一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺

摘要

本发明公开了一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，使用电解铝厂的白色铝灰，配加石灰石粉末和石墨碳压制成为球体，应用于LF精炼工艺过程中；所述三种成分的重量百分比含量分别为铝灰60%、石灰石30%、石墨碳10%；将石灰石和石墨破碎，然后再在雷蒙磨中间将其磨细到粒度为1mm以下，然后与铝灰混合，将其混匀，加入高压压球机，压制成渣球，拉运到转炉出钢工位待用；LF冶炼时替代脱氧剂，吨钢加入0.8～3kg的渣球，再按照传统的炼钢工艺操作即可。

权利要求

1.一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，其特征在于：使用电解铝厂的白色铝灰，配加石灰石粉末和石墨碳压制成为球体，应用于LF精炼工艺过程中；所述三种成分的重量百分比含量分别为铝灰60%、石灰石30%、石墨碳10%；将石灰石和石墨破碎，然后再在雷蒙磨中间将其磨细到粒度为1mm以下，然后与铝灰混合，将其混匀，加入高压压球机，压制成渣球，拉运到转炉出钢工位待用；LF冶炼时替代脱氧剂，吨钢加入0.8～3kg的渣球，再按照传统的炼钢工艺操作即可。

说明书

一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及电解铝生产过程中产生的白色铝灰在炼钢生产过程中合理应用的行业交叉创新工艺，特别是一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺。

背景技术

[0002] 铝生产企业和钢铁生产企业，都属于国民经济的支柱性产业和战略行业，铝灰是铝工业不可避免的副产物，其组成复杂，含有大量的金属铝、熔盐混合物、氧化铝、合金及其他组分。在氧化铝经熔盐电解生产铝的过程中，由于操作和测定器具的携带、阳极更换、出铝、铸锭以及电解槽大修，会产生一定量的铝灰。一般每生产1吨铝会产生30～50kg的铝灰。对于白铝灰的成分，X 射线衍射分析结果表明铝灰的物相组成为 Al2O3、MgAl2O4、AlN、NaAl11O17 和 K1.6Al11O17。铝灰被国家列为危险废物，不能运送出铝电解厂，但每个铝电解厂在金属铝生产过程中产生的铝灰量较少，如果将其进行处理，将大增加生产成本。为了使铝灰能运送出铝电解厂进行集中处理，需将铝灰进行无害化处理。如果直接排放将会污染环境。所以需将铝灰中的氮、氯和氟含量降到许可排放的范 围或更低的含量，然后再进行集中处理。根据国家环保要求，废弃物排放中对氮、氯和氟排放量经作出了要求，但对于铝灰中氮、氯和氟含量未提出明确要求，然而目前国际上氧化铝生产的原料铝土矿中的氯和氟等微量杂质的含量一般为0.001%～0.2%范围以内。

[0003] 目前已有将铝灰应用于炼钢工艺过程中的脱氧剂使用，在电炉或者转炉出钢过程中添加，也有的在LF精炼过程中做脱氧剂使用。但是这种使用模式，使得铝灰中间的氮化物对钢水造成增氮，对于大多数钢的质量来讲，是一种危害，这也限制了铝灰在炼钢工艺中间的应用。在部分的地区，为了消除这一危害，对于铝灰水解脱氮的工艺也有实施的范例，但是这又造成了新的环境污染。

[0004] 炼钢工艺过程中，钢水脱氧的模式主要有两种：（1）扩散脱氧。通过降低炉渣中间的FeO+MnO的含量，使钢液中间的氧向炉渣中间扩散加以脱除。（2）沉淀脱氧。即直接向钢液中间加入脱氧剂，脱除钢液中间的自由氧或者浮氏体。

[0005] 在脱氧的过程中，调整炉渣的碱度和粘度，也是脱氧的重要操作内容。调整炉渣的碱度通常由SiO2和Al2O3作为最主要的两种成分的原料来完成。其中SiO2主要用于硅镇静钢和硅铝镇静钢调整炉渣的碱度， Al2O3可以通用于炉渣碱度的调整。

