專利名稱:硼鎂鐵礦直接制取硼鐵的方法
一種以電爐為主要設(shè)備制取硼鐵的冶煉方法。
如眾所周知，微量的硼(0.01-0.003%)加入鋼中可顯著提高鋼的淬透性及鋼材的綜合性能，加入某些特殊鋼及鑄鐵里的硼(0.1～0.01%)，可極大地提高耐磨強(qiáng)度，機(jī)械強(qiáng)度及硬度〔1〕加入以Fe、Co、Ni為基的非晶態(tài)合金少量硼可明顯改善非晶態(tài)性能。永磁材料釹鐵硼合金加入少量硼形成穩(wěn)定的四方相結(jié)構(gòu)可提高磁能級(jí)合金元素硼的加入是以硼鐵的形式加到鋼，鑄鐵中或合金材料中。硼鐵在國外都是以硼酐，鐵精礦(或鐵鱗)為原料用鋁熱法，電鋁熱法，碳熱還原法生產(chǎn)的〔2〕。硼的利用率為50～60%，據(jù)日本介紹的硼鐵操作實(shí)例，每生產(chǎn)1噸硼鐵，需硼酐〔B2O3〕1100公斤，Al1120公斤，軋鋼鐵皮1100公斤，氯酸鉀168公斤〔3〕。我國僅有遼陽鐵合金廠用爐外鋁熱法還原硼酐〔B2O3〕(或硼酸)及鐵鱗，生產(chǎn)硼鐵。
綜合以上提及的各種生產(chǎn)硼鐵的方法，存在的主要缺點(diǎn)是，原料利用率低，生產(chǎn)成本高，制造工藝較復(fù)雜，如生產(chǎn)硼鐵首先要利用含硼礦物制成硼酸，再將硼酸脫水，生產(chǎn)出硼酐，再以硼酐，鐵鱗等為原料冶煉出硼鐵，制造過程中還要消耗大量的金屬鋁鎂等。因此，現(xiàn)有的生產(chǎn)方法不盡合理。同時(shí)能夠用于制造硼酸的礦物種類有限(主要是硼鎂礦)，不能使更多的含硼礦物都得到利用，更為不盡合理的是，目前冶煉硼鐵的方法，都是將含硼的氧化物(硼酐)和含鐵氧化物人為混合冶煉來生產(chǎn)，而自然界本身存在的，同時(shí)含有硼和鐵兩種元素的礦物卻不能加以開發(fā)應(yīng)用。
本發(fā)明的目的在于改變舊的硼鐵生產(chǎn)工藝，利用同時(shí)含有硼和鐵兩種元素的礦物-硼鎂鐵礦直接冶煉制取硼鐵含金。這樣即可擴(kuò)大含硼礦物的利用范圍，又能簡化硼鐵的生產(chǎn)工藝，進(jìn)而大幅度降低硼鐵的生產(chǎn)成本，而此項(xiàng)工作對(duì)生產(chǎn)硼酸的資源較貧乏，而硼鎂鐵礦貯量豐富的國家或地區(qū)有著更重要的意義。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，利用硼鎂鐵礦直接冶煉硼鐵的方法獲得成功。
利用硼鎂鐵礦直接制取硼鐵時(shí)，所用的原料是硼鎂鐵礦礦石，焦炭和少量的金屬鋁、螢石等，依靠的主要設(shè)備是電爐，其中電爐爐襯是采用電爐冶煉所用的電極糊(主要成份是石墨)制成的。
原料中硼鎂鐵礦的化學(xué)成分按重量百分?jǐn)?shù)如下表化學(xué)成分 ∑Fe B2O3MgO SiO2CaO S百分含量 30～36 8～15 20～25 10～15 1～3 0.1～0.2百分含量 5～10 15～20 30～40 10～15 1～9 0.1～0.5續(xù)上表化學(xué)成分 P Al2O3結(jié)晶水百分含量 0～0.1 1～3 ～5%百分含量 0～0.5 1～3 15～20
硼鎂鐵礦礦石是冶煉的目的產(chǎn)品-硼鐵的物質(zhì)來源，礦石經(jīng)x射線衍射物相分析確定各主要金屬元素中，鐵主要賦存于磁鐵礦Fe3O4及硼鎂鐵礦(Mg，F(xiàn)e)O·(B，F(xiàn)e)2O3兩種礦物中;硼主要賦存于硼鎂石MgHBO3及硼鎂鐵礦中;脈石主要是以蛇紋石Mg3Si4O11及少許Ca3Al6Si2O16等形態(tài)存在。這些礦物在高溫下，一部分將發(fā)生離解，并熔化為熔體，在碳還原劑存在的條件下，F(xiàn)e、Si、B等元素將被從各自的氧化物中還原出來，其反應(yīng)為
