一种炼铁熔渣直接转化的微晶陶瓷液及生产方法.pdf

本发明提供一种炼铁熔渣直接转化的微晶陶瓷液及生产方法，包含以下重量百分含量的基础组分：SiO2 45～55%、CaO 10～20%、MgO 4～8%、Al2O3 6～15%和Fe2O3 4～20%，同时含有组分F、WC和Cr2O3；本发明通过测定铁矿石和炼铁辅料中各成分的含量，根据微晶陶瓷液中基础组分SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3的含量，计算配料组成，然后投入高炉熔炼得微晶陶瓷液。本发明方法适用于处理各种类型的铁矿石，简化了炼铁工艺，一步完成，在炼铁工艺初期添加晶核剂，直接转化为微晶陶瓷液，无废水排放，减少了环境污染，不用再次加热，节约了能源，降低了生产成本。

权利要求书
1.  一种炼铁熔渣直接转化的微晶陶瓷液，其特征在于：所述的微晶陶瓷液包含以下重量百分含量的基础组分：SiO2 45～55%、CaO 10～20%、MgO 4～8%、Al2O3 6～15%和Fe2O3 4～20%，同时含有：F 0.5～2.0%、WC 0.4～1.0%、Cr2O3 1.0～2.0%；所述的微晶陶瓷液，在晶化温度850～920℃和结晶时间40～60min的工艺条件下，晶化得微晶陶瓷产品。

2.  一种权利要求1所述的微晶陶瓷液的生产方法，其特征在于：测定铁矿石和炼铁辅料中各成分的含量，其中炼铁辅料为白云石、萤石和焦炭，根据微晶陶瓷液中基础组分：SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3的含量，计算配料组成，并确定需添加的晶核剂的各组分含量，使铁矿石、炼铁辅料和晶核剂中的SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3总含量与微晶陶瓷液相符合；然后将铁矿石、炼铁辅料和晶核剂共同投入高炉熔炼，分离出生铁，至Fe2O3残留量占铁渣总重量的20%以内时，高炉排出的炼铁热熔渣，即为本发明微晶陶瓷液。

3.  根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于：所用到的原料重量份组成为：铁矿石100份、白云石5～15份、萤石3～8份、焦炭份30～35和晶核剂6～10份。

4.  根据权利要求2或3所述的生产方法，其特征在于：为便于配料计算，在检测时将各原料中的硅、钙、镁、铝和铁元素均换算成SiO2 、CaO 、MgO 、Al2O3 和Fe2O3的含量来表示。

5.  根据权利要求2或3所述的生产方法，其特征在于：所述的铁矿石包含以下重量百分含量的组分：SiO2 30～40%、CaO 2～10%、MgO 2～10%、Al2O3 4～10%和Fe2O3 ≥30%。

6.  根据权利要求2或3所述的生产方法，其特征在于：炼铁辅料中，所述的白云石包含以下重量百分含量的组分：SiO2 1～4%、CaO 26～30%、MgO 18～22% 和Al2O3 0～3%；所述的萤石包含以下重量百分含量的组分：SiO2 10～30%、CaO 45～65%、Al2O3 2～15%和F 25～35%；所述的焦炭固定碳重量百分含量为80～86%，灰分包含以下重量百分含量的组分：SiO2 40～50%、CaO 0～1%、MgO 3～8%、Al2O3 25～35%和Fe2O3 18～25%。

7.  根据权利要求2或3所述的生产方法，其特征在于：所述的晶核剂由下述重量百分含量的原料制成：WC 5～10%、Cr2O3 15～25%、SiO2 20～30%、CaO 5～10%、MgO 5～10%、Al2O3 10～20%和Fe2O3 15～25%。

8.  根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于：所述的晶核剂制备方法为取粒度在0.074～0.1mm的各原料，混合均匀，添加重量为25～35%的硅酸钠水溶液，搅拌粒化成球，成球粒径为20～50mm。

