碳熱還原轉(zhuǎn)爐渣脫磷的熱力學(xué)分析范文
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《鋼鐵雜志》2016年第五期
摘要：
對(duì)碳熱還原轉(zhuǎn)爐渣進(jìn)行熱力學(xué)分析，分別在二硅化鉬高溫電阻爐和500kg頂?shù)讖?fù)吹多功能試驗(yàn)爐開展轉(zhuǎn)爐渣碳熱還原脫磷的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。結(jié)果表明，反應(yīng)溫度及動(dòng)力學(xué)條件對(duì)脫磷率有較大影響，在電阻爐試驗(yàn)條件下，保證反應(yīng)溫度為1500℃、碳當(dāng)量為3.0、保溫時(shí)間為30min的情況下，可以獲得30%左右的脫磷率。在頂?shù)讖?fù)吹多功能試驗(yàn)爐內(nèi)，焦粉既作為還原劑也作為升溫劑，焦粉與氧氣反應(yīng)放熱可以保證脫磷反應(yīng)在較高溫度下進(jìn)行，同時(shí)頂吹氧氣對(duì)熔渣層的良好攪拌有利于脫磷反應(yīng)速度進(jìn)一步提高，試驗(yàn)過程脫磷率為84%，其中還原進(jìn)入鋼液的脫磷率為75.85%，氣化脫磷率為8.15%。焦粉帶入的硫有10.8%進(jìn)入鋼水，有6.25%進(jìn)入爐渣。
關(guān)鍵詞：
目前，對(duì)于煉鋼轉(zhuǎn)爐渣綜合利用的途徑主要包括返回冶金流程、建材及農(nóng)用等幾個(gè)方面[1-3]，其中，返回冶金流程再利用主要包括轉(zhuǎn)爐留渣工藝[4]、轉(zhuǎn)爐渣返回?zé)Y(jié)流程[5-6]等，但由于有害元素磷的富集，使得轉(zhuǎn)爐渣循環(huán)量受到限制，因此，每年仍有大量爐渣排放，給水體、土壤和空氣均帶來較大污染。目前對(duì)于脫除轉(zhuǎn)爐渣中磷的技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，主要的研究工作集中在還原劑的選擇及用量、供熱方式的選擇等[7-11]。本文利用焦粉作為還原劑，分別在二硅化鉬高溫電阻爐和500kg頂?shù)讖?fù)吹多功能試驗(yàn)爐開展碳熱還原轉(zhuǎn)爐渣脫磷的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，探討了不同的反應(yīng)模式及工藝參數(shù)對(duì)爐渣脫磷率的影響。
1碳熱還原轉(zhuǎn)爐渣的熱力學(xué)分析
從表2中可以看出，轉(zhuǎn)爐渣中磷、鐵、錳等氧化物形成的復(fù)合化合物熔點(diǎn)大都為1400℃以下，在常規(guī)的煉鋼溫度下，其碳熱還原反應(yīng)式。各反應(yīng)的ΔGθ隨溫度的變化如圖1所示。從圖1中可以看出，當(dāng)溫度為1200～1550℃時(shí)，碳熱還原轉(zhuǎn)爐渣中P2O5、FeO、Fe2O3的反應(yīng)完全可以進(jìn)行，且還原P2O5反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力更強(qiáng)。對(duì)于渣中MnO，只有在溫度高于1450℃時(shí)其碳熱還原反應(yīng)才可進(jìn)行。
2碳熱還原轉(zhuǎn)爐渣脫磷的試驗(yàn)研究
2.1試驗(yàn)原料對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐渣進(jìn)行破碎、篩分，選擇粒度為3mm以下的渣樣作為試驗(yàn)原料，采用X光熒光光譜儀對(duì)其成分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表3。
