钢包顶渣快速还原剂及其制备方法和使用方法与流程

1.本发明属于冶炼领域，具体涉及钢包顶渣快速还原剂及其制备方法和使用方法。


背景技术：

2.中国大力推动太阳能发电做为清洁能源，光伏产业每年要切割大量多晶硅硅锭来生产太阳能电池板，切割过程产生的切割泥，粒度细小，经过切割液脱除、蒸发脱水等处理后，为几十微米的超微粉，活性远高于毫米尺寸的材料，自然堆放容易引起粉尘污染，集中堆藏又会因微粉颗粒巨大的表面能与空气中的氧气发生氧化反应放热自燃。因此如何绿色、经济地处理多晶硅切割粉料是需要解决的行业重大难题。
3.目前对多晶硅切割废料浆中的回收利用主要通过浮选、沉降、过滤、合金化、高温熔融等分离技术来回收其中的硅和碳化硅。
4.如2015年8月5日公开的中国专利cn104817089a公开了一种回收单/多晶硅切割废料浆中金属硅与碳化硅的方法，按以下步骤进行：(1)将单晶硅或多晶硅切割废料浆过滤或离心分离；(2)将固相烘干后降温；(3)用镁箔或镁片包裹，浸没于熔融镁液中，生成镁硅合金熔体；(4)熔融镁液全部成为镁硅合金熔体时，熔体上方为碳化硅和氧化硅，下方为杂质；(5)将镁硅合金熔体抽取到坩埚中，加入精炼剂进行精炼，然后浇铸；(6)降温至50℃以下；切割分离上层部分，研磨、酸浸、过滤、碱浸，获得碳化硅。该方法工艺流程较多，且需要使用到镁，增加了成本，且得到的si、sic等产品由于纯度约为98％左右，无法带来高额经济效益。
5.2011年1月12日公开的中国专利cn101941699a公开了一种由单晶硅和多晶硅切割废料中回收硅和碳化硅的方法，步骤为：将盐酸和烘干后的切割粉料混合、搅拌、水洗抽滤；选择上层溶剂、下层溶剂并装入分离柱中；将预处理后的微粉从分离柱上部加入，静置沉降，放出上层溶剂和硅的混合物，放出下层溶剂和碳化硅的混合物，分别采用水洗抽滤的方法回收硅和碳化硅并回收溶剂；对回收的硅粉和碳化硅粉进行水洗抽滤，分别烘干。该方法需要使用盐酸，使用过程中，环保压力很大，且最终得到的硅纯度达到93％，sic达到86％，同样无法创造较高的经济效益。
6.《多晶硅线切割废料中硅粉的回收提纯技术进展》、《太阳能级多晶硅切割废料浆的综合回收》、《锂离子电池硅铜复合负极材料的制备及性能研究》等论文中介绍了现有技术对该切割废料的回收再利用，主要通过硅和sic物化性能的不同来将二者分离开，同时为了保证硅和sic的纯度，需对其中的fe、b、p等杂质进行去除，增加工艺的复杂性和成本，且该过程使用的工艺能耗较高或会造成一定的污染，不利于环保、高效、经济的回收该废料。
7.随着中国钢产量的持续增加，越来越多的钢铁生产企业致力于生产高附加值钢产品，精炼钢水的比例逐年提高，lf炉精炼是普遍采用的精炼手段，出于埋弧升温、钢水去夹杂等精炼功能的需要，钢包顶渣在lf炉精炼过程中需要在精炼前期快速将渣中所含的氧化铁和氧化锰等组分还原，即所谓“造白渣”。对于采用较低碱度炉渣进行精炼的钢种来说，其通常使用碳化硅粉、硅钙钡粉等材料来进行“造白渣”，由于其粒度很细，无法通过料仓添
加，生产过程中需靠操作者手动加入钢包。由于这类材料加入过程中粉尘多，且加入钢包后热空气将部分粉料蒸腾，操作现场粉尘污染严重，恶化操作环境，同时碳化硅粉、硅钙钡粉等材料均为工业制成品，不仅可用于炼钢生产，也可用于其他行业，因此价格都较高，因此不利于钢铁行业推行低成本、绿色制造。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种钢包顶渣快速还原剂及其制备方法，实现对多晶硅太阳能电池板切割废粉料的有效利用，通过对多晶硅切割粉料脱水制球后，做烘干处理，与石灰石粉、na2co3、粘结剂等制造成钢包顶渣快速还原剂，能够实现对多晶硅太阳能电池板切割废料浆的经济、大规模回收再利用。