9.  根据权利要求8所述的生产方法，其特征在于：所述的硅酸钠水溶液即水玻璃，优选模数3.2，波美度40。

10.  根据权利要求2或3所述的生产方法，其特征在于：所述的铁矿石、白云石和萤石粒度为80～120mm，焦炭粒度为70～140 mm。

说明书一种炼铁熔渣直接转化的微晶陶瓷液及生产方法
技术领域
    本发明属于冶金技术生产领域，涉及炼铁工艺和微晶陶瓷液的生产方法，尤其涉及一种炼铁熔渣直接转化的微晶陶瓷液及生产方法。
背景技术
基于中国铁矿资源的现状，采用传统的资源利用模式已经远远不能满足钢铁工业对铁矿原料的需求，目前钢铁工业对现有资源的整体综合利用程度不高，大量炼铁熔渣，以及低贫、弱磁性难选铁矿石（三氧化二铁），由于受传统技术的制约或经济方面的原因，这部分资源长期未能得到有效的利用。因此，立足于从资源开发利用到废物的整体利用，是弥补铁矿资源缺口、进而实现矿山、冶金行业可持续发展和经济、社会协调发展的有效途径。 
传统的低贫难选铁矿石选矿效果差、直接冶炼经济性不好，而利用冶炼炉渣生产水泥、道路砖等产品附加值不高。 现有的炼铁工艺是把开采出来的铁矿石，经过破碎-球磨粉碎-磁选富集-烧结成球-配料之后，才可以进入高炉冶炼，需消耗大量的能量；而且，为了便于磁选富集，通常选用含铁量较高的富铁矿，对于贫铁矿，往往因为加工成本高，而被放弃。现有的炼铁渣处理方法，通常用于制备微晶玻璃，先把高温熔融铁渣用水冷却，粉碎，然后依据测定的铁渣的化学成分，按照微晶玻璃的配方组成添加相应的矿物原料和晶核剂，再高温熔融，制成产品。这种方法的不足之处是，对高温熔融铁渣进行水冷时，不仅排放大量的蒸汽；而且水解的氟、磷、硫以及重金属化合物会随水一起污染环境。更重要的是，铁渣从高温冷却到常温，又从常温加热到高温，需要消耗大量能源。
针对上述问题，如果能够在炼铁时，先加入晶核剂，大比重的铁液在冶炼中分离出可作为炼钢原料的生铁的同时，将剩余的高温热熔渣直接作为微晶陶瓷液加工成可利用的产品，将有望克服传统的单一生产或加工过程所面临的技术或经济难题，从而达到对这些资源进行整体综合利用和实现行业可持续发展的目的。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术存在的上述缺点，通过改进炼铁工艺，提供一种炼铁熔渣直接转化的微晶陶瓷液，本发明微晶陶瓷液，优化了组分配比，且本发明通过晶核剂引入了组分F、WC和Cr2O3 ，降低了对后续加工的工艺要求，其晶化成型温度要求低时间短，各项产品性能均有提高，通过在冶炼熔化前把晶核剂加到炼铁炉中去，炼铁后的热熔渣，直接作为微晶陶瓷液生产出微晶陶瓷的产品，充分利用炼铁中蕴含的高温热量，既可降低40～60%的生产成本，又能减少环境的污染。
本发明还提供了上述微晶陶瓷液的生产方法，本发明方法原料选择范围宽，适用于处理各种类型的铁矿石，且生产成本低，工艺简单，节能环保。
本发明一种炼铁熔渣直接转化的微晶陶瓷液，包含以下重量百分含量的基础组分：SiO2 45～55%、CaO 10～20%、MgO 4～8%、Al2O3 6～15%和Fe2O3 4～20%，同时含有F 0.5～2.0%、WC 0.4～1.0%、Cr2O3 1.0～2.0%；所述的微晶陶瓷液，在晶化温度850～920℃和结晶时间40～60min的工艺条件下，晶化得微晶陶瓷产品。
本发明一种炼铁熔渣直接转化的微晶陶瓷液的生产方法，技术方案为：测定铁矿石和炼铁辅料中各成分的含量，其中炼铁辅料为白云石、萤石和焦炭，根据微晶陶瓷液中基础组分二氧化硅(SiO2)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、三氧化二铝(Al2O3)和三氧化二铁(Fe2O3)的含量，计算配料组成，并确定需添加的晶核剂的各组分含量，使铁矿石、炼铁辅料和晶核剂中的SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3总含量与微晶陶瓷液相符合；然后将铁矿石、炼铁辅料和晶核剂共同投入高炉熔炼，分离出生铁，至Fe2O3残留量占铁渣总重量的20%以内时，高炉排出的炼铁热熔渣，即为本发明微晶陶瓷液。
本发明炼铁熔渣直接转化的微晶陶瓷液的生产方法，所用到的原料重量份组成为：铁矿石100份、白云石5～15份、萤石3～8份、焦炭份30～35和晶核剂6～10份。
本发明中为便于配料计算，在检测时将各原料中的硅、钙、镁、铝和铁元素均换算成SiO2 、CaO 、MgO 、Al2O3 和Fe2O3的含量来表示。
