冶炼棕刚玉用高硅、钙铝矾土原料的工艺设计与控制
来源:    发布时间: 2017-10-31 16:11   1115 次浏览   大小:  16px  14px  12px
棕刚玉冶炼生产过程中,原料来源的选择和原料的质量控制是至关重要的也是必须严加控制

棕刚玉冶炼生产过程中,原料来源的选择和原料的质量控制是至关重要的也是必须严加控制的一个工艺过程;原料的选择在一定的程度上决定了其产品的应用范围;原料的质量能否得到有效的控制,不仅严重的影响产品质量和使用性能,同时也直接影响棕刚玉生产的制造成本;所以,在棕刚玉生产过程中必须对主原料铝矾土、铁屑、无烟煤进行严格的控制,尤其是对SiO2、CaO更应该严格的控制其原料的涉入量。SiO2、CaO的带入,不仅给生产带来了困难、影响了制造成本、降低了AL2O3、 TiO2有价组元的含量,还因为产品质量的欠缺影响了产品的商品价格和产品的应用范围。


  SiO2做为玻璃质基体材料,过多的进入刚玉基体中会使刚玉的韧性和显微硬度指标大幅度下降,严重影响刚玉磨料的使用性能;但少量的SiO2与AL2O3生成互溶相,以莫来石(3 AL2O3.2 SiO2)状态均匀分散在α-AL2O3晶界处,对磨料的自锐性也是有益的,所以,要求棕刚玉中SiO2的含量要小于1%.CaO对刚玉结晶的限制作用不大,只要CaO含量不超过8%,在棕刚玉冶炼过程中第一结晶相都为刚玉,实验证明,CaO含量达到3%时,刚玉中会生成的CA6(六铝酸钙),它的过量存在,不仅会使刚玉显微硬度下降,所产生的铝酸钙低熔物(C3A、CA、熔点1360℃左右)会严重地影响刚玉材料的热学性能,这对做为耐火材料使用的棕刚玉而言是非常有害的,所以,做为耐火材料用棕刚玉CaO含量一般要求小于0.5%,而做为优质耐火材料则要求CaO含量小0.3%.【原料中的Fe2O3在冶炼棕刚玉中做为有价元素计入;TiO2是棕刚玉着色的主要成分,同时还能促进刚玉的微晶化和增加刚玉的韧性;MgO是微晶刚玉的微晶促进剂,适量MgO(熔点2800℃)的进入,可提高刚玉的韧性,对棕刚玉的综合性能会有一定的改善】。


  利用上述原理,我们就可以很好的分别设计和生产不同用途的棕刚玉了。


  一、冶炼棕刚玉用主原料技术条件


  对生产普通的(用于磨料或高温耐材)棕刚玉,其主原料的质量指标要求如下:


                              表1熟矾土化学成分应符合下表规定:

                            


  注:(1)SiO2的含量小于3%时,Fe2O3和TiO2的含量可控制在小于6%.


  (2)在一批熟矾土中,任取一块,其铝硅比不得小于10.


  (3)熟矾土中不得含有生矾土、夹生矾土、石块、泥土等杂质。


  (4)CaO含量每个矿点每月检验一次。


  (5)尺寸范围 30-300mm,30mm以下不得超过15%,5 mm以下不得超过5%.


  刚玉冶炼对铁屑和无烟煤(焦碳)也有一定的技术要求,否则,同样会严重地影响棕刚玉的技术经济指标。冶炼棕刚玉用无烟煤(焦碳)及铁屑技术质量指标分别如下表


                       表2无烟煤(焦碳)化学成分应符合下表规定:

                             


  注:无烟煤(焦碳)里不得混有明显的煤矸石、木头、泥土、石块等杂质。


                  表3、铁屑化学成分及质量应符合下表规定:

                             


  注:铁屑内不得混入棉纱、木块、泥土、沙石等杂质。


  二、高硅、钙铝矾土原料的成因分析


  冶炼棕刚玉用铝矾土熟料与生产金属铝和耐火原料用的铝矾土是不同的,冶炼棕刚玉用的铝矾土熟料是选用优质的高AL2O3、 TiO2低SiO2、CaO的铝矾土,而生产金属铝和耐火原料用的铝矾土对上述指标要求则相对要低一些,就可满足生产需要。

 