9.本发明另一目的在于提供钢包顶渣快速还原剂的使用方法，在lf炉精炼过程作为钢包顶渣还原剂，可高效、低成本快速还原钢包顶渣。
10.本发明具体技术方案如下：
11.钢包顶渣快速还原剂，包括以下质量百分比原料:
12.多晶硅切割粉料：80
‑
90％；
13.高温分散剂：2
‑
5％；
14.石灰石粉：5
‑
15％
15.粘结剂：2
‑
5％；
16.上述各原料总质量比为100％。
17.所述多晶硅切割粉料中单质硅质量含量为20
‑
40％，碳化硅质量含量为20
‑
40％，其余为sio2和不可避免的杂质；
18.所述钢包顶渣快速还原剂中si和sic总质量百分比≥55％；
19.所述多晶硅切割粉料粒径为10
‑
100μm；
20.所述多晶硅切割粉料为切割后的多晶硅切割废料浆，经过挤压脱水后为切割泥，再烘干后得到的多晶硅切割粉料；
21.所述高温分散剂中na2co3质量含量为80
‑
90％，余量为杂质；
22.所述石灰石粉中cao质量含量为35
‑
45％，caco3质量含量为45％
‑
60％；余量为杂质；
23.所述粘结剂为淀粉、糊精、聚乙烯醇或羧甲基纤维素。
24.本发明提供的钢包顶渣快速还原剂的制备方法，包括以下步骤：
25.1)将配方量的原料搅拌混合，加入水，继续搅拌成半干料；
26.2)将半干料压制成型，即可。
27.以上各步骤均在常温、常压下进行。
28.步骤1)中所述搅拌混合是指立式搅拌机搅拌30～60分钟；
29.步骤1)中所加入的水为原料总质量的10
‑
30％；
30.步骤2)中所述压制成型具体为：利用压球机压制成球体；
31.进一步的，压制成型后的产品经过是筛分、养护、烘干即得成品。
32.最后，成品进行装袋。
33.太阳能电池板，切割过程产生的切割泥主要成分为sic和单质硅，切割泥的粒度细
小，经过切割液脱除、蒸发脱水等处理后，为几十微米的超微粉，比表面积大，具有很高的表面能，微粉的活性远高于毫米尺寸的材料。本发明不仅对多晶硅切割废料浆进行经济、规模化回收再利用，实现绿色循环利用。而且，利用多晶硅切割粉料中单质硅和碳化硅超微粉所具有的高表面能，快速脱除钢包顶渣中的氧化铁、氧化锰中的氧，实现对钢包顶渣的快速还原。本发明提供的钢包顶渣快速还原剂铺展性好，lf炉第一次加热时，从料仓加入钢包渣面后迅速铺展开，电极加热过程平稳，没有黑烟产生；lf炉加热10
‑
15min后，白渣已经形成；lf炉在第一次加热中期即可采用大电流升温，缩短了lf炉精炼周期5
‑
10min。
34.本发明提供的钢包顶渣快速还原剂的使用方法为：
35.lf炉精炼过程中钢包顶渣快速还原剂加入总量为1.0
‑
2.5kg/t钢。
36.具体的使用方法为：在lf炉第一次下电极加热3
‑
8min时，加入0.5
‑
1.2kg/t钢的钢包顶渣快速还原剂；第一次加热结束前加入剩余量的钢包顶渣快速还原剂。
37.第一次加热结束前加入钢包顶渣快速还原剂的方法为：第一次加热结束前5min内分一批或两批加入0.3
‑
0.9kg/t钢的钢包顶渣快速还原剂，第一次加热结束时炉渣已完全还原成白渣。
38.进一步的，后续操作的加热过程以及加合金过程时，在加热结束以及加合金结束时，分别加入0.05
‑
0.2kg/t钢钢包顶渣快速还原剂进行钢包顶渣还原性的保持。
39.使用本发明包顶渣快速还原剂时，lf炉精炼其他用于还原顶渣的铝基还原剂、碳化硅、硅钙系还原剂全部取消，无需加入；lf炉精炼的其它操作仍保持现有技术操作工艺。
40.本发明主要利用多晶硅切割粉料中的单质硅超微粉和碳化硅超微粉，其使用机理如下：在lf炉精炼过程的前期、中期从料仓加入制球的钢包顶渣快速还原剂，球中的高温分散剂使该还原剂在钢水温度下迅速在钢包顶渣中分散成超微细颗粒，多晶硅太阳能电池板切割粉料的粒度为10
‑
100μm，与1mm粒度的常规颗粒相比，相同质量的超微粉表面积是1mm粒度表面积的10
