一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法

1.本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法。


背景技术：

2.我国是一个“富煤、少油、缺气”的国家，在已探明的能源储量中，煤炭、石油和天然气分别为94％，4％和2％。基于中国的国情和资源状况，发展煤化工是我国的必然选择。中国煤化工经过几十年的发展，在化学工业中已经占有很重要的位置。20世纪90年代，煤化工的产量占化学工业(不包括石油和石化)大约50％，合成氨、甲醇两大基础化工产品主要以煤为原料。近年来，由于国际油价节节攀升，煤化工越来越显出优势。
3.煤化工是指以煤为原料，经化学加工使煤转化为气体、液体和固体燃料以及化学品的行业。根据生产工艺与产品的不同，主要分为煤焦化、煤气化和煤液化三条产品链。煤气化在煤化工中占有特别重要的地位，煤气化主要用于生产城市煤气、各种工业用燃料气和合成气。但煤化工蓬勃发展的同时，也产生了大宗固废：煤气化渣。
4.煤气化渣包括粗渣和细渣，粗渣为浆化煤炭颗粒在气化炉高温高压条件下经熔融、激冷、凝结等流程，并由气化炉底部排渣锁斗排出的含水渣，残碳量随煤种、气化炉种类、气化炉操作条件波动较大，一般在10％～30％，粒径集中分布在16目至4目之间，产生量约占气化渣排量的80％。细渣为通过气化炉顶部由粗煤气气流携出并经初步洗涤净化、沉淀得到的含水渣，残碳量较高，一般可达30％以上，粒径均小于16目，其中约三分之一小于200目，产生量约占气化渣排量的20％。煤气化渣无论是粗渣还是细渣均含有丰富的二氧化硅、氧化铝、氧化铁，三者含量之和最高可达70％以上，满足astm的f类粉煤灰标准，具有一定的火山灰活性。此外煤气化渣还含有氧化钙、氧化镁、二氧化钛等无机物。
5.2020年，中国煤制气产量47亿立方米，煤化工液体、烯烃和乙二醇产量约3085万吨。煤化工行业煤炭消费量从2016年的1.174亿吨增加到2020年的3亿吨，中国cgs年产量也飙升至6000万吨。然而，目前煤气化渣的处理方法是填埋，这不仅造成了碳资源的巨大浪费，而且还造成了土地占用和环境污染。由于目前煤气化渣排放量大，处理方法不合理，迫切需要寻找一种新的煤气化渣回收方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，将煤气化粗渣、煤气化细渣与添加剂均匀混合并制成粉末，然后将混合料压制成球团并进行高温冶炼，制备可作为炼钢用脱氧剂和合金添加剂、作为铸铁生产中的孕育剂和球化剂的硅铁铝钙合金。
7.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，按以下步骤进行：
9.步骤1：将煤气化粗渣、煤气化中渣和细渣破碎为一定粒度的粉体；
10.步骤2：将破碎后的粉体与添加剂按比例混合；
11.步骤3：将混合后的粉体压制成为球团；
12.步骤4：将压制后的球团在50℃～200℃下烘干12h～48h；
13.步骤5：将干燥后的球团在1200℃～2200℃下进行高温熔炼，制得拥有一定成分的合金；
14.步骤6：将合金与熔渣分离后进行浇铸，从而制得硅铁铝钙合金。
15.上述一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，其中
16.所述步骤1中，所述的煤气化粗渣、中渣和细渣为煤化工产业中的煤气化工艺产生的固体废物；其中煤气化粗渣为煤气化过程中气化炉底部排出的大颗粒废渣，煤气化中渣和细渣为煤气化过程中随煤气流夹带出气化炉的小颗粒废渣，并在沉降收集过程中，将其分为在沉降槽中优先沉降的，粒度较大，碳含量较低的中渣和在沉降槽中较慢沉降的，粒度较小，碳含量较高的细渣。
17.所述步骤1中，所述的煤气化粗渣、中渣和细渣的成分，按质量百分比为：c 5～60％、sio
2 30～70％、al2o3≤30％、fe2o3≤30％、cao≤30％、mgo≤10％、na2o≤5％、k2o≤5％、tio2≤5％，其它单个金属氧化物含量≤1％。
