碳热还原转炉渣脱磷的热力学分析范文

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《钢铁杂志》2016年第五期

摘要：

对碳热还原转炉渣进行热力学分析，分别在二硅化钼高温电阻炉和500kg顶底复吹多功能试验炉开展转炉渣碳热还原脱磷的实验室试验。结果表明，反应温度及动力学条件对脱磷率有较大影响，在电阻炉试验条件下，保证反应温度为1500℃、碳当量为3.0、保温时间为30min的情况下，可以获得30%左右的脱磷率。在顶底复吹多功能试验炉内，焦粉既作为还原剂也作为升温剂，焦粉与氧气反应放热可以保证脱磷反应在较高温度下进行，同时顶吹氧气对熔渣层的良好搅拌有利于脱磷反应速度进一步提高，试验过程脱磷率为84%，其中还原进入钢液的脱磷率为75.85%，气化脱磷率为8.15%。焦粉带入的硫有10.8%进入钢水，有6.25%进入炉渣。

关键词：

转炉渣；脱磷；碳热还原；热力学分析

目前，对于炼钢转炉渣综合利用的途径主要包括返回冶金流程、建材及农用等几个方面[1-3]，其中，返回冶金流程再利用主要包括转炉留渣工艺[4]、转炉渣返回烧结流程[5-6]等，但由于有害元素磷的富集，使得转炉渣循环量受到限制，因此，每年仍有大量炉渣排放，给水体、土壤和空气均带来较大污染。目前对于脱除转炉渣中磷的技术还处于实验室研究阶段，主要的研究工作集中在还原剂的选择及用量、供热方式的选择等[7-11]。本文利用焦粉作为还原剂，分别在二硅化钼高温电阻炉和500kg顶底复吹多功能试验炉开展碳热还原转炉渣脱磷的实验室试验，探讨了不同的反应模式及工艺参数对炉渣脱磷率的影响。

1碳热还原转炉渣的热力学分析

从表2中可以看出，转炉渣中磷、铁、锰等氧化物形成的复合化合物熔点大都为1400℃以下，在常规的炼钢温度下，其碳热还原反应式。各反应的ΔGθ随温度的变化如图1所示。从图1中可以看出，当温度为1200～1550℃时，碳热还原转炉渣中P2O5、FeO、Fe2O3的反应完全可以进行，且还原P2O5反应的驱动力更强。对于渣中MnO，只有在温度高于1450℃时其碳热还原反应才可进行。

2碳热还原转炉渣脱磷的试验研究

2.1试验原料对现场实际生产过程中产生的转炉渣进行破碎、筛分，选择粒度为3mm以下的渣样作为试验原料，采用X光荧光光谱仪对其成分进行检测，结果见表3。

2.2试验过程及结果（1）在水冷不锈钢外壳的二硅化钼电阻炉内开展试验，将试验渣料和焦粉人工混合，总量为100～150g，混匀后倒入氧化镁坩埚并放入电阻炉内，将温度升至试验温度后保温30min，升温速度为7～8℃/min，整个试验过程炉内充氮气进行保护，取试验后渣样进行检测，主要考察反应温度和碳当量对脱磷率的影响，这里的1个碳当量表示把炉渣中的铁、锰、磷氧化物全部还原为单质所需要的碳量。具体的试验结果见表5，其中脱磷率的计算公式为：脱磷率＝（反应前渣中w(P2O5)－反应后渣中w(P2O5))/反应前渣中w(P2O5)×100%。（2）在500kg顶底复吹多功能试验炉中开展试验，加入转炉渣13kg及废钢140kg，利用感应加热至1600℃使加入的废钢和熔渣熔化，此后停止感应加热，加入焦粉4.8kg，利用多功能试验炉的顶吹氧枪进行吹氧搅拌，吹氧流量为25m3/h，吹氧时间为6min，通过调节氧枪枪位保证顶吹气体对熔渣具有良好的搅拌作用，同时利用焦粉与氧气的反应放热对熔渣进行升温，反应结束后测得钢水温度为1423℃。分别在试验初始、吹氧3min时刻及吹氧结束时刻取钢水样和渣样，利用红外碳硫分析仪对钢水样中的碳、硫元素质量分数进行检测，利用电感耦合等离子体发射光谱仪对钢水样中的磷元素进行检测，利用X光荧光光谱仪对渣中（P2O5）成分进行检测，具体的试验结果见表6。