2.2試驗(yàn)過程及結(jié)果（1）在水冷不銹鋼外殼的二硅化鉬電阻爐內(nèi)開展試驗(yàn)，將試驗(yàn)渣料和焦粉人工混合，總量為100～150g，混勻后倒入氧化鎂坩堝并放入電阻爐內(nèi)，將溫度升至試驗(yàn)溫度后保溫30min，升溫速度為7～8℃/min，整個(gè)試驗(yàn)過程爐內(nèi)充氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，取試驗(yàn)后渣樣進(jìn)行檢測(cè)，主要考察反應(yīng)溫度和碳當(dāng)量對(duì)脫磷率的影響，這里的1個(gè)碳當(dāng)量表示把爐渣中的鐵、錳、磷氧化物全部還原為單質(zhì)所需要的碳量。具體的試驗(yàn)結(jié)果見表5，其中脫磷率的計(jì)算公式為：脫磷率＝（反應(yīng)前渣中w(P2O5)－反應(yīng)后渣中w(P2O5))/反應(yīng)前渣中w(P2O5)×100%。（2）在500kg頂?shù)讖?fù)吹多功能試驗(yàn)爐中開展試驗(yàn)，加入轉(zhuǎn)爐渣13kg及廢鋼140kg，利用感應(yīng)加熱至1600℃使加入的廢鋼和熔渣熔化，此后停止感應(yīng)加熱，加入焦粉4.8kg，利用多功能試驗(yàn)爐的頂吹氧槍進(jìn)行吹氧攪拌，吹氧流量為25m3/h，吹氧時(shí)間為6min，通過調(diào)節(jié)氧槍槍位保證頂吹氣體對(duì)熔渣具有良好的攪拌作用，同時(shí)利用焦粉與氧氣的反應(yīng)放熱對(duì)熔渣進(jìn)行升溫，反應(yīng)結(jié)束后測(cè)得鋼水溫度為1423℃。分別在試驗(yàn)初始、吹氧3min時(shí)刻及吹氧結(jié)束時(shí)刻取鋼水樣和渣樣，利用紅外碳硫分析儀對(duì)鋼水樣中的碳、硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行檢測(cè)，利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對(duì)鋼水樣中的磷元素進(jìn)行檢測(cè)，利用X光熒光光譜儀對(duì)渣中（P2O5）成分進(jìn)行檢測(cè)，具體的試驗(yàn)結(jié)果見表6。
2.3結(jié)果分析與討論
2.3.1碳當(dāng)量和溫度對(duì)脫磷率的影響第一部分試驗(yàn)中碳當(dāng)量和溫度對(duì)脫磷率的影響如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著碳當(dāng)量和溫度的增加，脫磷率不斷增加。當(dāng)溫度從1300℃增加至1400℃時(shí)，脫磷率從5%增加至20%以上，這說明溫度對(duì)脫磷反應(yīng)的影響更大，保持溫度為1500℃、碳當(dāng)量為3.0、保溫時(shí)間為30min情況下，可以獲得30%以上的脫磷率。
2.3.2焦粉燃燒放熱對(duì)脫磷率的影響第二部分試驗(yàn)脫磷效果如圖3所示。從圖3中可以看出，總的脫磷率為84%，其中還原進(jìn)入鋼液的脫磷率為75.85%，氣化脫磷率為8.15%，總體脫磷效果較好。分析原因，一方面是焦粉與吹入氧氣反應(yīng)放熱促進(jìn)了反應(yīng)溫度的提升，從反應(yīng)結(jié)束后鋼水溫度仍保持在1423℃的較高溫度也可以證實(shí)這一點(diǎn)，而且焦粉既作為還原劑，同時(shí)也作為升溫劑，更有利于熱量的快速傳遞；另一方面是頂吹氧氣對(duì)熔渣層進(jìn)行了良好的攪拌，有利于提高脫磷反應(yīng)速度。對(duì)反應(yīng)過程焦粉中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行質(zhì)量恒算，試驗(yàn)過程共加入焦粉4.8kg，其碳質(zhì)量共計(jì)4.2kg，反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)入鋼水的碳質(zhì)量為0.43kg，假定吹入的氧氣全部與焦粉中的碳反應(yīng)用于升溫，根據(jù)吹氧量計(jì)算用于升溫的碳質(zhì)量為2.68kg，則剩余用于碳熱還原反應(yīng)的碳質(zhì)量為1.1kg，折算后碳當(dāng)量為2.18。考慮1kg焦粉燃燒放熱量為9829kJ[14]，鋼水的比熱容為0.84kJ（/kg•℃），則試驗(yàn)過程焦粉燃燒后可以使鋼水升溫224℃，這樣可以充分保證爐渣的碳熱還原反應(yīng)在較高溫度下進(jìn)行。