所述的铁矿石包含以下重量百分含量的组分：SiO2 30～40%、CaO 2～10%、MgO 2～10%、Al2O3 4～10%和Fe2O3 ≥30%。
所述的炼铁辅料中，白云石的矿物组成主要是碳酸钙和碳酸镁，另外还含有40%以上的二氧化碳，萤石的矿物组成主要是50～70%的二氟化钙（CaF2），以SiO2 、CaO 、MgO 、Al2O3 和Fe2O3的含量来表示为：
    白云石包含以下重量百分含量的组分：SiO2 1～4%、CaO 26～30%、MgO 18～22% 和Al2O3 0～3%；
萤石包含以下重量百分含量的组分：SiO2 10～30%、CaO 45～65%、Al2O3 2～15%和F 25～35%；
焦炭：固定碳重量百分含量为80～86%，灰分包含以下重量百分含量的组分：SiO2 40～50%、CaO 0～1%、MgO 3～8%、Al2O3 25～35%、和Fe2O3 18～25%。
晶核剂由下述重量百分含量的原料制成：碳化钨(WC) 5～10%、三氧化二铬（Cr2O3） 15～25%、SiO2 20～30%、CaO 5～10%、MgO 5～10%、Al2O3 10～20%和Fe2O3 15～25%。
所述的晶核剂粒径为20～50mm，制备方法为取粒度在0.074～0.1mm的各原料，混合均匀，添加重量为25~35%的硅酸钠水溶液，搅拌粒化成球，成球粒径为20~50mm。
所述的硅酸钠水溶液即水玻璃，优选模数3.2，波美度40；
所述的铁矿石、白云石和萤石粒度为80～120mm，焦炭粒度为70～140 mm。
根据上述方法，根据微晶陶瓷液包含的各成分含量计算得到铁矿石、炼铁辅料和晶核剂的各主要成分用量后，按重量份配比称取各原料，共同投入高炉熔炼，加热到1500℃左右，使原料熔化为化学均匀的玻璃液，在还原性介质焦炭的作用下，玻璃液中的氧化铁被还原成铁水分离出来，并借助重力分离作用沉淀到熔体的底部，从而得到可作为炼钢原料的生铁，当铁渣（从玻璃液中分离出铁水的渣）中残留的Fe2O3，在铁渣总重量的20%以内时，高炉内剩余物料即为微晶陶瓷液，用天然气和电辅助加热到1420～1450℃，微晶陶瓷液在此温度下充分澄清-均化后，进入微晶陶瓷的生产过程，经压延成型、在温度低于920℃和时间低于60min的条件下晶化、退火、切割、检验、包装，得微晶陶瓷产品。本发明方法制得的微晶陶瓷产品，较由现有工艺铁渣制备的微晶玻璃产品具有更好的产品性能。
本发明一种炼铁熔渣直接转化的微晶陶瓷液及生产方法，与现有技术相比，其优点在于：
1）原料选择范围广，适用于处理各种类型的铁矿石，优化了组分配比，通过晶核剂引入了组分F 、WC 和Cr2O3 ，降低了对后续加工的工艺要求，其晶化成型温度要求低时间短，在温度低于950℃和时间低于60min的条件下，即可晶化得微晶陶瓷产品。
   2）简化了炼铁工艺，省略了铁矿石球磨粉碎、磁选富集、烧结成球过程，工艺简单，制得产品性能好。
   3）一步完成，在炼铁工艺初期添加晶核剂，利用铁矿石熔融还原分离出生铁，剩余的炼铁熔渣不需降温，也不需要再添加其他物质，直接转化为微晶陶瓷液，无废水排放，减少了环境污染，不用再次加热，充分利用炼铁熔渣余热，节约了能源，降低了生产成本。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例和对比例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。对本领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下做出的改进，都属于本发明的保护范围。
实施例1
   1）配料计算
     铁矿石，Fe2O3含量36.6%；
     炼铁辅料为：白云石、萤石和焦炭，其中焦炭主要成分组成为84%（重量，下同）的固定碳和15%灰分；
     晶核剂，制备方法为取粒度在0.074～0.1mm的各原料，混合均匀，添加同质量硅酸钠水溶液，搅拌粒化成球，所用硅酸钠水溶液即水玻璃，模数为3.2，波美度为40。
    本实施例所用原料主要成分皆用SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3表示，各原料主要成分含量见表1。
        表1 各原料主要成分含量
                                                