[0006] 目前采用调整炉渣碱度含有Al2O3的原料主要有铝矾土和铝粉、铝渣球（铝灰直接压球）等。检索文献披露：（1）王宝庆，王丹，廖耀华等人在2015（12）第32卷的《河南化工》杂志上刊登的论文“铝灰回收工艺研究进展”中间，有“铝灰是铝工业不可避免的副产物，其组成复杂，含有大量的金属铝、熔盐混合物、氧化铝、合金及其他组分。 铝灰通常被认为是废物而被堆积在垃圾处理厂，然而其中的某些组分是可以回收制取高纯度产品的，处理后的残 余物也是无毒的，其中可回收组分包括金属铝、氧化铝以及其他有用组分。为避免环境污染并创造经济收益，铝灰 的回收再利用已经引起人们的广泛关注。本文介绍了铝灰的产因、分类、组成，着重对铝灰不同的回收工艺进行了 综述，展望了铝灰回收工艺的前景并提出了相关建议。”的内容表述；文章中间没有关于在炼钢工艺环节中间应用，并且消除其危害作用的内容表述；（2）苏晓梅，李小忠，申秀英在2010,44(2) : 254-258《华中师范大学学报》的杂志上刊出的论文“铝灰渣高效利用的试验研究”一文中间有“铝灰中的有毒金属元素（Se、As、Ba、Cd、Cr、Pb等) 进人土壤和地下水系统会造成重金属污染等负面影响；盐饼中的盐分积聚在土壤中会导致盐碱化；接触水后会产生氨气、氢气和甲烷，容易引起火灾；其中的砷和砷化铝等杂质与水发生反应后产生的砷化氢气体在生产场所中富集后不仅污染空气，而且会造成密切接触者的急性砷化氢中毒。由此可见，最大限度地回收铝灰中的有价成分，不仅可以免去填埋的需要，还能消除以上诸类污染。”的内容表述；文章中间介绍了目前铝灰的处理方式有“压榨回收法、傾动回转炉处理法、回转窑处理法、改良的MRM法和炒灰回收法的处理工艺”，文章中间同样没有提及铝灰在炼钢领域进行无害化的处理工艺；（3）俞海明主编，与2012年在冶金工业出版社出版的著作《转炉钢水的炉外精炼技术》书中中有“向钢水内加入预熔渣或者不同的渣料，这些渣料的主要成分是石灰和萤石、石灰和铝渣球、石灰和预熔渣等。这些渣料的熔点较低，能够迅速的形成低熔点的渣系，呈现液态的渣系。使得Al2O3夹杂物能够被熔渣吸附在一起，在浮力的作用下上浮到钢水上部，进入顶渣被去除”的内容表述。

[0007] 通过这些文献的表述可知，电解铝厂的铝灰在炼钢工艺环节中间的应用，还没有一种能够消除其潜在危害元素的工艺方法。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于提供一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，将铝灰用于炼钢工艺环节之中，不仅能够有利于炼钢脱氧作业，而且能够对铝灰进行无害化处理，一举多得。

[0009] 本发明的目的是这样实现的，一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，使用电解铝厂的白色铝灰，配加石灰石粉末和石墨碳压制成为球体，应用于LF精炼工艺过程中；所述三种成分的重量百分比含量分别为铝灰60%、石灰石30%、石墨碳10%；将石灰石和石墨破碎，然后再在雷蒙磨中间将其磨细到粒度为1mm以下，然后与铝灰混合，将其混匀，加入高压压球机，压制成渣球，拉运到转炉出钢工位待用；LF冶炼时替代脱氧剂，吨钢加入0.8～3kg的渣球，再按照传统的炼钢工艺操作即可。

[0010] 本发明利用氮化物在钢液中间增氮的作用机理，设计了使用电解铝工业产生的铝灰，中间添加部分的石灰石粉末和石墨碳，按照比例混合后将其压球，在转炉出钢过程中加入使用，能够使得铝灰球中间的C和金属铝作为脱氧元素与钢渣中间的FeO+MnO反应，起到脱氧的作用。铝灰中间的AlN和Al2O3参与调整炉渣的粘度与碱度，铝灰球中间添加的石灰石和石墨碳在炼钢的条件下起的作用，能够阻止或减少AlN增氮的几率，并且实现铝灰中间有害元素的无害化，具体无害化的途径如下：

[0011] 1)铝灰中间的Se、As、Cd、Cr、Pb的氧化物在炼钢的条件下，Cd、Cr被铝灰中间的金属铝和石墨碳还原进入钢液，成为钢材的组成部分（钢材中间的Se、Ba、Cd、Cr与铁原子形成固溶体，大多数钢材对于它们的限制在0.02%左右，铝灰中间的含量在钢液中间处于安全状态）；其主要的反应方程式如下：