2.3.3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件對(duì)脫磷率的影響兩次試驗(yàn)脫磷率相差較大的原因主要是由于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件有差異。第一部分電阻爐試驗(yàn)中，在1300～1500℃的反應(yīng)溫度下，轉(zhuǎn)爐渣中的低熔點(diǎn)物質(zhì)會(huì)熔化，但爐渣中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最多的3CaO•SiO2和2CaO•SiO2由于熔點(diǎn)較高還處于固態(tài)，因此電阻爐內(nèi)的碳熱還原反應(yīng)主要接近于固-固相還原反應(yīng)，僅局部存在液-固相還原反應(yīng)。第二部分多功能爐試驗(yàn)中，焦粉中的碳與頂槍吹入的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使得爐渣溫度較高，爐渣處于熔融狀態(tài)，此時(shí)發(fā)生的碳熱還原反應(yīng)主要為液-固相還原反應(yīng)，其動(dòng)力學(xué)條件遠(yuǎn)好于固-固相還原反應(yīng)，同時(shí)頂吹氧氣對(duì)熔渣的攪拌作用更加促進(jìn)了碳熱還原反應(yīng)的進(jìn)行。
2.3.4增硫量計(jì)算對(duì)第二部分試驗(yàn)中鋼水和爐渣的增硫情況進(jìn)行分析，鋼水增硫0.0052kg，爐渣增硫0.003kg，試驗(yàn)過程焦粉帶入的硫總量為0.048kg，則通過計(jì)算可知，焦粉帶入的硫有10.8%進(jìn)入鋼水，有6.25%進(jìn)入爐渣。
3結(jié)論
（1）熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)溫度為1200～1550℃時(shí)，碳熱還原轉(zhuǎn)爐渣中P2O5、FeO、Fe2O3的反應(yīng)完全可以進(jìn)行，且還原P2O5反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力更強(qiáng)。對(duì)于渣中MnO，只有在溫度高于1450℃時(shí)其碳熱還原反應(yīng)才可進(jìn)行。（2）反應(yīng)溫度及動(dòng)力學(xué)條件對(duì)碳熱還原轉(zhuǎn)爐渣脫磷率具有較大影響。在電阻爐供熱條件下，保證反應(yīng)溫度為1500℃、碳當(dāng)量為3.0、保溫時(shí)間為30min的情況下，可以獲得30%左右的脫磷率。在頂?shù)讖?fù)吹多功能試驗(yàn)爐中，焦粉既作為還原劑也作為升溫劑，焦粉與氧氣反應(yīng)放熱可以保證脫磷反應(yīng)在較高溫度下進(jìn)行，同時(shí)頂吹氧氣對(duì)熔渣層的良好攪拌有利于脫磷反應(yīng)速度的進(jìn)一步提高，試驗(yàn)過程脫磷率為84%，其中還原進(jìn)入鋼液的脫磷率為75.85%，氣化脫磷率為8.15%。（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，焦粉帶入的硫有10.8%進(jìn)入鋼水，有6.25%進(jìn)入爐渣。
作者：趙成林 張寧 康磊 曹東 李廣幫 單位：鞍鋼集團(tuán)公司鋼鐵研究院