  目前,我国刚玉材料的生产制造企业约有170家左右,其生产能力约在200万吨左右,按生产能力计算,仅刚玉生产用高铝优质熟矾土约在240万吨左右。由于诸多基础工业及刚玉制造业的快速发展,铝矾土需求量迅猛增长,也由于铝矾土资源的匮乏,再加上有的矾土供应商和中间环节的不规范行为,致使棕刚玉冶炼所用的熟铝矾土数量保证困难,而且质量严重下滑;A/S由八十年代的25-30:1,下降到九十年代的15-20:1,而今有的企业则经常使用A/S10-12:1的铝矾土,甚至有的企业所用的铝矾土中有时SiO2的含量竟然超过10%都没有引起企业决策者的重视,如何从技术和经济双重困境中解脱出来,就更显无力了。目前,国内生产普通的(用于磨料或高温耐材)棕刚玉所用的铝矾土原料南、北方的AL2O3、SiO2、Fe2O3含量都差不多,其主原料的质量指标状况数理分析如下

    

  

    

   

 

  

 

  

 

   



  结论:通过上述数理统计分析,就其生产棕刚玉用铝矾土中有害杂质SiO2、CaO一是来源铝矾土中固结材料本身;二是随着铝矾土熟料混入的细土面而带入。前者是原料本身所含有的,可以在选择原料来源时酌情控制,或进行选配矿处理予以保障原料质量,而后者则是更重要的涉入来源,这就需要棕刚玉制造企业自己来严格控制了。由于铝矾土资源的日趋紧张,细土面混入铝矾土熟料中可能将会愈加严重,这就使生产企业处于"弃而不舍,用而无法"的两难境地,同时也给棕刚玉制造企业带来了严重的困难和挑战。另外,从上面原料数理分析可知,无烟煤、铁屑中带入的有害杂质SiO2、CaO也应该引起足够重视和严格的控制。由于SiO2、CaO过量混入,就导致棕刚玉生产企业耗电、耗原料使之制造成本升高,更重要的是导致产品质量严重失控而使用性能受限,寻找既经济又合理的解决方法势在必行。


  三、工艺设计与控制


  SiO2、CaO对其棕刚玉的产品质量和应用范围是十分有害的,必须在生产及工艺技术方面加以严格控制。在棕刚玉冶炼过程中,SiO2可以通过气化升华或还原生成低硅铁除去,而CaO在棕刚玉冶炼过程中是十分难以祛除的,所以必需严格控制原料(铝矾土、无烟煤、铁屑)中CaO的进入量,并设计出合理的、与之相适应的工艺技术方案,有目标地对其进行分流与控制。


  一)高SiO2、CaO粉料的回收与利用


  1、物料回收:通过数理分析,过多的矾土劣质混合粉进入入炉料是造成原料中SiO2、CaO严重超标的主要原因之一,所以,将其这部分劣质混合粉祛除或有效地控制加入量是非常必要的。通过收尘或筛分处理可以达到劣质粉体和矾土分离的目的。将分离出来的高SiO2、CaO单独存放,另作它用。


  2、粉体料的球团化处理


  为使冶炼过程得以顺利的进行,必须保证炉料有一定的粒度,以实现炉料在冶炼过程中有较理想的逸气效果。将回收粉料进行球团化处理,可达到冶炼用料的目的,同时在球团化处理过程中配以适量的复合添加剂以保证冶炼过程的顺利进行,使之刚玉质量做到有目标的合理控制。


  1)原料制备工装简单易保养,选用圆桶式混料机和球团成型机;


  2)烘干热能选用刚玉接包热能综合利用;


  3)球团输送选用立体爬车完成。


  3、复合添加剂的选择原理


  1)技术可行,无坏作用,不影响棕刚玉的产品质量;


  2)简单易得,资源丰富有保障;


  3)经济合理,有利于目标成本控制;


  4)固结强度高,对环境无影响;


  5)有利于提高冶炼效率,操作简单易行。


  二)工序控制


  1、对准备购进原料来源进行分类控制,做到源头受控。冶炼棕刚玉的主原料中 SiO2、正常情况下一般控制在小于6%的范围内,而CaO则应控制在小于0.5%的范围内。


  2、将已经购进铝矾土中夹带的细土面子进行筛分(或进行粉尘回收)预处理,以保证冶炼原料的净化和稳定。


  3、严格控制无烟煤(焦碳)和铁屑中杂质含量,从源头上控制煤矸石、铸造型砂等杂质的涉入量,保证生产原料处于受控状态。


  4、不仅铝矾土、无烟煤、铁屑在配料前要进行严格挑拣,还要对入炉主原料铝矾土的化学成分和粒度大小进行合理设计并加以严格控制,分别设计出冶炼前期、中期、后期用料的合理配比,同时严格控制入炉料的粒度范围,以确保冶炼过程的顺利进行。