2.3结果分析与讨论

2.3.1碳当量和温度对脱磷率的影响第一部分试验中碳当量和温度对脱磷率的影响如图2所示。从图2中可以看出，随着碳当量和温度的增加，脱磷率不断增加。当温度从1300℃增加至1400℃时，脱磷率从5%增加至20%以上，这说明温度对脱磷反应的影响更大，保持温度为1500℃、碳当量为3.0、保温时间为30min情况下，可以获得30%以上的脱磷率。

2.3.2焦粉燃烧放热对脱磷率的影响第二部分试验脱磷效果如图3所示。从图3中可以看出，总的脱磷率为84%，其中还原进入钢液的脱磷率为75.85%，气化脱磷率为8.15%，总体脱磷效果较好。分析原因，一方面是焦粉与吹入氧气反应放热促进了反应温度的提升，从反应结束后钢水温度仍保持在1423℃的较高温度也可以证实这一点，而且焦粉既作为还原剂，同时也作为升温剂，更有利于热量的快速传递；另一方面是顶吹氧气对熔渣层进行了良好的搅拌，有利于提高脱磷反应速度。对反应过程焦粉中的碳质量分数进行质量恒算，试验过程共加入焦粉4.8kg，其碳质量共计4.2kg，反应结束后进入钢水的碳质量为0.43kg，假定吹入的氧气全部与焦粉中的碳反应用于升温，根据吹氧量计算用于升温的碳质量为2.68kg，则剩余用于碳热还原反应的碳质量为1.1kg，折算后碳当量为2.18。考虑1kg焦粉燃烧放热量为9829kJ[14]，钢水的比热容为0.84kJ（/kg•℃），则试验过程焦粉燃烧后可以使钢水升温224℃，这样可以充分保证炉渣的碳热还原反应在较高温度下进行。

2.3.3反应动力学条件对脱磷率的影响两次试验脱磷率相差较大的原因主要是由于反应动力学条件有差异。第一部分电阻炉试验中，在1300～1500℃的反应温度下，转炉渣中的低熔点物质会熔化，但炉渣中质量分数最多的3CaO•SiO2和2CaO•SiO2由于熔点较高还处于固态，因此电阻炉内的碳热还原反应主要接近于固-固相还原反应，仅局部存在液-固相还原反应。第二部分多功能炉试验中，焦粉中的碳与顶枪吹入的氧气发生化学反应，反应产生的热量使得炉渣温度较高，炉渣处于熔融状态，此时发生的碳热还原反应主要为液-固相还原反应，其动力学条件远好于固-固相还原反应，同时顶吹氧气对熔渣的搅拌作用更加促进了碳热还原反应的进行。

2.3.4增硫量计算对第二部分试验中钢水和炉渣的增硫情况进行分析，钢水增硫0.0052kg，炉渣增硫0.003kg，试验过程焦粉带入的硫总量为0.048kg，则通过计算可知，焦粉带入的硫有10.8%进入钢水，有6.25%进入炉渣。

3结论

（1）热力学计算结果表明：当温度为1200～1550℃时，碳热还原转炉渣中P2O5、FeO、Fe2O3的反应完全可以进行，且还原P2O5反应的驱动力更强。对于渣中MnO，只有在温度高于1450℃时其碳热还原反应才可进行。（2）反应温度及动力学条件对碳热还原转炉渣脱磷率具有较大影响。在电阻炉供热条件下，保证反应温度为1500℃、碳当量为3.0、保温时间为30min的情况下，可以获得30%左右的脱磷率。在顶底复吹多功能试验炉中，焦粉既作为还原剂也作为升温剂，焦粉与氧气反应放热可以保证脱磷反应在较高温度下进行，同时顶吹氧气对熔渣层的良好搅拌有利于脱磷反应速度的进一步提高，试验过程脱磷率为84%，其中还原进入钢液的脱磷率为75.85%，气化脱磷率为8.15%。（3）试验结果表明，焦粉带入的硫有10.8%进入钢水，有6.25%进入炉渣。

作者：赵成林 张宁 康磊 曹东 李广帮 单位：鞍钢集团公司钢铁研究院