CN115029607A

CN115029607A - 中碳准贝氏体钢以及利用富铁有色冶金渣制备其的方法

Info

Publication number: CN115029607A
Application number: CN202210458076.3A
Authority: CN
Inventors: 陈曦; 代文彬; 陈学刚; 祁永峰; 王书晓
Original assignee: China ENFI Engineering Corp
Current assignee: China ENFI Engineering Corp
Priority date: 2022-04-28
Filing date: 2022-04-28
Publication date: 2022-09-09
Anticipated expiration: 2042-04-28
Also published as: CN115029607B

Abstract

本发明公开了一种中碳准贝氏体钢以及利用富铁有色冶金渣制备其的方法。利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法包括：以富铁有色冶金渣为原料，还原熔炼，得到铁水；根据所述铁水成分，向铁水中添加合金辅料，脱气造渣，得到钢水；采用连铸法铸坯，通过控轧控冷工艺，制备得到中碳准贝氏体钢。本发明通过将有色冶金渣固废利用与钢铁行业联动，形成了从富铁有色冶金渣到中碳准贝氏体钢产品的工艺路线，切实提高了冶金渣的利用率，促进了冶金渣的资源化和无害化大宗处置；充分发挥了冶金渣中合金元素的价值，丰富了钢铁生产原料种类，降低了生产成本，提高了产品附加值；具有节能环保、绿色生产的优点。

Description

中碳准贝氏体钢以及利用富铁有色冶金渣制备其的方法

技术领域

本发明涉及冶金渣处理技术领域，特别是涉及一种中碳准贝氏体钢以及利用富铁有色冶金渣制备其的方法。

背景技术

我国钢铁生产主要以长流程为主，绝大多数的钢材是由铁矿石炼制，但目前铁矿石贫矿多富矿少且开采要求高、技术难度大，平均开采品味仅10％～30％，经济性差，因此导致铁矿石对外依存度较高，兼之铁矿石的不可再生性，寻求铁矿石的替代资源势必成为促进钢铁行业健康发展的必经之路。

有色冶金渣是有色金属矿物在冶炼过程中产生的废渣，目前有色冶金行业规模巨大，冶金渣年产生量大、种类多，主要有铜渣、赤泥、镍渣、电解锰渣、铅锌渣等。有色冶金渣根据矿石品味和生产工艺的不同，其排放量不同。比如每生产一吨铜可排放约2.2吨铜渣，每生产一吨氧化铝可产生约0.6～2.5吨的赤泥，电炉镍铁渣与对应产出的镍铁合金质量比约可达14:1，电解锰渣的产生量则约为7～11吨/吨锰，而每生产一吨铅/锌可产生约0.7～0.9吨的铅锌渣。大量有色冶金渣长期采用露天堆存的处理方法，一方面消耗大量土地资源，增加企业成本；另一方面在长期风化淋溶的作用下，渣中的重金属离子和有毒元素会渗入地下水、江河、土壤中，直接对生态环境造成严重破坏，危害周围人和动植物的健康。冶金渣的减量化、无害化、资源化利用，是整个有色金属行业的共性难题，也是困扰行业绿色发展的核心问题。因此，有色冶金渣的大宗利用迫在眉睫。

当前消纳有色冶金渣的方式，主要有提取有价金属和生产水泥混凝土类建筑原材料。对于利用有色渣生产建筑材料而言，我国有部分行业已形成系列规范并可实现工业应用，如JC/T 2503-2018给出的“用于水泥和混凝土中的镍铁渣粉”，其他冶金渣胶凝材料的应用开发也在如火如荼地开展中。相较而言，对有色渣所提取金属的开发并不充分。虽然中国专利CN106086428B给出一种利用有色渣生产铁合金的方法，其需经造球后进行1500℃～1700℃的还原熔分处理，但其工艺复杂、能耗高。中国申请CN109207718A提出了利用镍渣制备不锈钢原料烧结矿的方法，但其原料采用赤铁矿粉、磁铁精矿粉、镍渣(占比为20％左右)、石灰石、白云石、返矿、焦粉、玉米芯粒块等，存在原材料复杂、有色渣利用率低的问题。