  5、对回收的细粉料进行合理设计与利用,在冶炼过程中,据其冶炼原理,调整刚玉熔融液的PH值,按比例配入还原剂、澄清剂、助熔剂、促进剂等原料,通过加工成球状或有一定块度的复合料,再行冶炼,综合效益更好,这样不仅经济合理、降低了冶炼难度,更重要的是实现了在冶炼过程中棕刚玉质量得到有效控制。


  三)工艺技术方案设计


  1、工艺流程:


  铝矾土(无烟煤、铁屑)原料入仓检控→备料(分级控制→球团制备→烘干处理)→配料→冶炼→倾倒→冷却→碎选→计量与入库


  2、冶炼工艺的设计


  冶炼是棕刚玉生产的重要工序,通过冶炼,控制适当的冶炼气氛,使矾土与还原剂(无烟煤或焦粒)、澄清剂(铁屑)在高温状态下进行氧化还原反应,除去杂质,并形成α-Al2O3,从而获得符合质量要求的刚玉块。


  1)将炉料进行目标化设计,以求入炉物料的合理可控制;通过合理调配炉内熔融体的PH值,达到优化入炉料设计,从而得到良好的冶炼指标。


  2)炉内主要化学反应:


  按照炉料成分的热力学分析,其冶炼炉内主要化学反应如下:

        


  经过对除尘粉体成分分析,其中SiO2在40%左右,Al2O3在40%左右,K2O在10%左右,余下的是Fe2O3和碳粉等。


  在冶炼过程中约有50%TiO2被还原,以单质Ti进入低Fe-Si合金中,余下的TiO2以有价成分进入刚玉块中,而矾土杂质中有价MgO和杂质CaO基本保留其固有含量进入刚玉块中 .


  3)炉料配比计算:

        


  式中: SiO2%、Fe2O3%、TiO2%分别表示原料中SiO2、Fe2O3、TiO2的百分含量,C%为无烟煤中固定碳的百分含量,Fe%为铁屑中的铁含量, K是铁硅比,(K取值5.5)


  4)冶炼周期设计


  根据冶炼设备容量状况,设计好炉料分批配制制度,冶炼炉料分前、中、后期分别配入是解决炉料差的合理的优化工艺设计,对其技术、经济效果非常有益。


  ①冶炼前期:以提高和确保炉温不散失为目标,以混合料为主,加入量为入炉料总量的60-70%为好。


  ②冶炼中期:为确保整个冶炼过程的顺利进行,冶炼中期必须保证炉内逸气效果良好,这是冶炼全过程最重要的环节,只有保证炉料有良好的透气效果,炉内过量的SiO2、SiO废气才能逸出炉外,才能得到满意的质量和良好的技术经济指标,冶炼中后期才能得到良好的控制;加入量为入炉料总量的30-20%为好。


  ③冶炼后期:此阶段以调整炉内质量和提高产量为目标,物料有效的设计尤为重要。由于炉料进入精炼期,控制炉温、缩短冶炼时间就显得至关重要了,这个期间是技术经济全过程的关键所在,炉料加入量为入炉料总量的5-10%为好。


  3、冶炼过程控制


  1)炉前调整:在生产过程中,可根据用户质量指标要求,适当控制冶炼还原程度,来实现质量的有效控制,但是,由于进厂矾土矿的批量和数量及取样方法和冶炼操作方法等因素的影响,在实际生产过程中,有时需要通过沾棍来进行炉前判断调整(待工艺配比和工序操作熟悉后,可取消炉前调整过程)。


  2)炉内还原控制:由于铝矾土中Al2O3含量下降和SiO2含量的增高,在冶炼过程中就必须增加C的涉入量,这就使其炉内还原气氛集聚加强,产生大量的高温气体,从而加大了冶炼操作和炉况控制难度;在加大C和Fe用量的情况下,可以有效地把SiO2祛除,但是,由于过还原使得矿物中的TiO2等有价成分也被过还原,以金属Ti的形式进入低硅铁中,使之棕刚玉的质量和性能下降,应用领域受限,所以,适当的敞弧排气,让SiO2、SiO废气有效的逸出是必要的。