18.所述步骤1-2中，所述的破碎后的粉体粒度小于10目。
19.所述步骤2中，所述的添加剂为sio2、al2o3、cao、fe2o3、na2co3、nacl、k2co3和naf中的一种或多种，能够调整原料氧化物比例和/或改善炉料流动性。
20.所述步骤2-3中，所述的混合后的粉体中，碳的质量占混合粉体总质量的10～40％，添加剂的质量占混合粉体总质量的0.5～10％。
21.所述步骤3中，压制球团的直径为5mm～100mm，压制球团时的压力为10mpa～40mpa。
22.所述步骤5中，所述高温熔炼过程使用的设备为电阻炉、感应炉和电弧炉中的一种。
23.所述步骤5中，所述合金的成分中，硅、铝、钙的质量和不低于合金总质量的60％。
24.与现有技术相比，本发明的优点是：
25.(1)为解决煤气化渣大量排放带来的资源浪费、土地占用、环境污染等问题提供一条新的途径；
26.(2)提高煤气化渣的回收率和经济附加值，充分利用煤气化渣中的残碳及硅、铁、铝、钙等有价金属，减少资源浪费，变废为宝，实现资源的循环利用；
27.(3)促进煤化工行业的可持续发展，延伸煤炭产业链；
28.(4)较传统的碳热还原法生产硅铁等合金的工艺，该方法流程更为简单、原料成本更低，可有效降低生产成本；
29.(5)以煤气化渣为原料制备硅铁铝钙合金，无需额外引入碳质还原剂，实现了煤气化渣全组分的回收利用，节约资源。
附图说明
30.图1为一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法的工艺流程图。
具体实施方式
31.实施例1
32.如图1所示，一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，具体操作步骤如下：
33.步骤1：将煤气化粗渣、煤气化中渣和细渣破碎至粉体粒度小于10目。
34.步骤2：将破碎后的粉体与添加剂按一定比例混合；所述添加剂为sio2和nacl按质量比1：1得到的混合物；碳的质量占混合粉体总质量的20％，添加剂的质量占混合粉体总质量的5％。
35.步骤3：将混合后的粉体压制成为直径为50mm的球团，压制球团时的压力为10mpa。
36.步骤4：将压制后的球团在150℃下烘干12h。
37.步骤5：将球团在1800℃下采用电阻炉高温进行熔炼，制得拥有一定成分的合金。
38.步骤6：将合金与熔渣分离后进行浇铸，从而制得硅铁铝钙合金。
39.本实施例1中，制得的硅铁铝钙合金产品外观为银白色有金属光泽的块体；微观结构中有单独的硅相和硅铁铝钙合金相；合金的成分中，硅、铝、钙的质量和占总质量的67.43％。
40.实施例2
41.如图1所示，一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，具体操作步骤如下：
42.步骤1：将煤气化粗渣、煤气化中渣和细渣破碎至粉体粒度小于10目。
43.步骤2：将破碎后的粉体与添加剂按一定比例混合；所述添加剂为al2o3和naf按质量比1：1得到的混合物；碳的质量占混合粉体总质量的25％，添加剂的质量占混合粉体总质量的5％。
44.步骤3：将混合后的粉体压制成为直径为50mm的球团，压制球团时的压力为20mpa。
45.步骤4：将压制后的球团在150℃下烘干24h。
46.步骤5：将球团在1800℃下采用感应炉高温进行熔炼，制得拥有一定成分的合金。
47.步骤6：将合金与熔渣分离后进行浇铸，从而制得硅铁铝钙合金。
48.本实施例2中，制得的硅铁铝钙合金产品外观为银白色有金属光泽的块体；微观结构中有单独的硅相和硅铁铝钙合金相；合金的成分中，硅、铝、钙的质量和占总质量的70.35％。
49.实施例3
50.如图1所示，一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，具体操作步骤如下：
51.步骤1：将煤气化粗渣、煤气化中渣和细渣破碎至粉体粒度小于40目。
52.步骤2：将破碎后的粉体与添加剂按一定比例混合；所述添加剂为al2o3、sio2和naf按质量比1：1：1得到的混合物；碳的质量占混合粉体总质量的27％，添加剂的质量占混合粉体总质量的5％。
