一种用含氧化硅物料进行脱氧合金化的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术一种用含氧化硅物料进行脱氧合金化的方法及装置，该方法应用电场将氧化硅熔融电解还原完成钢液脱氧合金化。即在转炉炼钢结束后，向熔渣中加入适量含氧化硅物料，以钢液为阴极，通过置于熔渣中的惰性阳极与阴极间施加一直流电场，进行氧化硅的熔融电解还原反应，将氧化硅中的硅还原进入钢液达到脱氧合金化的目的，而氧化硅中的氧则通过和惰性阳极发生阳极反应以氧气的形式排出进入大气。本发明专利技术可以使氧化硅熔融电解还原，在完成脱除钢液中过剩自由氧的同时还可以向钢液增加一定含量的单质硅。装置构成简单，操作方便，利用氧化硅即完成了低成本高效的脱氧合金化目的，可以实现CO2零排放，达到低碳环保的目的，社会、经济效益巨大。

Method and device for deoxidizing alloying with silicon oxide material

The invention is a method and device for deoxidization and alloying with silicon oxide material. The method uses electric field to melt and electrolyze the silicon oxide to complete the deoxidization alloying of steel liquid. After the end of converter steelmaking, a proper amount of silicon containing material is added into the slag, and the molten steel is used as the cathode, and a DC electric field is applied between the inert anode and the cathode in the slag. The smelting reduction reaction of silicon oxide is carried out, and the silicon in the silicon oxide is reduced into the alloy of deoxidization and alloying. The oxygen in the atmosphere is discharged into the atmosphere by oxygen in the form of anodic reactions with inert anodes. The invention can melt and electrolytic reduction of silicon oxide, and can remove excess free oxygen from molten steel and increase a certain amount of elemental silicon to molten steel. The device is simple, easy to operate, and uses silicon oxide to accomplish the purpose of low cost and efficient deoxidization alloying. It can realize the zero emission of CO2, achieve the purpose of low carbon environmental protection, and have great social and economic benefits.

【技术实现步骤摘要】
一种用含氧化硅物料进行脱氧合金化的方法及装置
本专利技术涉及钢铁冶炼
，尤其涉及一种用含氧化硅物料进行脱氧合金化的方法及装置。
技术介绍