G°1＝118419-215.31TT始＝550K
G°2＝205915-214.56TT始＝960K
G°3＝147763-150.06TT始＝985K
G°3＝858363-473.80TT始＝1812K
G°5＝723056-373.94TT始＝1934K
G°6＝624074-296.02TT始＝2108K從上述熱化學(xué)反應(yīng)方程式中可以看出，鐵的各種氧化物優(yōu)先被還原。B、Si要在較高的溫度下得到還原。然而B、Si易溶于鐵液中，在有鐵液存在的情況下它們的還原反應(yīng)為
G°7＝727763-467.86TT始＝1555K
G°8＝591558-357.47TT始＝1649K使得B、Si的氧化物同碳反應(yīng)容易進(jìn)行。另外用碳作還原劑進(jìn)行直接還原，生成的CO氣體產(chǎn)物，很容易離開反應(yīng)體系，可使還原反應(yīng)脫離平衡狀態(tài)而連續(xù)進(jìn)行。從熱化學(xué)方程式來看，升高溫度，有利于上面反應(yīng)的正向進(jìn)行。
前以述及，本發(fā)明以電爐為主要設(shè)備制造硼鐵合金，具體方法是以硼鎂鐵礦礦石，焦炭和少量的金屬鋁，螢石等為原料，采用原料處理、混合配料、裝爐冶煉、爐渣處理、出鐵等主要工藝過程，最后生產(chǎn)出合于標(biāo)準(zhǔn)的硼鐵合金。
前邊所說“原料處理”工序，主要包括對(duì)硼鎂鐵礦礦石的處理和對(duì)焦炭的處理，按要求應(yīng)該將礦石粒度破碎到30mm以下，并將其放到焙燒爐中進(jìn)行氧化焙燒，破碎的目的是為了增加礦石的比表面，為以后進(jìn)行的氧化焙燒創(chuàng)造條件。而焙燒的目則是為了除去礦石中全部結(jié)晶水和部分有害雜質(zhì)硫和磷等，焙燒溫度應(yīng)在800～900℃下進(jìn)行較適宜。同時(shí)為了保證焙燒的效果焙燒爐中應(yīng)該有良好的氧化氣氛和足夠的焙燒時(shí)間，一般以八小時(shí)為宜。對(duì)于焦炭的處理主要是破碎和烘干兩個(gè)方面，焦炭破碎后的粒度應(yīng)是3～8mm，破碎的目的同樣是為了增加物料的比表面，以加快電爐內(nèi)高溫下還原反應(yīng)的進(jìn)行，潮濕的焦炭對(duì)還原不利，故要將焦炭烘干。為了提高焦炭的還原能力，焦炭中的固定炭含量越多越好，但一般的冶金焦其固定炭含量達(dá)80%以上，已能夠滿足要求。
前邊所說的“混合配料”工序，是將已經(jīng)經(jīng)過原料處理工序處理過的礦石和焦炭按100公斤礦石加15～20公斤焦炭這樣一個(gè)比例進(jìn)行均勻混合，當(dāng)焦炭含固定炭高，而礦石中含鐵氧化物低時(shí)取下限，反之取上限，以保證在電爐中焦炭中的固定炭和礦石中的鐵氧化物反應(yīng)、使鐵氧化物能夠被充分還原，成為金屬鐵為原則，固定炭不足，將要消耗其它還原劑，碳過量則不經(jīng)濟(jì)。
前邊所說的“裝爐冶煉”工序，是將混合后的爐料按1∶1(電爐噸位與以噸計(jì)的混合爐料重量之比)的比例一次裝入電爐內(nèi)，然后送電加熱，爐內(nèi)溫度要達(dá)到1600℃以上。隨著爐溫的升高，加熱時(shí)間的延長，爐料一邊熔化，一邊反應(yīng)，首先是鐵氧化物被固體碳直接還原，生成金屬鐵和一氧化碳，金屬鐵在高溫下熔為鐵液，在鐵液存在的條件下，硼和硅等元素亦開始被還原，還原后的硼和硅進(jìn)入到鐵液中，形成了液態(tài)鐵合金，但此條件下完全依靠固體碳來還原硼和硅等，硼的收得率低，而且速度變慢，故采用加入金屬鋁進(jìn)行還原，鋁是強(qiáng)還原劑，易和硼及硅的氧化物發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)式為