根据所要生产的微晶陶瓷液中SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3的含量，和测定得到的铁矿石和炼铁辅料中各主要成分的含量，即上述表1中数据，计算配料组成，并确定需添加的晶核剂的各组分含量，使铁矿石、炼铁辅料和晶核剂中的的SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3总含量与微晶陶瓷液中的含量相符合。
计算得到的原料重量份组成为：铁矿石100份、白云石10份、萤石5、焦炭35份和晶核剂10份。按此料方配料其组分包含：SiO2 36.4%、CaO 12.2%、MgO 6.6%、Al2O3 7.7%和Fe2O3 31.1%，同时含有F 1.8%、Cr2O3 2.1%、WC 0.6%等。
   2）制微晶陶瓷液
按上述重量份配比称取铁矿石、炼铁辅料和晶核剂后，将各原料共同投入高炉熔炼，在焦炭的作用下，氧化铁还原成铁液分离后，高炉排出的炼铁热熔渣，即本实施例微晶陶瓷液。
本实施例制得的微晶陶瓷液的包含以下组分：SiO2 46.6%、CaO 15.6%、MgO 8.6%、Al2O3 9.6%和Fe2O3 8.1%，同时含有F 1.0%、WC 0.6%、Cr2O3 1.5%等，R2O小于2%；置换出铁液17.9%，符合生产要求。
实施例2
  1）配料计算
     铁矿石，Fe2O3含量39.2%；
     炼铁辅料为：白云石、萤石和焦炭，其中焦炭主要成分组成为84%的固定碳和15%灰分；
     晶核剂，制备方法为取粒度在0.074～0.1mm的各原料，混合均匀，添加同质量硅酸钠水溶液，搅拌粒化成球，所用硅酸钠水溶液即水玻璃，模数为3.2，波美度为40。
    本实施例所用原料主要成分皆用SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3表示，各原料主要成分含量见表2。
表2 各原料主要成分含量

根据所要生产的微晶陶瓷液中SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3的含量，和测定得到的铁矿石和炼铁辅料中各主要成分的含量，即上述表2中数据，计算配料组成，并确定需添加的晶核剂的各组分含量，使铁矿石、炼铁辅料和晶核剂中的的SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3总含量与微晶陶瓷液中的含量相符合。
 计算得到的原料重量份组成为：铁矿石100份、白云石5份、萤石4、焦炭35份和晶核剂8份。按此料方配料组分包括：SiO2 33.8%、CaO 10.5%、MgO 5.6%、Al2o3 10.2%和Fe2O3 34.2%，同时含有F 0.8%、、WC 0.3%、Cr2O3 1.4%等。
2）制微晶陶瓷液
制备方法同实施例1，本实施例制得的微晶陶瓷液包含以下组分：SiO2 48.3%、CaO 15.0%、MgO 8.0%、Al2O3 14.6%和Fe2O3 4.2%，同时含有F 0.8%、WC 0.4%、Cr2O3 1.2%等，R2O小于2%；置换出铁液21.0%，符合生产要求。
实施例3
  1）配料计算
     铁矿石，Fe2O3含量32.7%；
     炼铁辅料为：白云石、萤石和焦炭，其中焦炭主要成分组成为84%的固定碳和15%灰分；
     晶核剂，制备方法为取粒度在0.074～0.1mm的各原料，混合均匀，添加同质量硅酸钠水溶液，搅拌粒化成球，所用硅酸钠水溶液即水玻璃，模数为3.2，波美度为40。
    本实施例所用原料主要成分皆用SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3表示，各原料主要成分含量见表3。
        表3 各原料主要成分含量

