利用不锈钢粉尘和铜渣预还原团矿电熔分离制备Fe-Cr-Ni-Cu中间合金的绿色短流程工艺

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Green short-process preparation of Fe-Cr-Ni-Cu master alloy by electric melting-separation of pre-reduced pellets from stainless steel dust and copper slag

　　**摘要**- 提出了一条绿色短流程路线，用于冶金固体废弃物的资源化利用。- 通过熔分技术获得了高质量的Fe-Cr-Ni-Cu多组分中间合金。- 揭示了熔分过程中深度还原与相变的机理。- 实现了从不锈钢粉尘和铜渣中高效提取有价金属。- Fe、Cr、Ni和Cu的回收率分别为96.57%、95.36%、97.46%和97.56%。## 引言随着全球公共卫生安全的关注度不断提高以及食品安全标准的日益严格，兼具耐腐蚀性和抗菌性能的金属材料需求持续增长。含铜抗菌不锈钢是指在不锈钢基体中引入适量具有抗菌功能的铜元素[1]。因此，在保留传统不锈钢优异耐腐蚀性的基础上，它还具备强效、广谱且持久的抗菌性能[2]、[3]、[4]。不锈钢的耐腐蚀性主要由合金化元素铬决定：铬可在材料表面形成致密且稳定的氧化铬钝化膜，这是保证不锈钢耐腐蚀性的核心因素[5]。铜的抗菌功能是通过铜离子与环境接触过程中氧化态的变化或富铜相中铜离子的缓释效应来实现的[6]、[7]。在市场需求增长的驱动下，含铜抗菌不锈钢的产能和产量逐年攀升。传统含铜抗菌不锈钢的生产高度依赖铬铁矿和镍红土矿等初级矿产资源，这不仅推高了生产成本，还进一步加剧了铬、镍等战略金属的供应压力。与此同时，不锈钢生产和铜火法冶炼过程中每年产生大量冶金固体废弃物，即不锈钢粉尘（SSD）和铜渣（CS）。SSD富含Fe、Cr和Ni等有价金属，但因有毒六价铬的浸出而存在环境污染风险[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。作为铜冶炼的副产物，CS含铁和硅氧化物量高，并伴有一定量的残余铜资源[13]、[14]、[15]、[16]。然而，这些固体废弃物大多以填埋或堆存方式处置，这不仅造成有价金属资源的严重浪费，还带来了严重的环境污染和土地占用问题[17]、[18]。目前，冶金固体废弃物中有价金属的回收以火法冶金工艺为主，主要技术路线包括直接还原后磁选、熔炼还原以及氧化焙烧-磁选联合工艺[19]、[20]。为提高多种金属的综合回收效率，一些学者对各种固体废弃物的协同处理开展了相关研究[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。例如，镍红土矿与铜渣的协同还原可以高效提取铁、镍和铜等有价金属，制备粗Fe-Ni-Cu合金[26]、[27]。Tian等人[28]对铬铁矿、镍红土矿和锰矿进行了协同处理，制备Fe-Ni-Cr或Fe-Ni-Cr-Mn中间合金，验证了使用多组分中间合金替代不锈钢冶炼中单质硅镍、硅铬和硅锰的技术可行性。我们此前的研究表明，SSD和CS的协同处理有利于复杂含铬相的解离和液相的形成，改善了还原反应的热力学和动力学条件，从而实现了包括Fe、Cr、Ni和Cu在内的多种有价金属的同时回收[29]、[30]。然而，多组分合金的生产工艺通常存在工艺流程长、成本高和能耗高等缺点。为缩短含铜抗菌不锈钢的生产路线并降低其对初级矿产资源的依赖，本研究提出了一种基于冶金固体废弃物协同利用的绿色可持续短流程方法。以SSD和CS为原料制得预还原球团，通过电炉熔分技术生产Fe-Cr-Ni-Cu多组分中间合金。该中间合金可直接用作含铜抗菌不锈钢的冶炼配料。此外，预还原球团作为冶炼原料还可有效降低冶炼过程的能耗并提高生产效率[31]。本研究结合热力学计算与熔分实验，系统研究了冶炼温度、二元碱度和C/O比等关键参数对预还原球团深度还原和熔分过程的影响。分析了熔分过程中有价金属元素的迁移行为和渣相结构的演化特征，揭示了有价金属迁移行为与渣成分之间的内在关联。研究成果为冶金固体废弃物的协同资源化和多组分中间合金的绿色制备提供了理论支持。## 各章节要点### 原料先前工作中获得的预还原SSD-CS球团的主要化学组成见表1。预还原球团中Fe、Cr、Ni和Cu的质量分数分别为29.65%、8.65%、1.53%和0.56%。预还原球团中的金属铁含量为23.42%，对应铁的 Metallization率为80%。由于预还原过程中采用的碳粉与铝灰混合还原剂具有强还原性能，部分……### Fe-Cr-Ni-Cu多组分中间合金的熔化温度适当的冶炼温度在促进金属相的聚集和长大方面起着关键作用。为了阐明多组分合金相的熔化特性，利用FactSage 7.0软件及其Equilib模块，结合FToxid和FactPS数据库进行了热力学模拟，结果如图4所示。图4(a)展示了Cr和Ni含量对Fe-Cr-Ni-Cu……液相线温度的影响。### 结论本研究提出了一种创新的预还原与熔分冶炼耦合工艺，用于从SSD和CS中高效回收有价金属，获得高质量的Fe-Cr-Ni-Cu多组分中间合金。该工作为抗菌不锈钢的绿色生产和低成本原料供应提供了可行的技术路线和理论基础。主要结论如下：1. 在最佳熔分条件下（温度为1500°C，……### CRediT作者贡献声明**Yongcheng Fang：** 软件。**Min Chen：** 调查研究。**Nan Wang：** 撰写——审阅与编辑。**Xiaoqing Chen：** 撰写——原稿。### 利益冲突声明作者声明，他们没有已知可能影响本文所报告工作的相互竞争的财务利益或个人关系。本文的发表已获所有作者批准，并得到工作所在地负责主管机构的默许或明确批准。本文未在其他地方考虑出版。## 利益冲突声明作者声明，他们没有已知可能影响本文所报告工作的相互竞争的财务利益或个人关系。## 致谢本研究受国家自然科学基金资助。[批准号：52274325，52374328，52674424]。Xiaoqing Chen | Nan Wang | Min Chen | Yongcheng Fang