[0012] ① 2Cr2O3+3C(s)=4Cr（s）+3CO2(g)

[0013] ②  2CdO+C(s)=2Cd（s）+CO2(g)

[0014] 2)Ba、As的氧化物成为炉渣的一部分组成精炼渣，精炼渣作为建材或水泥原料使用，As的化合物被固定，实现无害化处理。

[0015] 3)Pb的氧化物首先被还原，然后汽化进入炼钢的除尘灰系统，在转底炉或还原竖炉的还原处理下，被回收。

[0016] 4)F和Cl，在造渣过程中能够起到化渣作用，可以替代炼钢过程中的化渣材料萤石（CaF2），其中Cl被分解进入除尘灰系统，形成氯盐，F成为氟化物固定在炉渣中间，炉渣应用于修路或者水泥，实现无害化。

[0017] 5)Se、Na是降低炉渣熔点的重要物质，能够起到化渣的作用，最后被固定在炼钢钢渣或者除尘灰中间。

[0018] 这种工艺方法，使得铝灰球既起到了脱氧剂炼钢的目的，又起到了避免铝灰中间不利因素造成的钢液增氮的作用，使得铝灰中间的有害物质无害化，达到从电解铝危废无害化高效利用的工艺目的。

[0019] 本发明的技术原理：

[0020] 本发明的技术原理基于以下的4个创新点：

[0021] 1)将电解铝生产过程中产生的废弃物铝灰（主要成分为Al、AlN、Al2O3）与石灰石和石墨碳按照比例均匀混合，目的是以其中的Al2O3与CaO能够生成低熔点的化合物12CaO·7Al2O3，形成液态的炉渣。

[0022] 2)AlN分解以后，向钢液增氮主要是按照菲克定律扩散进入钢液的，铝灰球加入LF顶渣以后，碳酸盐分解形成的气体，使得LF炉渣泡沫化，AlN分解后的氮原子进入泡沫化的气泡上升，最后破泡后进入大气，碳在脱氧的时候，产生的气泡也是增加脱氮效果的工艺方法。其反应的方程式如下：

[0023] ① C+FeO→Fe+CO↑

[0024] ②  CaCO3 →CaO+CO2↑

[0025] 3)炉渣泡沫化以后，炉渣的体积和厚度增加，铝灰球中间的氮化铝接触钢液的几率减少，钢液增氮的风险进一步降低。

[0026] 4)以上的三种物质采用高压压球机压制成为球体，在LF工艺过程中加入，石灰石中间的CaCO3分解，促使球体迅速的分解，产生的气体CO2逸出过程为后续的反应提供了动力学条件，其中的成分相互反应生成面积较大的液相12CaO·7Al2O3吸附夹杂物，防止了石墨碳和Al2O3在高温下烧结成块的问题。其中的反应如下：

[0027] CaO+Al2O3=12CaO·7Al2O3

[0028] 本发明的有益效果如下：

[0029] 1、传统的炼钢工艺中间，绝大多数采用纯铝灰压制的球体进行扩散脱氧，但是难以消除增氮的短板，本发明能够消除这一短板，并且增加了脱氧的效果。

[0030] 2、萤石CaF2作为促进渣料熔解的添加成分，成本高，还会对环境造成F-1离子的污染，本发明采用铝灰中间的有害元素替代萤石，可以避免这种污染，降低炼钢成本。

[0031] 3、利用铝灰中间的还原剂金属铝和碳，能够将铝灰中间的重金属氧化物还原进入钢液，实现重金属无害化，铝灰中间的有害元素基本上的使用潜在能力被应用后，固定在钢渣或者炼钢除尘灰中间，实现铝灰有害物质的无害化转移。

具体实施方式

[0032] 以下结合实施例对发明作进一步说明。

[0033] 实施例，以一座120吨LF精炼炉的生产为例：

[0034] 1)采购当地电解铝厂产生的铝灰（其中的Al2O3含量为80%）600Kg，并且采购当地CaO含量为52%的石灰石300kg，采购碳含量为85%的石墨碳100kg。

[0035] 2)将石灰石和石墨破碎，然后再在雷蒙磨中间将其磨细到1mm以下，然后与铝灰混合，将其混匀，加入高压压球机，压制成球，然后拉运到转炉出钢工位待用。

[0036] 3）LF冶炼时替代脱氧剂，吨钢加入0.8～3kg的渣球，并且按照传统的炼钢工艺使用即可。