53.步骤3：将混合后的粉体压制成为直径为50mm的球团，压制球团时的压力为20mpa。
54.步骤4：将压制后的球团在150℃下烘干16h。
55.步骤5：将球团在2200℃下采用电弧炉高温进行熔炼，制得拥有一定成分的合金。
56.步骤6：将合金与熔渣分离后进行浇铸，从而制得硅铁铝钙合金。
57.本实施例3中，制得的硅铁铝钙合金产品外观为银白色有金属光泽的块体；微观结构中有单独的硅相和硅铁铝钙合金相；合金的成分中，硅、铝、钙的质量和占总质量的75.25％。
58.实施例4
59.如图1所示，一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，具体操作步骤如下：
60.步骤1：将煤气化粗渣、煤气化中渣和细渣破碎至粉体粒度小于40目。
61.步骤2：将破碎后的粉体与添加剂按一定比例混合；所述添加剂为al2o3、cao和naf按质量比1：1：1得到的混合物；碳的质量占混合粉体总质量的30％，添加剂的质量占混合粉体总质量的5％。
62.步骤3：将混合后的粉体压制成为直径为50mm的球团，压制球团时的压力为20mpa。
63.步骤4：将压制后的球团在150℃下烘干24h。
64.步骤5：将球团在1800℃下采用感应炉高温进行熔炼，制得拥有一定成分的合金。
65.步骤6：将合金与熔渣分离后进行浇铸，从而制得硅铁铝钙合金。
66.本实施例4中，制得的硅铁铝钙合金产品外观为银白色有金属光泽的块体；微观结构中有单独的硅相和硅铁铝钙合金相；合金的成分中，硅、铝、钙的质量和占总质量的60.23％。
67.实施例5
68.如图1所示，一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，具体操作步骤如下：
69.步骤1：将煤气化粗渣、煤气化中渣和细渣破碎至粉体粒度小于100目。
70.步骤2：将破碎后的粉体与添加剂按一定比例混合；所述添加剂为al2o3、na2co3按质量比1：1得到的混合物；碳的质量占混合粉体总质量的18％，添加剂的质量占混合粉体总质量的5％。
71.步骤3：将混合后的粉体压制成为直径为50mm的球团，压制球团时的压力为10mpa。
72.步骤4：将压制后的球团在150℃下烘干24h。
73.步骤5：将球团在1600℃下采用电阻炉高温进行熔炼，制得拥有一定成分的合金。
74.步骤6：将合金与熔渣分离后进行浇铸，从而制得硅铁铝钙合金。
75.本实施例5中，制得的硅铁铝钙合金产品外观为银白色有金属光泽的块体；微观结构中有单独的硅相和硅铁铝钙合金相；合金的成分中，硅、铝、钙的质量和占总质量的60.87％。
76.实施例6
77.如图1所示，一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，具体操作步骤如下：
78.步骤1：将煤气化粗渣、煤气化中渣和细渣破碎至粉体粒度小于100目。
79.步骤2：将破碎后的粉体与添加剂按一定比例混合；所述添加剂为na2co3粉末；碳的质量占混合粉体总质量的20％，添加剂的质量占混合粉体总质量的5％。
80.步骤3：将混合后的粉体压制成为直径为50mm的球团，压制球团时的压力为10mpa。
81.步骤4：将压制后的球团在150℃下烘干18h。
82.步骤5：将球团在1900℃下采用感应炉高温进行熔炼，制得拥有一定成分的合金。
83.步骤6：将合金与熔渣分离后进行浇铸，从而制得硅铁铝钙合金。
84.本实施例6中，制得的硅铁铝钙合金产品外观为银白色有金属光泽的块体；微观结构中有单独的硅相和硅铁铝钙合金相；合金的成分中，硅、铝、钙的质量和占总质量的68.74％。
85.实施例7
86.如图1所示，一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，具体操作步骤如下：
87.步骤1：将煤气化粗渣、煤气化中渣和细渣破碎至粉体粒度小于50目。
88.步骤2：将破碎后的粉体与添加剂按一定比例混合；所述添加剂为naf粉末；碳的质量占混合粉体总质量的20％，添加剂的质量占混合粉体总质量的5％。