‑
100倍，则超微粉和钢包顶渣的反应面积是常规颗粒粉料的几十倍，因此单质硅、碳化硅超微粉迅速还原钢包顶渣中的氧化铁和氧化锰生成[fe]、[mn]和二氧化硅，达到快速还原钢包顶渣的目的。石灰石粉料在钢水温度下分解产生的co2气体可以在钢包顶渣的局部区域形成搅拌，促进单质硅微粉和碳化硅微粉与钢包顶渣混合，改善反应动力学条件。
[0041]
本发明通过对多晶硅切割粉料脱水制球后，做烘干处理，与石灰石粉、naco3、粘结剂等制造成钢包顶渣快速还原剂，在lf炉精炼过程中经料仓加入至钢包渣面，利用其中含有的单质硅、碳化硅微粉的高表面能，迅速与钢包渣中的氧化铁、氧化锰反应，达到快速还原钢包顶渣。本方法制造钢包顶渣快速还原剂的工艺简单易行，成本很低，过程对环境无污染，且所制成的钢包顶渣快速还原剂使用效果很好，提高lf精炼过程效率，并降低了生产成本。
附图说明
[0042]
图1为使用本发明钢包顶渣快速还原剂形成的白渣。
具体实施方式
[0043]
下面进一步结合具体实施方式对本发明进一步描述。
[0044]
本发明所用的各原料指标如下：
[0045]
多晶硅切割粉料中单质硅质量含量为20
‑
40％，碳化硅含量为20
‑
40％，其余为sio2和不可避免的杂质；
[0046]
所述高温分散剂中na2co3质量含量为80
‑
90％，余量为杂质；
[0047]
所述石灰石粉中cao质量含量为35
‑
45％，caco3质量含量为45％
‑
60％；余量为杂质。
[0048]
实施例1
[0049]
钢包顶渣快速还原剂，包括以下质量百分比原料:如表1所示。
[0050]
多晶硅切割粉料：83.0％；
[0051]
高温分散剂：2.5％；
[0052]
石灰石粉：11.0％
[0053]
粘结剂淀粉：3.5％；
[0054]
所述多晶硅切割粉料粒径为10
‑
100μm；
[0055]
所述多晶硅切割粉料为切割后的多晶硅切割废料浆，经过挤压脱水后为切割泥，再烘干后得到的多晶硅切割粉料；
[0056]
钢包顶渣快速还原剂中si和sic总质量百分比60.2％。
[0057]
实施例2
[0058]
钢包顶渣快速还原剂，包括以下质量百分比原料:如表1所示。
[0059]
多晶硅切割粉料：84.0％；
[0060]
高温分散剂：2.0％；
[0061]
石灰石粉：12.0％
[0062]
粘结剂糊精：2.0％；
[0063]
所述多晶硅切割粉料粒径为10
‑
100μm；
[0064]
所述多晶硅切割粉料为切割后的多晶硅切割废料浆，经过挤压脱水后为切割泥，再烘干后得到的多晶硅切割粉料；
[0065]
钢包顶渣快速还原剂中si和sic总质量百分比60.5％。
[0066]
实施例3
[0067]
钢包顶渣快速还原剂，包括以下质量百分比原料:如表1所示。
[0068]
多晶硅切割粉料：90.0％；
[0069]
高温分散剂：2.0％；
[0070]
石灰石粉：6.0％
[0071]
粘结剂淀粉：2.0％；
[0072]
所述多晶硅切割粉料粒径为10
‑
100μm；
[0073]
所述多晶硅切割粉料为切割后的多晶硅切割废料浆，经过挤压脱水后为切割泥，再烘干后得到的多晶硅切割粉料；
[0074]
钢包顶渣快速还原剂中si和sic总质量百分比66.7％。
[0075]
实施例4
[0076]
钢包顶渣快速还原剂，包括以下质量百分比原料:如表1所示。
[0077]
多晶硅切割粉料：81.0％；
[0078]
高温分散剂：3.5％；
[0079]
石灰石粉：13.0％
[0080]
粘结剂淀粉：2.5.0％；
[0081]
所述多晶硅切割粉料粒径为10
‑
100μm；
[0082]
所述多晶硅切割粉料为切割后的多晶硅切割废料浆，经过挤压脱水后为切割泥，再烘干后得到的多晶硅切割粉料；
[0083]