发明内容

基于上述问题，如何提供一种有效的，能够将有色冶金渣所提取的富铁金属应用于钢铁生产中，可大宗消纳有色渣的同时还能为炼钢提供原料，有利于丰富炼钢原料种类、弥补自采铁矿石的不足的处理方法，成为本发明一研究方向。基于此，根据本发明的一实施方式，其一个目的在于提供一种利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法，以解决当前富铁有色冶金渣提铁炼钢时存在的原料种类繁多、工艺复杂、能耗偏高、有色冶金渣利用率低等问题。其另一目的在于提供一种中碳准贝氏体钢。

上述目的可以通过以下技术方案的实施方式实现：

根据本发明的一个方面，本发明提供的一种利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法，包括：

以富铁有色冶金渣为原料，还原熔炼，得到铁水；

根据得到的铁水的成分，向铁水中添加合金辅料，脱气造渣，得到成分合格的钢水；

将钢水采用连铸法铸坯，通过控轧控冷工艺，得到中碳准贝氏体钢。

可选地，在脱气造渣的步骤之后，还包括：采用炉外精炼，调整钢液成分，得到成分合格的钢水。

可选地，所述成分合格的钢水，按照质量分数计，其合金成分包括：C0.2％～0.3％，Si 1.0％～1.5％，Mn 1.5％～2.0％，Mo 0.2％～0.5％，Cr 0.3％～0.8％，Nb0.04％～0.08％，B≤0.003％，N≤0.003％，O≤0.005％，P0.01％、S≤0.01％。

可选地，通过控轧控冷工艺，得到中碳准贝氏体钢的步骤中，包括：均热处理，保温时间60min～120min，温度1120～1200；进行多道次轧制；轧制后快冷至400℃～430℃，控制冷速为0.5℃/s～1℃/s，冷却至室温。

可选地，进行两道次轧制，且每道次轧制时，控制空冷温度并调节压下量；包括：空冷至1050℃～1080℃，进行第一道次的轧制，压下量为40％；空冷至820℃～860℃，进行第二道次的轧制，压下量为30％。

可选地，还原熔炼的步骤中，包括：加入还原剂和熔剂，1300℃～1550℃下进行还原熔炼，保温60min～180min，动态监测渣中铁还原率≥90％时出铁。

可选地，所述富铁有色冶金渣、还原剂、熔剂的质量比为：100:5～15：10～30。

可选地，所述富铁有色冶金渣中，TFe>30％。

可选地，所述方法还包括：采用二次渣同步制备活性微粉。进一步地，所述二次渣包括：采用还原熔炼产出的还原渣、脱气造渣产出的钢渣中的一种或两种。

可选地，采用直接粉磨或者添加活性激发剂后粉磨的方式，制备得到比表面积>350m²/kg的活性微粉。

可选地，所述二次渣和活性激发剂的用量比为100:5～30。

可选地，所述活性激发剂为高炉渣、粉煤灰、生石灰、水泥、熟料、副产石膏、硅酸钠、氢氧化钠、硫酸钠、尾矿、三乙醇胺、丙二醇等的一种或多种。

可选地，所述活性微粉用作水泥混合材或混凝土掺合料，且加入量为≥30％。

根据本发明的另一个方面，本发明提供的一种中碳准贝氏体钢，是采用所述利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法制备得到的。

