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低碱度条件下转炉渣脱磷的基础研究

低碱度条件下转炉渣脱磷的基础研究

在转炉脱磷过程中,由于渣系熔点较高,固体CaO很难在短时间溶解进入液态渣中。因此,企业为了追求脱磷率,就会不断地向渣中加入CaO,导致其在冶炼结束后仍有大量自由CaO剩余。这不仅增加了生产成本,也造成了资源浪费,而且渣中自由CaO的大量存在也会使废渣处理变得困难。因此,如何在不影响脱磷效率的前提下,有效利用渣中的固体CaO成为函待解决的问题。

目前国外先进的转炉脱磷工艺是采用少渣进行冶炼的,即在炉渣碱度较低的情况下,取得较好的脱磷效果,该工艺不仅可以降低生产成本,还可减少废渣的排放,是未来转炉脱磷工艺的发展方向。由于仅从工艺角度无法解释低碱度条件下也可取得较好脱磷效果这一现象,因此,有必要研究炉渣的性质和脱磷的反应机理,但目前人们仅仅知道脱磷反应后物相的种类,而对这些物相的形成过程以及P205富集相的形成机理还缺乏系统的研究。因此,为了更有效地利用固体CaO进行脱磷,了解低碱度条件下脱磷过程的反应机理及其影响因素。本文研究了低碱度条件下CaO粒度及其加入比例、保温时间和温度对渣中磷富集相生成的影响;建立了CaO-SiO2-FeO-P2O5脱磷渣的活度计算模型,利用该模型对渣中各组元的活度进行了计算,并考察了初始FeO含量、温度以及碱度对熔渣中各组元活度的影响;选取转炉冶炼用CaO-SiO2-FeO-P2O5渣系和固相CaO为研究对象,通过实验和理论分析的方法,研究了2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体的形成过程和机理;对CaO-SiO2-FeO-P2O5渣系的脱磷动力学进行了分析,首先通过实验确定了脱磷的限制性环节,之后建立了CaO-SiO2-FeO-P2O5渣系的脱磷动力学方程;利用热力学软件计算了CaO-Si02-FeOx-P205四元渣系及其子渣系的相平衡关系和液相线位置,并分析了温度和氧分压对渣系相平衡关系和液相线的影响规律。获得主要结论如下:

(1)适当增大CaO的粒度有利于2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体的形成;当渣中粒状CaO的含量较低时,增大粒状CaO的加入比例可促进渣中大颗粒含磷固溶体的形成并减少渣中磷的含量,但当粒状CaO的含量较高时,2CaO·SiO2-3CaO·P205固溶体的生成量减少;适当提高温度有利于脱磷反应的进行;随着反应时间的延长,2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体增加,而且固溶体中磷的含量也不断升高。

(2)在1300℃下,CaO-SiO2-FeO-P2O5渣系中活度较高的组元是FeO、CaO·Si02. 2CaO-SiO2和3FeO-P2O5;当w(FeO)小于15%时,随着w(FeO)的增加,渣中2CaO·SiO2和3FeO·P2O5的活度不断升高,3CaO·P2O5活度降低,2CaO-SiO2-3CaO·P2O5含磷固溶体层逐渐变厚;当w(FeO)大于15%时,随着w(FeO)的增加,渣中3FeO·P205和2CaO·SiO2的活度逐渐降低,2CaO·SiO2-3CaO·P2O5含磷固溶体层逐渐变薄;当w(CaO)/w(SiO2)小于2.0时,随着炉渣碱度的增大,2CaO·SiO2的活度升高,3FeO·P205的活度变化不大,2CaO·SiO2-3CaO·P2O5含磷固溶体层逐渐变厚;当w(CaO)/w(SiO2)大于2.0时,随炉渣碱度的增大,2CaO·SiO2和3FeO·P2O5的活度降低,而3CaO·P2O5的活度升高,2CaO·SiO2与3CaO·P2O5的反应基本达到平衡,2CaO·SiO2-3CaO·P2O5含磷固溶体层的变化不明显;随着温度的升高,2CaO·SiO2的活度逐渐降低,3FeO·P205的活度变化不大,2CaO·SiO2-3CaO·P2O5含磷固溶体层有增厚的趋势,但不是特别明显。

(3) CaO-SiO2-FeO-P2O5渣系中组元主要以2CaO·SiO2和3FeO·P2O5化合物的形态存在;当固相CaO和炉渣接触时,渣中的2CaO·SiO2首先在固相CaO表面析出并形成2CaO·SiO2固相层;随着CaO和3FeO·P2O5化合物向反应界面的不断扩散,最终生成2CaO·SiO2-3CaO·P2O5和CaO-FeO固溶体。

(4)磷在渣中的传质和在2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体层中的扩散是CaO-SiO2-FeO-P2O5渣系脱磷的限制性环节;通过计算磷在渣中的传质系数k和在固溶体中的扩散系数DC,得出了1300℃下,熔渣碱度分别为1.3、1.8、2.2时的脱磷动力学方程分别为:将不同条件下的参数代入以上各动力学方程,计算得出脱磷转化率的计算值,其结果与实验值吻合度较高。对不同的渣系,可适当调整传质系数k和扩散系数Dc来求解脱磷的动力学模型。因此,本文所建立的脱磷动力学模型可用来预测CaO-SiO2-FeO-P205渣系的脱磷率。

(5)随着温度的升高,CaO-SiO2-FeOx三元渣系和CaO-SiO2-FeOx-P2O5(10%)四元渣系的液相区逐渐扩大;在CaO-SiO2-FeOx渣系中,随着氧分压的降低,液相区迅速向FeOx含量高的方向扩展,尖晶石固溶体相消失;在CaO-SiO2-FeOx-P2O5(10%)四元渣系中,当氧分压分别为100Pa和1Pa时,随着P205含量的增大,液相区向CaO-FeOx边界方向偏移,SiO2和CaSiO3的稳定区域扩大,当氧分压降低至0.001Pa时,尖晶石固溶体相的初晶区消失,磷石英(SiO2)、伪硅灰石(CaSiO3)、a’-Ca2Si04固溶体相和CaO的稳定区域都有所减小。

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