脱氧合金化是炼钢的基本任务之一。氧气顶吹转炉由氧枪向钢液中供氧，不可避免的会使终点钢水含有过剩的氧。而氧无论是以气体状态、溶解氧状态，还是以氧化物形式存在钢中都会降低钢的质量。所以在转炉冶炼结束后必须对钢液进行脱氧合金化操作，将钢液里过剩的氧去除。目前，绝大多数炼钢厂都采用简单的脱氧合金化工艺，即在转炉冶炼结束后向钢液里加入硅铁、锰铁、硅锰铁、铝锭等来进行脱氧合金化，合金的收得率较低，合金消耗较大，炼钢成本较高。在当前严峻的市场形势下，企业内部挖潜就成了一个减亏的重要手段。在生产工艺上，如何做到低成本、高效化生产是一个钢铁企业在市场竞争中立于不败之地的必要条件。因此，如何降低脱氧成本，实现经济型炼钢，是炼钢工作者一直追求的目标。硅特有的力学和物理化学特性使其成为支撑人类社会发展的基础材料。从成本方面考量，二氧化硅无疑是最经济的大规模硅制备的前驱物，因而现行的硅工业制备是基于碳热还原二氧化硅，基于氧化物的相对的化学惰性，碳热还原法制备硅一般需要很高的温度来确保还原的快速完全进行(碳热还原法制备硅的反应温度一般在l700℃以上进行)。如此高的反应温度不可避免地带来了大量的热损失，因而碳热还原法制备硅的能量效率不高(约30％)。从环境和资源方面来说，碳热还原法消耗大量的碳基材料，造成大量森林被破坏和大量的碳排放。以2009年全世界金属硅与硅铁的总产量约1000万t计，采用碳热还原制备硅会排放二氧化碳约6200万t；并且消耗木炭约1000万t，大约需森林625万hm2。和传统的碳热还原法不同，电化学冶金过程采用电子作为能量载体，有效地避免了杂质(碳和其他非金属)的引入。更重要的是，电子本身是绿色的能量载体，不带来额外的碳排放。人类社会现有大量的电能基础设施，而且来自绿色可再生能源(太阳能，风能，地热能，潮汐能以及核能等)的电能在电网中的装机容量不断上升，因此电化学冶金过程可预期是更绿色的半导体制备方法。而电子的活性可以通过调节电极电位精确方便的调控，因此理论上所有金属、半导体及合金都能通过电化学过程制得。实际电解过程中，电子活性调控的极限受制于电解液的电化学窗口。传统水溶液由于电化学窗口较窄，因此只有少数元素能够在水溶液中大规模制备(比如镍，钴，铅及锌等)。无机熔盐作为一种离子导体，具有很宽的电化学窗口和较强的溶解化合物的能力，因此是理想的电化学冶金的电解液。熔盐电化学冶金的优点体现在电解铝工业(采用熔盐电沉积法)的巨大成功上。含SiO2的熔渣也可以看做是一种混合熔盐，那就启发我们将电化学的方法引入传统冶炼工艺中，在熔渣与钢液系统间施加合适的电场，即可达到利用SiO2的进行钢液脱氧合金化的绿色低成本工艺，可以明显降低能耗、减轻环境负荷，还可以显著降低生产成本，具有良好的社会与经济效益。公开号为CN102653811A的中国专利技术专利“使用硅锰铁合金脱氧合金化的方法”，涉及一种使用硅锰铁合金脱氧合金化的方法，该方法包括以下步骤：首先检测转炉内的溶解氧含量，当转炉内的溶解氧含量被吹炼到600－1300ppm时作为转炉终点，然后向钢包内添加硅锰铁合金，当钢包内的溶解氧含量达到100－300ppm时停止添加硅锰铁合金，再利用喂丝机向钢包内输入铝线，当钢包内的溶解氧含量达到15－35ppm时停止输入铝线，即为冶炼钢种。该方法利用高溶解氧的含量去除钢液中硅锰铁合金所含的硅，即使用含有单质硅的硅铁或硅合金进行炼钢后的脱氧合金化操作，该技术经济性不佳。公开号为CN103131820A的中国专利技术专利“硅锰高效吸收合金球及其制备方法”，涉及一种硅锰高效吸收合金球，是由硅锰合金、硅铁、锰矿石、高铝水泥、粘结剂混合，并制成粒径为20～50mm的合金球，用这种合金球代替传统使用的硅铁、高碳锰铁、硅锰等合金，可使吨钢成本显著下降，它不仅能提高增硅、增锰效率，提高合金回收率，而且能完全取代传统使用的硅铁、高碳锰铁、硅锰等合金，其脱氧反应快速，合金化速度快。此硅锰高效吸收合金球中除硅锰合金外还加入一定量的高铝水泥和粘结剂，在炼钢过程中给冶炼系统增加了杂质，污染了钢液，应用前景不佳。公开号为CN103993124A的中国专利技术专利“一种提高半钢炼钢Si合金收得率的方法”，涉及一种提高半钢炼钢Si合金收得率的方法，所述方法包括在转炉中兑入半钢后加入造渣材料进行转炉冶炼，然后进行转炉冶炼终点控制并出钢，在出钢过程中，加入硅铁对所述半钢进行增硅，其特征在于，所述造渣材料包括硅铁、活性石灰和高镁石灰，所述造渣材料的加入量使得熔渣碱度为3-4，所述造渣材料中硅铁的加入量为4-6kg/吨钢。采用本专利技术提供的方法，能够实现高拉碳出钢、有效降低终点氧活度，从而有效提高Si合金收得率。此硅合金方法属于常规利用含单质硅的合金进行合金化的方法，技术经济效益不佳。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用含氧化硅物料进行脱氧合金化的方法及装置，该方法应用电场将氧化硅熔融电解还原完成钢液脱氧合金化。