可选地，所述中碳准贝氏体钢，金相组织为贝氏体铁素体板条和残余奥氏体薄膜相间而成的结构。

可选地，所述中碳准贝氏体钢，屈服强度大于750MPa。

可选地，所述中碳准贝氏体钢，抗拉强度＞1200MPa，冲击功>40J，延伸率>15％。

有益效果：本发明通过将有色冶金渣固废利用与钢铁行业联动，以富铁有色冶金渣为原料，经还原熔炼及脱气造渣合金化后得成分合格的钢水，后通过连铸铸坯及控轧控冷工艺生产得到中碳准贝氏体钢，形成了从富铁有色冶金渣到中碳准贝氏体钢产品的工艺路线，切实提高了冶金渣的利用率，解决了当前富铁有色冶金渣提铁炼钢时存在的原料种类繁多、工艺复杂、能耗偏高、有色渣利用率低的问题，促进了冶金渣的资源化和无害化大宗处置；充分发挥了冶金渣中合金元素的价值，丰富了钢铁生产原料种类，降低了生产成本，提高了产品附加值；具有节能环保、绿色生产的优点。

附图说明

图1是本发明利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明针对当前富铁有色冶金渣提铁炼钢时存在的原料种类繁多、工艺复杂、能耗偏高、有色渣利用率低等问题，通过将有色冶金渣固废利用与钢铁行业联动，形成了从富铁有色冶金渣到中碳准贝氏体钢产品的工艺路线，即本发明提供的一种利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法。所述方法包括：以富铁有色冶金渣为原料，经还原熔炼，以及脱气造渣合金化后得成分合格的钢水；通过连铸铸坯以及控轧控冷工艺，生产得到中碳准贝氏体钢。从而切实提高了冶金渣的利用率，促进了冶金渣的资源化和无害化大宗处置；同时，充分发挥了冶金渣中合金元素的价值，丰富了钢铁生产原料种类，降低了生产成本，提高了产品附加值。

本发明中的冶金渣可以为铜渣、赤泥、镍渣、电解锰渣、铅锌渣等中一种或几种。表1具体描述了几种有色冶金渣成分，从表1可以看出，较大部分的富铁有色冶金渣其全铁量含量较高，例如富铁有色冶金渣达到TFe>40％的高铁拜耳法赤泥、镍铁渣、铜渣等，这些都远高于我国铁矿石的平均开采品位。本发明中优选地富铁有色冶金渣TFe>30％，例如选自铜渣、拜耳法赤泥、高炉镍渣、铅锌渣等中一种或几种。

表1有色冶金渣的化学成分

图1示意性地示出了本发明一实施例中利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法的工艺流程。如图1所示，所述利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法，包括以下步骤：

(1)向富铁有色冶金渣中加入一定比例的还原剂和熔剂，混合均匀后送入高温熔炼装置中进行还原熔炼，得到铁水和还原渣，还原渣熔体在铁水上层，不定期进行出铁、出渣。

其中，所述高温熔炼装置可选择电弧炉、侧吹熔炼炉、矿热炉等，优选地采用可提供熔池搅拌的设备或***，搅拌方式可以为气体搅拌、电磁搅拌和机械搅拌的一种或多种，通过采用带有搅拌结构的高温熔炼装置可加快反应进程。所述富铁有色冶金渣TFe>30％，具备较佳经济性，可以从铜渣、拜耳法赤泥、高炉镍渣、铅锌渣等多种冶金渣中选择。所述还原剂为含碳原料，例如可以为烟煤、无烟煤、褐煤等。所述熔剂作调节碱度用，可以为石灰石、白云石、萤石、石灰、工业碱中的一种或多种。

优选地，还原熔炼时，富铁有色冶金渣：还原剂：熔剂＝100:5～15：10～30。炉内物料于1300℃～1550℃形成熔池后，保温60min～180min，通过上述温度和保温时间的控制可以保证物料充分熔化并还原。

进一步地，还原熔炼时，还包括对渣中铁元素含量进行动态监测，且当渣中铁还原率≥90％时即可出铁、出渣，渣中大部分铁被还原出来，出铁得到后续制钢过程所需铁水。更进一步地，出铁时需进行挡渣操作。