  3)冶炼参数控制:为使之得到良好技术和经济指标,冶炼过程要随着物料的变化程度进行必要的工艺技术调整,根据熔池情况,合理调整冶炼过程的电流、电压档位,是必要的控制方法和手段。


  4、冶炼工艺控制与操作技能


  冶炼是刚玉生产主要工序,通过冶炼,使矾土与还原剂、澄清剂在高温下进行氧化还原反应,除去杂质,并形成α-Al2O3,从而获得符合质量要求的刚玉块。对于高SiO2、CaO含量的矾土而言,从理论与实践方面分析,无论是固定炉或倾倒炉其冶炼工艺不同与传统的棕刚玉冶炼工艺。


  1)起弧:起弧采用技术可行、经济合理的碳素起弧块,不加或尽可能的少加铁屑,这样既安全又经济,起弧成本可节约50%左右;


  2)分期配料:冶炼前期(第一批)投料在正常配料的基础上相对地少加铁屑,在中、后期再逐次配入所需的铁屑量,这样可获得更佳的技术经济效果;


  3)炉料控制:冶炼前期采用粗细料结合的入炉料制度,焖炉冶炼,使之减少炉内温度损失;中期采用透气性好的块粒料,使期SiO、SiO2蒸汽能够顺利的从炉内逸出,从而保证炉况的稳定、节约铁屑用量、提高冶炼速率;中期敞弧放气后,后期加料要考虑适当的采用细一些的炉料,以保证炉料的快速熔化,减少热损失,提高冶炼速率;精炼期采用优质矾土粉料或棕微粉,进行软盖保温工艺,以确保质量、提高炉产量;


  4)冶炼参数安排:在炉内熔池合理的情况下,从安全生产和提高单炉产量的角度考虑,冶炼前期(相对的)易采用高电压低电流(固定炉更为合理),这样有益于扩大炉内熔池面积,使之既安全又可提高产量,冶炼效果也会更好;冶炼中期应根据炉况适当调整功率(电流、电压),以确保炉料逸气、冶炼顺畅;冶炼后期要有效的加大功率输送,到精炼期尤为重要,同时配以优质粉料,冶炼经济指标会更佳。
                                                                                      

 


 5)敞弧逸气:对于高SiO2低Al2O3矾土冶炼而言,适当增加还原剂的配入量和敞弧逸气的次数与时间,更有益于炉内SiO、SiO2蒸汽的顺利逸出,这样,既可祛除有害的杂质又可以节约铁屑的配入量,对产品质量也有好处。


  四、高硅、钙炉料的冶炼过程设计:


  冶炼方案一:非分别式冶炼。工艺技术方案(略)


  冶炼方案二:分别式单一棕刚玉冶炼。工艺技术方案(略)


  冶炼方案三:据物料化学组元确定,进行其它刚玉或特殊产品生产(SiO21.2-1.5;CaO1%左右),工艺技术方案需另行设计。


  五、经济效益与生产组织可行性分析


  任何一个企业的工业性生产或任何一项工艺技术方案,都必须是技术可行、经济合理、生产过程简洁方便,否则就不是最佳的生产或技术方案。


  在棕刚玉生产过程中,一般冶炼工艺要求是:前期为保温期;中期为质量控制期;后期(要在尽量缩短冶炼时间的同时)为质量、产量双保期;以此来实现最佳的技术经济效果。通过对入炉料的预处理与工艺技术方案新的设计,预计可实现下述几方面的技术经济效果:


  1、有利于冶炼工艺操作的顺利进行,减少炉内剧烈反应,提高生产效率,预计同等的冶炼作业期产能可提高5-10%左右。


  2、减少或消灭炉内因为反应而停电时间,可减轻冶炼工劳动强度,降低单耗,缩短冶炼时间。


  3、可有效的提高或实现强化冶炼作业、强化冶炼速率,提高产能,提高企业的综合效益,降低成本;


  4、可提高产品质量,实现质量的有效控制,为提高企业品牌效益打好基础,有利于创造市场、赢得市场、提高市场占有率,最终实现企业良好的社会及经济效益。


  5、冶炼部分直接减少除尘损失铝矾土约在2%左右,备配料系统可减少铝矾土损失3%左右,如果将其这部分矾土粉尘回收利用,就按5%计算,以年产一万吨刚玉为例,所需要约1.2万吨铝矾土计,年可以节约铝矾土600吨,按900元/吨计,年创效益在54万元。如果以企业生产十年计算,这将是一个受益不小的数字。


  6、净化劳动生产环境,提高员工健康水平。