89.步骤3：将混合后的粉体压制成为直径为50mm的球团，压制球团时的压力为10mpa。
90.步骤4：将压制后的球团在150℃下烘干18h。
91.步骤5：将球团在2100℃下采用电弧炉高温进行熔炼，制得拥有一定成分的合金。
92.步骤6：将合金与熔渣分离后进行浇铸，从而制得硅铁铝钙合金。
93.本实施例7中，制得的硅铁铝钙合金产品外观为银白色有金属光泽的块体；微观结构中有单独的硅相和硅铁铝钙合金相；合金的成分中，硅、铝、钙的质量和占总质量的75.42％。

技术特征：
1.一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，其特征在于按以下步骤进行：步骤1：将煤气化粗渣、煤气化中渣和细渣破碎为粉体；步骤2：破碎后的粉体与添加剂按比例混合；步骤3：将混合后的粉体压制成为球团；步骤4：将压制后的球团在50℃～200℃下烘干12h～48h；步骤5：干燥后的球团在1200℃～2200℃下进行高温熔炼，制得拥有一定成分的合金；步骤6：将合金与熔渣分离后进行浇铸，制得硅铁铝钙合金。2.根据权利要求1所述的一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，其特征在于所述步骤1中，所述的煤气化粗渣、中渣和细渣的成分，按质量百分比为：c 5～60％、sio230～70％、al2o3≤30％、fe2o3≤30％、cao≤30％、mgo≤10％、na2o≤5％、k2o≤5％、tio2≤5％，其它单个金属氧化物含量≤1％。3.根据权利要求1所述的一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，其特征在于所述步骤1-2中，所述的破碎后的粉体粒度小于10目。4.根据权利要求1所述的一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，其特征在于所述步骤2中，所述的添加剂为sio2、al2o3、cao、fe2o3、na2co3、nacl、k2co3和naf中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，其特征在于所述步骤2-3中，所述的混合后的粉体中，碳的质量占混合粉体总质量的10～40％，添加剂的质量占混合粉体总质量的0.5～10％。6.根据权利要求1所述的一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，其特征在于所述步骤3中，压制球团的直径为5mm～100mm，压制球团时的压力为10mpa～40mpa。7.根据权利要求1所述的一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，其特征在于所述步骤5中，所述高温熔炼过程使用的设备为电阻炉、感应炉和电弧炉中的一种。8.根据权利要求1所述的一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，其特征在于所述步骤5中，制备得到的合金成分中，硅、铝、钙的质量和不低于合金总质量的60％。

技术总结
一种利用煤气化渣高温熔炼制备硅铁铝钙合金的方法，涉及冶金技术领域，按以下步骤进行：(1)将煤气化粗渣、中渣和细渣破碎为一定粒度的粉体；(2)将破碎后的粉体与添加剂按一定比例混合；(3)将混合后的粉体压制成为球团；(4)将压制后的球团在50℃～200℃下烘干；(5)将球团在1200℃～2200℃下进行高温熔炼，制得拥有一定成分的合金；(6)将合金与熔渣分离后进行浇铸，从而制得硅铁铝钙合金。本发明的方法利用煤气化渣来制得硅铁铝钙合金，为煤气化渣的综合利用提供新的途径，减少资源浪费，变废为宝，实现资源的循环利用。实现资源的循环利用。实现资源的循环利用。


技术研发人员：邢鹏飞 王耀萱 杜红兵 魏冬卉 李海煜 王帅 庄艳歆
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/13