(2)根据铁水的成分，向铁水中配入一定比例的合金辅料，经过脱气、造渣、合金化后，以得到本发明所述的成分合格的钢水、以及钢渣副产品。

其中，该炼钢过程可以选择在传统的氧化性气氛转炉中进行，亦可以直接在出渣后的还原熔炼炉中直接投入合金辅料进行四脱(C、P、S、O)、造渣以及合金化过程。

可选地，若经过脱气造渣的钢水成分难以满足要求，可选择炉外精炼进一步调整钢液成分，以进一步确保得到成分合格的钢水，进而制备满足要求的中碳准贝氏体钢。其中，炉外精炼可以选择LF、VD、VOD、RH、SKF炉中的一种或多种。

其中，所述合金辅料主要用来提供有色冶金渣中未能充分满足的合金元素，同时调整合金成分，如硅铁、铬铁、铌铁、钼等。本发明所要满足的成分合格的钢水，其合金成分(质量分数)为：C 0.2～0.3％，Si 1.0～1.5％，Mn 1.5～2.0％，Mo 0.2～0.5％，Cr 0.3～0.8％，Nb 0.04～0.08％，B≤0.003％，N≤0.003％，O≤0.005％，P≤0.01％，S≤0.01％；该成分合格的钢水可以保证得到准贝氏体组织。

通过配入合金辅料对合金成分进行控制，合理利用有色冶金渣中已有的有价金属元素，减少了合金辅料的用量，降低了生产成本。各合金成分作用为：C提高材料的硬度和强度；Si作为非碳化物形成元素，抑制碳化物(尤其是Fe₃C)的形成，使未转变的残余奥氏体富碳；Mn、Mo起固溶强化及促进组织贝氏体化作用；Cr提高强度的同时可增强奥氏体的稳定性；Nb主要起细晶强化和沉淀强化作用；B、N含量过高容易在钢中形成BN脆性相，不利于性能提升，应控制其含量。

(3)采用连铸法，将成分合格的钢水经结晶器得到连铸坯，经均热处理后进行控制轧制、控制冷却工艺，进一步得到组织合格的中碳准贝氏体钢。

本发明采用连铸工艺。相对模铸，本发明采用连铸法不仅简化了生产工艺流程，还提高了金属收得率，降低了能耗，改善了成材质量等众多优势。所述控制轧制和控制冷却即热机械处理技术(Thermo-mechanical Control Process，TMCP)，采用TMCP进行钢材产品生产，提高了钢材性能。而且，本发明采用上述连铸连轧控制冷却的生产工艺制备准贝氏体钢，与传统的长时间等温淬火制备准贝氏体组织相比，本发明更有利于节能环保和绿色生产，提高经济环境效益。

为了进一步提高钢材产品性能，本发明在既定化学成分的基础上，对控轧控冷工艺参数进行了不断优化和改进，通过选择优化后的控轧控冷工艺参数，大幅提高了钢材产品的性能。该实施例中优化后参数控制：将连铸坯送入隧道均热炉中保温60min～120min，均热炉温度为1120～1200℃。随后送入热轧机组，先空冷至1050℃～1080℃进行第一道次的轧制，压下量为40％，再空冷至820℃～860℃进行第二道次的轧制，压下量为30％，而后快冷至400℃～430℃温度区间内以0.5℃/s～1℃/s的冷速控制冷却至室温，得一以准贝氏体组织为主的中碳钢，碳含量为0.2％～0.3％的钢。

本发明所得准贝氏体钢，金相组织为贝氏体铁素体板条和残余奥氏体薄膜相间而成的结构，具有良好的强韧塑性匹配，屈服强度>750MPa，抗拉强度>1200MPa，冲击功(V口)>40J，延伸率>15％，可用于生产高强钢筋等。主要原因在于：通过合理的合金化设计和轧制-冷却工艺控制，发挥碳原子的间隙固溶强化和板条亚结构细晶强化作用，使之具有优良的强度特性；薄膜状的残余奥氏体的存在又使贝氏体组织具有吸收变形能量、抵抗裂纹萌生和扩展的能力。

