有限，文章未對(duì)阜新半鋼成分的其他微量元素（Mn、Zn、Ti等）對(duì)鑄件的影響進(jìn)行分析，后續(xù)工作還需要對(duì)這些微量元素加以研究，根據(jù)這些微量元素特點(diǎn)，鑄造適合的鑄件產(chǎn)品。