钢包顶渣快速还原剂中si和sic总质量百分比62.3％。
[0084]
表1为本发明钢包顶渣快速还原剂的实施例1
‑
实施4数据(wt％)
[0085][0086]
利用实施例1钢包顶渣快速还原剂在110吨lf炉使用过程中的对比数据如表2所示。具体使用过程如下：
[0087]
在lf炉第一次下电极加热6min时，加入121kg实施例1钢包顶渣快速还原剂；第一次加热结束前5min内分一批加入50kg钢包顶渣快速还原剂，第一次加热结束时炉渣已完全还原成白渣。后续操作的加热过程以及加合金过程时，在加热结束时加入8kg钢包顶渣快速还原剂，在加入合金结束时，加入9kg钢包顶渣快速还原剂进行钢包顶渣还原性的保持。
[0088]
利用实施例2钢包顶渣快速还原剂在110吨lf炉使用过程中的对比数据如表2所示。具体使用过程如下：
[0089]
在lf炉第一次下电极加热5min时，加入130kg实施例2钢包顶渣快速还原剂；第一次加热结束前5min内分2批加入98kg钢包顶渣快速还原剂，每批加入49kg；第一次加热结束时炉渣已完全还原成白渣。后续操作的加热过程以及加合金过程时，在加热结束时加入7kg钢包顶渣快速还原剂，在加入合金结束时，加入7kg钢包顶渣快速还原剂进行钢包顶渣还原性的保持。
[0090]
利用实施例3钢包顶渣快速还原剂在110吨lf炉使用过程中的对比数据如表2所示。具体使用过程如下：
[0091]
在lf炉第一次下电极加热5min时，加入110kg实施例3钢包顶渣快速还原剂；第一次加热结束前5min内分一批加入50kg钢包顶渣快速还原剂，第一次加热结束时炉渣已完全还原成白渣。后续操作的加热过程以及加合金过程时，在加热结束时加入8kg钢包顶渣快速还原剂，在加入合金结束时，加入8kg钢包顶渣快速还原剂进行钢包顶渣还原性的保持。
[0092]
利用实施例4钢包顶渣快速还原剂在110吨lf炉使用过程中的对比数据如表2所示。具体使用过程如下：
[0093]
在lf炉第一次下电极加热5min时，加入125kg实施例4钢包顶渣快速还原剂；第一次加热结束前5min内分两批加入50kg钢包顶渣快速还原剂，每批加入30kg；第一次加热结束时炉渣已完全还原成白渣。后续操作的加热过程以及加合金过程时，在加热结束时加入10kg钢包顶渣快速还原剂，在加入合金结束时，加入9kg钢包顶渣快速还原剂进行钢包顶渣还原性的保持。
[0094]
对比例1
[0095]
在lf炉第一次下电极加热5min时，加入120kg硅钙钡粉；第一次加热结束前5min内分两批加入80kg碳化硅粉，每批加入40kg；第一次加热结束时炉渣已完全还原成白渣。后续操作的加热过程以及加合金过程时，在加热结束时加入10kg碳化硅粉，在加入合金结束时，加入10kg碳化硅粉进行钢包顶渣还原性的保持。
[0096]
对比例2
[0097]
在lf炉第一次下电极加热5min时，加入140kg硅钙钡粉；第一次加热结束前5min内分两批加入70kg碳化硅粉，第一批加入40kg，第二批加入30kg；第一次加热结束时炉渣已完全还原成白渣。后续操作的加热过程以及加合金过程时，在加热结束时加入10kg碳化硅粉，在加入合金结束时，加入10kg碳化硅粉进行钢包顶渣还原性的保持。
[0098]
表2使用钢包顶渣快速还原剂炉次和未用炉次精炼数据对比
[0099][0100]
通过数据对比，使用钢包顶渣快速还原剂的优点有：
[0101]
1)、钢包顶渣快速还原剂冶金特性良好，能够快速成渣，提前成白渣2～4分钟，在后续lf精炼过程中，能够起到保持钢渣还原性的作用，lf精炼过程钢水脱硫情况良好。
[0102]
2)、冶炼平稳，生产顺行，加料过程中无烟尘，同时缩短冶炼周期5～10分钟，提高生产效率。
[0103]
3)、对多晶硅切割废料浆进行经济、规模化回收再利用，实现绿色循环利用。