在一可选实施例中，如图1所示，所述利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法，还包括：对产生的二次渣进行资源化利用，从而实现冶金渣的全组分的充分利用。

具体地，采用还原熔炼过程中所得还原渣和炼钢过程中所得钢渣，来制备水泥混合材或混凝土掺合料等建筑原材料。本发明所得两种二次渣主要由CaO、MgO、SiO₂和Al₂O₃组成，与水泥成分类似，用于生产建筑原材料，既避免了大量二次渣的产生，又实现了对有色冶金渣的充分利用。

可选地，对于活性较高的二次渣，经过粉磨后可直接制成活性微粉，作为辅助胶凝材料外售建材企业。对于活性较低的二次渣，采用加入活性激发剂混合后共同粉磨的方式制备活性微粉。其中，所述活性激发剂可以选择高炉渣、粉煤灰、生石灰、水泥、熟料、副产石膏、硅酸钠、氢氧化钠、硫酸钠、尾矿、三乙醇胺、丙二醇等中的一种或多种。优选地，所述二次渣：活性激发剂＝100：5～30。进一步地，粉磨后的活性微粉，其比表面积>350m²/kg，可以作为水泥混合材或混凝土掺合料使用。且当所述活性微粉作为水泥混合材或混凝土掺合料使用时其加入量≥30％，较高的加入量也体现出本发明冶金渣的高资源利用效率。

本发明的上述实施例中，还具有以下优点：

1)以富铁有色冶金渣为主要原料，设计一种“还原提铁+氧化吹炼+连铸连轧控冷”的工艺路线，进行中碳准贝氏体钢的制备，通过合金化设计充分利用有色渣中的金属元素，丰富了钢铁生产的原料种类，降低生产成本，提高产品附加值。

2)通过控轧控冷参数的调控，实现700MPa级中碳准贝氏体钢板的开发，相比长时间等温淬火得准贝氏体组织的传统工艺，更有利于节能环保和绿色生产；而且使得到的中碳准贝氏体钢具有良好的强韧塑性匹配，优良的强度特性，以及较好的吸收变形能量、抵抗裂纹萌生和扩展的能力。

3)生产过程中产生的二次渣，可直接或经处理后用于生产水泥混合材或混凝土掺合料等，实现有色渣的全组分利用。具体地说，该实施例是将富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢联合二次渣同步制备活性微粉即将有色、钢铁、建筑行业的三者联动，丰富了钢铁生产和建筑材料的原料种类，促进了富铁有色渣的资源化、无害化大宗处置；整个生产工艺流程简单、节奏快、效率高，产品附加值高，实现绿色生产的同时可有效提高有色渣的利用率。

下面结合一具体实施例对本发明做更进一步地说明：

实施例1

采用TFe＝40％的富铁镍渣作为富铁有色冶金渣，制备中碳准贝氏体钢：

1)还原提铁：采用的高温熔炼装置为电弧炉。包括：按照镍渣：无烟煤：石灰石＝100:5：20配比混合并加入电弧炉进行还原熔炼；炉内物料于1450℃形成熔池后，保温90min排铁出渣。出渣时渣含铁为2.48％，所得铁水成分为C 0.85％，Si 2.13％，Mn 0.86％，P0.059％，S 0.056％，Cr 0.15％，Nb 0.01％，其余所需成分可在下一环节辅料进行补加。

2)合金化：经配辅料，转炉吹炼、LF炉外精炼，得到钢水，且所得钢水成分：C0.26％，Si 1.4％，Mn 1.8％，Mo 0.3％，Cr 0.5％，Nb 0.06％，B 0.0025％，N 0.0028％，O0.005％，P0.008％，S 0.007％。

