还原生产建筑钢材用钒钛镍铬合金试验研究

2020-04-01 10:18:17 作者:huangj 来源: 浏览次数:0 网友评论 0

利用海砂矿与红土镍矿直接还原生产高强度耐腐蚀建筑钢材用钒钛镍铬合金试验研究
 周和敏1,徐洪军1,张俊1,沈朋飞1,蔡恒忠2,李存旺2,曾智中2,

傅余东3,聂志斌3,郝飞翔3,刘富贵3

1.钢铁研究总院先进流程与材料国家重点试验室

2.广西盛隆冶金有限公司

3.阳春新钢铁有限责任公司

1 概述

我国建筑行业高层、大跨度的方向发展对热轧带肋钢筋的质量要求也越来越高。热轧带肋钢筋是混凝土结构的骨架材料,在结构中承载着各种应力,有时还在一定的腐蚀环境下使用,因此不仅要求钢筋具有较高的强度和工艺性能,而且在一定的使用场合下还要求具有较高的功能性,如抗震性能、耐蚀性能等。鉴于生产高强度耐腐蚀建筑钢材的技术要求,在炼钢工序需要加入钒铁或钒氮合金、镍铁、铬铁。仅以年产600万吨建材的广西盛隆冶金有限公司为例,如果年生产高强度耐腐蚀建筑钢材(其中高强钢筋占比50%,耐腐蚀钢筋占比20%)300万吨,平均含钒0.05%、含镍0.40%、含铬0.35%计算,考虑收得率的影响,需要折合金属钒资源1579吨、金属镍资源5053吨、金属铬资源6462吨,总价值约10.29亿元。我国年生产钢筋2亿吨,按国家要求高强钢筋比例由目前40%左右逐步达到65%,耐腐蚀钢筋比例达到15%,仅金属钒资源需要6.842万吨,镍铬资源30余万吨,总价值达300多亿元。

世界钒钛铁海砂矿床分布广泛,储量丰富。钛铁矿中的钒、钛、铁、铬、钴、镍、铂族和钪等多种组分,具有重要的综合利用价值。尤其是东南亚国家,如印度尼西亚、菲律宾等国,滨海钒钛磁铁矿砂储量大,达数千亿吨。另外澳大利亚、新西兰、巴布亚新几内亚、南美厄瓜多尔、智利、美国、南非等国,滨海钒钛磁铁矿砂的储量也相当丰富。滨海钒钛磁铁矿砂,主要矿物有磁铁矿、氧化钛、钛铁矿、氧化钒、石英、氧化钙、氧化镁、氧化铝、氧化锰和钠的化合物,其中全铁含量50~60%,含氧化钛10~20%,含氧化钒0.4~1.0%,低钙镁和低硫低磷。矿砂中的主要金属钒钛对我国都属于重要的战略资源,主要用于钢铁、有色及化工的原材料生产。钒90%用于钢铁生产,可以提高钢材的强度、硬度和耐磨性,是发展新型微合金化钢材必不可少的元素之一。

红土镍矿(也称红土矿)是提取镍金属或生产镍铁合金的重要原料,但由于红土矿形成的机理及条件所致,红土矿中有很大一部分镍含量低(小于0.6%,此类矿铁含量约50%、同时伴生1.5%-5%左右的铬),如用于提取镍金属或生产镍铁,生产成本极高,很不经济;而作为普通铁矿,其品位低、同时伴生的镍、铬元素的特征又使其只能以低廉的价格作为配矿少量添加。因此,此类矿一般都作为弃矿。世界上大部分红土矿提取镍金属的矿区都堆存了大量此类弃矿,也由许多品位与此相近的红土矿也因其利用价值太低而无法开采利用。

针对我国钒氮合金和镍铬资源短缺且十分昂贵,需要大量进口的现状,本文提出利用东南亚廉价且十分丰富的海砂矿中的钒、钛资源和红土镍矿中的镍、铬资源,生产含镍铬钒钛生铁或合金,用于生产高强度耐腐蚀建筑钢材,可以大幅度降低生产成本,市场前景十分广阔。拟解决的关键技术如下:

(1)海砂矿和红土镍矿复合矿粉的冷固结含碳球团制备技术,矿粉的合理配料参数和球团的压制工艺;

(2)海砂矿和红土镍矿复合矿不同配料、不同温度和时间下的预还原工艺和金属化球团的性能控制(主要包括金属化率、球团强度);

(3)海砂矿和红土镍矿复合配料熔分冶炼工艺,冶炼后含钒钛镍铬合金的成分,以及V、Ti、Ni、Cr元素收得率控制;

(4)海砂矿和红土镍矿得到含钒钛镍铬合金转炉冶炼技术,包括转炉吹氧高拉碳、加入含钒钛镍铬合金的钢水温度控制和V、Ti、Ni、Cr元素收得率控制,以及连铸工艺技术,吹炼炉渣的综合利用技术;

(5)海砂矿和红土镍矿复合矿低成本生产高性能建筑用钢的成分设计、轧钢工艺和控轧控冷技术。

2 试验方案

2.1 试验原料

本试验使用的原料主要包括:印尼海砂钒钛精矿粉、印尼红土镍矿、还原用煤、消石灰,粘结剂采用水玻璃,其成分见表1~表5。

2.2 试验设备

试验选用洛阳神佳窑业有限公司的1600℃高温井式炉,如图1所示。

 

 

图1 高温井式炉示意图

       技术参数见表6所示。

 


2.3试验方法

本研究采用单因素试验的均分法来研究原料配比、碱度、还原制度对海砂矿、红土镍矿以及其混合矿的还原熔分效果的影响。试验中采用四元碱度(CaO+MgO)/( SiO2+Al2O3)进行计算。

海砂钒钛矿与红土镍矿冷压球团还原和熔分工艺制度参见表7所示,表中Di-1,2,3为还原,Di-4为一次性还原熔分。还原与熔分见图2所示。

 

图2 还原与熔分

3 试验结果及分析

3.1海砂钒钛矿与红土镍矿配矿试验

根据海砂钒钛矿与红土镍矿不同比例、不同碱度进行配矿,研究最终钒钛镍铬合金的成分范围,配矿试验见表8所示。实验序号D1~D4主要是加入钠盐对降低熔分渣熔点,进而提高渣铁分离效果。

 

海砂钒钛矿与红土镍矿直接还原和熔分过程中,氧化物的还原以及熔分液相的产生量,配矿的化学成分、物相组成以及还原矿的微观结构在很大程度上取决于还原过程的配碳量。还原、熔分过程中的配碳量是影响海砂钒钛矿与红土镍矿还原和熔分过程渗碳,影响合金收得率的主要因素之一;再者,配碳量的大小对成本有很大影响。因此,足够的配碳量显得尤为必要。

此外,碱度也是还原特别是熔分过程重要的影响因素之一。混合料碱度影响混合料化学成分,进而影响熔分过程中渣系的熔点,影响液相铁的聚合,因此碱度是熔分过程物理冶金性能的主要影响因素。

3.2海砂钒钛矿与红土镍矿压球冷球强度试验

……
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