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：
對碳熱還原轉(zhuǎn)爐渣進行熱力學(xué)分析，分別在二硅化鉬高溫電阻爐和500kg頂?shù)讖?fù)吹多功能試驗爐開展轉(zhuǎn)爐渣碳熱還原脫磷的實驗室試驗。結(jié)果表明，反應(yīng)溫度及動力學(xué)條件對脫磷率有較大影響，在電阻爐試驗條件下，保證反應(yīng)溫度為1500℃、碳當(dāng)量為3.0、保溫時間為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)在較高溫度下進行，同時頂吹氧氣對熔渣層的良好攪拌有利于脫磷反應(yīng)速度進一步提高，試驗過程脫磷率為84%，其中還原進入鋼液的脫磷率為75.85%，氣化脫磷率為8.15%。焦粉帶入的硫有10.8%進入鋼水，有6.25%進入爐渣。
關(guān)鍵詞：
目前，對于煉鋼轉(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。目前對于脫除轉(zhuǎn)爐渣中磷的技術(shù)還處于實驗室研究階段，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)吹多功能試驗爐開展碳熱還原轉(zhuǎn)爐渣脫磷的實驗室試驗，探討了不同的反應(yīng)模式及工藝參數(shù)對爐渣脫磷率的影響。
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，碳熱還原轉(zhuǎn)爐渣中P2O5、FeO、Fe2O3的反應(yīng)完全可以進行，且還原P2O5反應(yīng)的驅(qū)動力更強。對于渣中MnO，只有在溫度高于1450℃時其碳熱還原反應(yīng)才可進行。
2碳熱還原轉(zhuǎn)爐渣脫磷的試驗研究
2.1試驗原料對現(xiàn)場實際生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐渣進行破碎、篩分，選擇粒度為3mm以下的渣樣作為試驗原料，采用X光熒光光譜儀對其成分進行檢測，結(jié)果見表3。
2.2試驗過程及結(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，將試驗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)，將溫度升至試驗溫度后保溫30min，升溫速度為7～8℃/min，整個試驗過程爐內(nèi)充氮氣進行保護，取試驗后渣樣進行檢測，主要考察反應(yīng)溫度和碳當(dāng)量對脫磷率的影響，這里的1個碳當(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。具體的試驗結(jié)果見表5，其中脫磷率的計算公式為：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)吹多功能試驗爐中開展試驗，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，利用多功能試驗爐的頂吹氧槍進行吹氧攪拌，吹氧流量為25m3/h，吹氧時間為6min，通過調(diào)節(jié)氧槍槍位保證頂吹氣體對熔渣具有良好的攪拌作用，同時利用焦粉與氧氣的反應(yīng)放熱對熔渣進行升溫，反應(yīng)結(jié)束后測得鋼水溫度為1423℃。分別在試驗初始、吹氧3min時刻及吹氧結(jié)束時刻取鋼水樣和渣樣，利用紅外碳硫分析儀對鋼水樣中的碳、硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進行檢測，利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對鋼水樣中的磷元素進行檢測，利用X光熒光光譜儀對渣中（P2O5）成分進行檢測，具體的試驗結(jié)果見表6。
2.3結(jié)果分析與討論
2.3.1碳當(dāng)量和溫度對脫磷率的影響第一部分試驗中碳當(dāng)量和溫度對脫磷率的影響如圖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，脫磷率從5%增加至20%以上，這說明溫度對脫磷反應(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焦粉燃燒放熱對脫磷率的影響第二部分試驗脫磷效果如圖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這一點，而且焦粉既作為還原劑，同時也作為升溫劑，更有利于熱量的快速傳遞；另一方面是頂吹氧氣對熔渣層進行了良好的攪拌，有利于提高脫磷反應(yīng)速度。對反應(yīng)過程焦粉中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進行質(zhì)量恒算，試驗過程共加入焦粉4.8kg，其碳質(zhì)量共計4.2kg，反應(yīng)結(jié)束后進入鋼水的碳質(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?？紤]1kg焦粉燃燒放熱量為9829kJ[14]，鋼水的比熱容為0.84kJ（/kg•℃），則試驗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)在較高溫度下進行。
2.3.3反應(yīng)動力學(xué)條件對脫磷率的影響兩次試驗脫磷率相差較大的原因主要是由于反應(yīng)動力學(xué)條件有差異。第一部分電阻爐試驗中，在1300～1500℃的反應(yīng)溫度下，轉(zhuǎn)爐渣中的低熔點物質(zhì)會熔化，但爐渣中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最多的3CaO•SiO2和2CaO•SiO2由于熔點較高還處于固態(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)，此時發(fā)生的碳熱還原反應(yīng)主要為液-固相還原反應(yīng)，其動力學(xué)條件遠(yuǎn)好于固-固相還原反應(yīng)，同時頂吹氧氣對熔渣的攪拌作用更加促進了碳熱還原反應(yīng)的進行。
2.3.4增硫量計算對第二部分試驗中鋼水和爐渣的增硫情況進行分析，鋼水增硫0.0052kg，爐渣增硫0.003kg，試驗過程焦粉帶入的硫總量為0.048kg，則通過計算可知，焦粉帶入的硫有10.8%進入鋼水，有6.25%進入爐渣。
3結(jié)論
（1）熱力學(xué)計算結(jié)果表明：當(dāng)溫度為1200～1550℃時，碳熱還原轉(zhuǎn)爐渣中P2O5、FeO、Fe2O3的反應(yīng)完全可以進行，且還原P2O5反應(yīng)的驅(qū)動力更強。對于渣中MnO，只有在溫度高于1450℃時其碳熱還原反應(yīng)才可進行。（2）反應(yīng)溫度及動力學(xué)條件對碳熱還原轉(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)在較高溫度下進行，同時頂吹氧氣對熔渣層的良好攪拌有利于脫磷反應(yīng)速度的進一步提高，試驗過程脫磷率為84%，其中還原進入鋼液的脫磷率為75.85%，氣化脫磷率為8.15%。（3）試驗結(jié)果表明，焦粉帶入的硫有10.8%進入鋼水，有6.25%進入爐渣。
作者：趙成林 張寧 康磊 曹東 李廣幫 單位：鞍鋼集團公司鋼鐵研究院