3)连铸、控轧控冷：钢水经结晶器得到连铸坯，将连铸坯送入隧道均热炉中保温120min，均热炉温度为1150℃。随后送入热轧机组，空冷至1050°C进行第一道次的轧制，压下量为40％，再空冷至850℃进行第二道次的轧制，压下量为30％，而后快冷至400℃温度区间内以1℃/s的冷速控制冷却至室温，得一以准贝氏体组织为主的中碳钢。

性能测试：屈服强度764MPa，抗拉强度1258MPa，冲击功(V口)42J，延伸率16％。

4)二次渣资源化利用：将二次渣粉磨至比表面积436m²/kg，再加入5％高钙粉煤灰做激发剂，制备得到活性微粉。根据GB-T 18046-2017测其7d和28d的活性指数：7d为83％，28d为106％。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims

1.一种利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法，其特征在于，包括：

以富铁有色冶金渣为原料，还原熔炼，得到铁水；

根据所述铁水成分，向铁水中添加合金辅料，脱气造渣，得到成分合格的钢水；

采用连铸法铸坯，通过控轧控冷工艺，制备得到中碳准贝氏体钢。

2.根据权利要求1所述的利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法，其特征在于，还包括：采用二次渣制备活性微粉；其中，所述二次渣包括：采用还原熔炼产出的还原渣、脱气造渣产出的钢渣中的一种或两种。

3.根据权利要求1所述的利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法，其特征在于，在脱气造渣的步骤之后，还包括：采用炉外精炼，调整钢液成分，以得到成分合格的钢水。

4.根据权利要求3所述的利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法，其特征在于，所述成分合格的钢水，按照质量分数计，其合金成分包括：C 0.2％～0.3％，Si 1.0％～1.5％，Mn 1.5％～2.0％，Mo 0.2％～0.5％，Cr 0.3％～0.8％，Nb 0.04％～0.08％，B≤0.003％，N≤0.003％，O≤0.005％，P≤0.01％、S≤0.01％。

5.根据权利要求1所述的利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法，其特征在于，通过控轧控冷工艺，得到中碳准贝氏体钢的步骤中，包括：均热处理，保温时间60min～120min，温度1120℃～1200℃；进行多道次轧制；轧制后快冷至400℃～430℃，控制冷速为0.5℃/s～1℃/s，冷却至室温。

6.根据权利要求5所述的利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法，其特征在于，进行两道次轧制，且每道次轧制时，控制空冷温度并调节压下量；包括：空冷至1050℃～1080℃，进行第一道次的轧制，压下量为40％；空冷至820℃～860℃，进行第二道次的轧制，压下量为30％。

7.根据权利要求1所述的利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法，其特征在于，还原熔炼的步骤中，包括：加入还原剂和熔剂，1300℃～1550℃下进行还原熔炼，保温60min～180min，动态监测渣中铁还原率≥90％时出铁。

8.根据权利要求7所述的利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法，其特征在于，所述富铁有色冶金渣中，TFe>30％；所述富铁有色冶金渣、还原剂、熔剂的质量比为100:5～15:10～30。

9.根据权利要求2所述的利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法，其特征在于，采用二次渣制备活性微粉的步骤中，采用直接粉磨或者添加活性激发剂后粉磨的方式，得到比表面积>350m²/kg的活性微粉；其中，所述二次渣和活性激发剂的用量比为100:5～30；所述活性激发剂为高炉渣、粉煤灰、生石灰、水泥、熟料、副产石膏、硅酸钠、氢氧化钠、硫酸钠、尾矿、三乙醇胺、丙二醇等的一种或多种。

10.根据权利要求9所述的利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法，其特征在于，所述活性微粉用作水泥混合材或混凝土掺合料，且加入量为≥30％。

11.一种中碳准贝氏体钢，其特征在于，采用权利要求1所述的利用富铁有色冶金渣制备中碳准贝氏体钢的方法制备得到。

12.根据权利要求11所述的中碳准贝氏体钢，其特征在于，所述中碳准贝氏体钢，金相组织为贝氏体铁素体板条和残余奥氏体薄膜相间而成的结构，屈服强度大于750MPa。