根据所要生产的微晶陶瓷液中SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3的含量，和测定得到的铁矿石和炼铁辅料中各主要成分的含量，即上述表3中数据，计算配料组成，并确定需添加的晶核剂的各组分含量，使铁矿石、炼铁辅料和晶核剂中的的SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3总含量与微晶陶瓷液中的含量相符合。
计算得到的原料重量份组成为：铁矿石100份、白云石8份、萤石6、焦炭35份和晶核剂10份。按此料方配料组分包括：SiO2 42.8%、CaO 13.5%、MgO 5.3%、Al2O3 6.1%和Fe2O3 27.9%，同时含有F 1.6%、WC 0.5%、Cr2O3 1.7%等。
2）制微晶陶瓷液
制备方法同实施例1，本实施例制得的微晶陶瓷液包含以下组分：SiO2 54.9%、CaO 17.3%、MgO 6.8%、Al2O3 7.8%和Fe2O3 5.9%，同时含有F 0.9%、WC 0.6%、Cr2O3 1.6%等，R2O小于2%；置换出铁液16.0%，符合生产要求。
实施例4
  1）配料计算
     铁矿石，Fe2O3含量42.5%；
     炼铁辅料为：白云石、萤石和焦炭，其中焦炭主要成分组成为84%的固定碳和15%灰分；
     晶核剂，制备方法为取粒度在0.074～0.1mm的各原料，混合均匀，添加同质量硅酸钠水溶液，搅拌粒化成球，所用硅酸钠水溶液即水玻璃，模数为3.2，波美度为40。
    本实施例所用原料主要成分皆用SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3表示，各原料主要成分含量见表4。
        表4 各原料主要成分含量

根据所要生产的微晶陶瓷液中SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3的含量，和测定得到的铁矿石和炼铁辅料中各主要成分的含量，即上述表3中数据，计算配料组成，并确定需添加的晶核剂的各组分含量，使铁矿石、炼铁辅料和晶核剂中的的SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3总含量与微晶陶瓷液中的含量相符合。
 计算得到的原料重量份组成为：铁矿石100份、白云石15份、萤石6、焦炭35份和晶核剂10份。按此料方配料组分包括：SiO2 33.1%、CaO 13.8%、MgO 5.3%、Al2O3 6.9%和Fe2O3 36.8%，同时含有F 1.5%、WC 0.5%、Cr2O3 1.6%等。
2）制微晶陶瓷液
制备方法同实施例1，本实施例制得的微晶陶瓷液包含以下组分：SiO2 47.9%、CaO 20.0%、MgO 7.3%、Al2O3 10.0%和Fe2O3 5.8%，同时含有F 0.9%、WC 0.6%、Cr2O3 1.5%等，R2O小于2%；置换出铁液21.7%，符合生产要求。
将实施例1～4制得的微晶陶瓷液分别趁热快速转入玻璃池窑，转入时用天然气和电辅助加热保温在1420～1450℃，微晶陶瓷液在此温度下充分澄清-均化后，进入微晶陶瓷的生产过程：压延成型、在不大于920℃、60min条件下晶化、退火、切割、检验、包装等，得由实施例1～４微晶陶瓷液制得的微晶陶瓷产品。本发明实施例1～4微晶陶瓷液制得的微晶陶瓷产品（实验组1～4）与普通微晶陶瓷产品成本（对照组）比较见表5。
表5 成本比较

对比例1
   参照实施例1，不同之处在于，本对比例的晶核剂改用：Cr2O3 30.5%、SiO2 22.6%、CaO 11.9%、MgO 9.0%和Al2O3 26.0%。
对比例1制得的炼铁熔渣物料中包含以下组分：SiO2 35.0%、CaO 35.6 %、MgO 8.2 %、Al2O3 15.8%和Fe2O3 2.3 %，同时含有F、S、P2O5和R2O等；其各组分含量不符合微晶陶瓷的生产要求。
将本对比例得到的炼铁熔渣物料趁热快速转入玻璃池窑，用天然气和电辅助加热保温在1420～1450℃，进入微晶陶瓷的生产过程：压延成型、在1000～1200℃、５～20h条件下晶化、退火、切割、检验、包装等，得由对比例炼铁熔渣制得的微晶陶瓷产品。可见采用对比例1的晶核剂制得的炼铁熔渣物料，晶化条件及时间要求明显高于实施例，生产成本高、周期长，不适合工业化生产。
    本发明实施例1-4利用炼铁热熔渣直接生产的微晶陶瓷液制得的微晶陶瓷产品（对应实验组1-4），与市场购买的微晶陶瓷产品（对照组2）相比，其性能指标检测数据见表6：
表6 实验组和对照组产品的理化指标检测数据