但在有FeO存在的情況，下鋁亦能使Fe得到還原，其反應(yīng)式為
由于鋁相對(duì)焦炭而言價(jià)格較高，因此使用鋁還原時(shí)應(yīng)該在固定碳將鐵氧化物充分還原，即當(dāng)爐渣中的氧化鐵充分消失，渣的顏色由黑變白之后，再加入金屬鋁，金屬鋁的加入量應(yīng)該以保證硼被充分還原為前提，具體數(shù)量依礦石含B2O3和SiO2的量而定，根據(jù)物料平衡計(jì)算出的、使硼全部被還原和使硅40%還原所需鋁量之和。由于鋁還原是較為激烈的化學(xué)反應(yīng)，因此操作時(shí)，加鋁可采用間斷式，供電亦可采用間斷式。以防止反應(yīng)過于激烈，發(fā)生爐噴。
前邊所說的“爐渣處理”工序，將視液態(tài)爐渣的情況而定，一般當(dāng)爐渣的流動(dòng)性較差，不利于渣鐵分離時(shí)，應(yīng)加一定數(shù)的螢石(主要成分為CaF2)，使?fàn)t渣變稀，這樣易于渣鐵分離。
除上述工序外，本方法還包括出鐵工序，將冶煉好的硼鐵合金及渣一起從電爐出鐵口流出后盛入到盛鐵槽中，待到盛渣鐵槽中的硼鐵合金液體及渣冷凝后，按常規(guī)處理。
應(yīng)用以上方法，即利用硼鎂鐵礦直接經(jīng)氧化焙燒脫掉結(jié)晶水及部分的磷與硫等雜質(zhì)。以碳和鋁為還原劑，用電爐生產(chǎn)硼鐵合金，其產(chǎn)品可以達(dá)到國頒標(biāo)準(zhǔn)。
與舊的生產(chǎn)硼鐵合金的方法如鋁熱法相比，本方法具有的明顯優(yōu)點(diǎn)是1.生產(chǎn)工藝流程短，設(shè)備投資少。本方法是將礦石采出后就地粗破，進(jìn)行氧化焙燒處理，再運(yùn)輸?shù)缴a(chǎn)硼鐵廠細(xì)破后就可進(jìn)入電爐冶煉;產(chǎn)品渣鐵分離好。鋁熱法不僅對(duì)原料要求高(鋁、鎂、硼、氯酸鉀……)而且原料處理工序長，需要的設(shè)備多;硼酸需用反射爐加熱至800℃熔化脫水，冷卻后硼酐要粉碎＜3mm，還需熔鋁制粒設(shè)備，制成鋁粒＜3mm;制取鋁鎂合金;將鎂錠緩慢加入熔化的800～900℃鋁液中，合金也要粉碎成＜5mm，鐵礦石經(jīng)破碎至＜3mm，石灰石粉碎成＜1mm，再將鋁粒、硼酐、鐵磷、鋁鎂合金、鐵礦石、石灰混勻后加入反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行熱反應(yīng)。
2.原料消耗少，生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。采用本方法每生產(chǎn)1噸FeB7C2.5硼鐵預(yù)計(jì)消耗硼鎂鐵礦(B2O3＞12%)4000kg;冶金焦粒900kg，電耗10000度，電極200kg，耐火材料400kg，及其他消耗都計(jì)算成本內(nèi)為7270元/噸。FeB7C2.5銷價(jià)為10000元/噸。每生產(chǎn)1噸硼鐵要產(chǎn)出1.5噸富硼渣，如果銷售給玻璃廠可獲得700×1.5＝1050元，總凈利潤為3780元/噸。