是一种全新的绿色硅脱氧合金化技术。实现低成本绿色制造，CO2零排放，达到节能环保的目的，社会、经济效益巨大。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：熔渣离子理论表明，熔融氧化物是一种具有离子导电性的电解质，它含有阴离子或阴离子团(如氧离子以及缔结有氧离子的阴离子团)，和阳离子等。熔融氧化物的理论分解电压值，可以通过相应原电池的电势测得，也可以通过热力学数据计算求得。其原理是：化合物分解所需的电能在数值上等于它在恒压下的生成自由能，但符号相反，即：△GTθ＝-nFETθ式中，ETθ—标准状态下的理论分解电压，V；F—法拉第常数，96487C/mol电子；n—反应式中得失电子数；△GTθ—恒压下的反应标准自由能改变值，J/mol。经计算SiO2分解电压为1.49V。由电化学原理可知，熔融化合物在一定电化学反应的条件下(外加直流电场、电极)可以发生电解还原反应，据此，可以选择适于熔融硅氧化物分解的电场力，令其发生电解还原反应，见反应式(1)。Si4++4e＝Si(L)(1)如果阳极选择为惰性材料，则阳极不参与电解反应，得到O2，而在阴极界面产生单质Si，电解还原过程的反应式为：SiO2(L)＝Si(L)+O2(g)(2)具体可以分解为以下反应：Si4++4e＝Si(L)(阴极反应)2O2-＝O2(g)+4e(阳极反应)本专利技术就是利用此原理，通过置于熔渣中的阳极和置于钢液中的阴极间施加一稳定的直流电场来使熔融氧化硅发生电解还原反应，生产单质硅和氧气，单质硅直接溶入钢液达到脱氧合金化的目的。一种用含氧化硅物料进行脱氧合金化的方法，该方法是将含氧化硅的物料加入熔渣中，通过置于熔渣中的惰性阳极与置于钢液中的阴极间施加一直流电场，进行电化学反应，将氧化硅电解还原，还原后的硅进入钢液，而氧化硅中的氧则通过和惰性阳极发生阳极反应以氧气的形式排出进入大气。包括如下步骤：1)出钢过程控制：转炉挡渣出钢，出钢过程中向钢液加入白灰、含氧化硅物料，白灰和含氧化硅物料的加入量按此两种物料中各自CaO和SiO2含量加入，使此两种物料加和后的CaO与SiO2的重本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用含氧化硅物料进行脱氧合金化的方法，其特征在于，该方法是将含氧化硅的物料加入熔渣中，通过置于熔渣中的惰性阳极与置于钢液中的阴极间施加一直流电场，进行电化学反应，将氧化硅电解还原，还原后的硅进入钢液，而氧化硅中的氧则通过和惰性阳极发生阳极反应以氧气的形式排出进入大气。

【技术特征摘要】
1.一种用含氧化硅物料进行脱氧合金化的方法，其特征在于，该方法是将含氧化硅的物料加入熔渣中，通过置于熔渣中的惰性阳极与置于钢液中的阴极间施加一直流电场，进行电化学反应，将氧化硅电解还原，还原后的硅进入钢液，而氧化硅中的氧则通过和惰性阳极发生阳极反应以氧气的形式排出进入大气。2.根据权利要求1所述的一种用含氧化硅物料进行脱氧合金化的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)出钢过程控制：转炉挡渣出钢，出钢过程中向钢液加入白灰、含氧化硅物料，白灰和含氧化硅物料的加入量按此两种物料中各自CaO和SiO2含量加入，使此两种物料加和后的CaO与SiO2的重量比为CaO/SiO2＝0.5～1.5，加入物料总量控制在5～20Kg/吨钢；2)电解还原反应控制：将钢包运至电解处理工位，利用电解反应控制装置对熔渣钢液系统施加电场进行电解反应控制，具体控制过程如下：首先将阳极置于钢包内熔渣中，控制阳极在熔渣中位置，避免和钢液接触；将阴极置于钢液中；阳极通过导线与直流电源的正极连接，阴极通过导线与直流电源的负极连接，然后由直流电源向阳极与阴极施加直流电场进行电解反应。3.根据权利要求2所述的一种用含氧化硅物料进行脱氧合金化的方法，其特征在于，所述直流电源电压控制在1.5～5V，输出电流I为100A～2000A...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾吉祥，郭庆涛，彭春霖，李晓伟，刘祥，邹焕，廖相巍，张海明，
申请(专利权)人：鞍钢股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21