生產(chǎn)1噸FeB12C2.5，硼鐵預(yù)計(jì)消耗硼鎂鐵礦石(B2O3＞18%)4000kg，冶金焦粒800kg，鋁350kg，電耗15000度，電極400kg，耐火材料750kg及其他費(fèi)用都計(jì)算在成本內(nèi)為10130元/噸。如果銷價(jià)為15000元/噸。爐渣量按1噸計(jì)算，銷價(jià)800元(B2O3＞18%)。總凈利潤約為5670元/噸。
鋁熱法〔4〕每生產(chǎn)1噸FeB22C01消耗硼酸2150～2400kg，鋁鎂合金500～600kg，鋁粉720～900kg，氯酸鉀270～290kg，鐵磷720～800kg，鐵礦石410～500kg，鎂磚500～700kg，硼收率60～70%，生產(chǎn)成本估算為24600元，銷價(jià)為25000元/噸，凈利潤為400元/噸。
3.社會(huì)效益大。
本方法可以直接利用硼鎂鐵礦進(jìn)行冶煉，進(jìn)而敲開了硼鎂鐵礦開發(fā)利用的大門，使硼資源得以擴(kuò)大。同時(shí)采用此法冶煉硼鐵，可以顯著減少環(huán)境污染。
總之，在電力不太緊張的地區(qū)，利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的方法代替其他方法冶煉硼鐵合金。是非常經(jīng)濟(jì)的。
參考文獻(xiàn)〔1〕.陸文華 主編“鑄鐵及其熔煉”〔2〕.M·A·雷斯 著 周建華，于忠 譯“鐵合金冶煉”冶金工業(yè)出版社 1981 P326〔3〕.施允石，李志忠，韋壽南“鐵合金”1987 №2〔4〕.鐵合金生產(chǎn)編寫組《鐵合金生產(chǎn)》冶金工業(yè)出版社 1975 P318
權(quán)利要求
1.一種以電爐為主要設(shè)備制取硼鐵的冶煉方法，其特征在于以電極糊為電爐爐襯，以硼鎂鐵礦礦石、焦炭、鋁、螢石等為原料，經(jīng)原料處理，混合配料，裝爐冶煉、爐渣處理、出鐵等工序。
2.如權(quán)利要求
1所說的硼鐵冶煉方法，其特征在于方法中的原料處理工序是將礦石粒度破碎到30mm以下，在焙燒中800～900℃氧化性氣氛下焙燒，將固定碳含量大于80%的焦炭破碎到3～8mm，干燥脫水。
3.如權(quán)利要求
1所說的硼鐵冶煉方法，其特征在于方法中的混合配料工序，是將處理后的礦石和焦炭按100∶15-20(重量之比)的比例均勻混合。
4.如權(quán)利要求
1所說的硼鐵冶煉方法，其特征在于方法中的冶煉工序是將混合料一次裝爐，送電加熱到1600℃以上，待爐料充分熔化，且氧化鐵充分還原變成金屬鐵后立即加鋁進(jìn)行強(qiáng)還原。
專利摘要
一種以電爐為主要設(shè)備制取硼鐵的冶煉方法。該方法以硼鎂鐵礦、焦炭、鋁等為原料，經(jīng)過原料處理，混合配料，裝爐冶煉等工序，可以冶煉出達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的硼鐵合金，該方法的優(yōu)點(diǎn)是，工藝流程短，投資少，見效快，使硼資源得到全面綜合利用，生產(chǎn)無污染，采用此法生產(chǎn)硼鐵合金，可大幅度降低生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)C22B4/06GK87101579SQ87101579
公開日1988年3月9日 申請(qǐng)日期1987年6月24日
發(fā)明者張顯鵬, 崔傳孟, 劉素蘭, 冀春霖, 趙乃仁 申請(qǐng)人:東北工學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan