半鋼冶煉爐渣氣化脫磷實(shí)驗(yàn)研究

李艷芳

（山西省呂梁市環(huán)境科學(xué)研究所，山西 呂梁033000）

近年來，作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)支柱的鋼鐵產(chǎn)業(yè)取得了很大的進(jìn)步，但隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，鋼鐵工業(yè)對(duì)資源的大量消耗和對(duì)環(huán)境造成的影響愈發(fā)凸顯。轉(zhuǎn)爐鋼渣是轉(zhuǎn)爐在煉鋼時(shí)排出的熔渣，是鋼鐵工業(yè)固體廢棄物的主要來源。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，當(dāng)前我國(guó)轉(zhuǎn)爐鋼渣的積存量已經(jīng)超過10億t，且利用率較低，給水體、土壤和空氣均帶來較大污染[1]。然而，實(shí)際上轉(zhuǎn)爐渣中的有用成分所占比例很大，如果爐渣中的硫、磷可以被除去，則爐渣可以重復(fù)利用，有利于鋼鐵企業(yè)的發(fā)展。目前，轉(zhuǎn)爐渣的處理主要在爐外進(jìn)行，這種處理方式存在一定的缺點(diǎn)[2]。氣化脫磷技術(shù)是在濺渣護(hù)爐留渣操作的基礎(chǔ)上完成的，不需要額外的設(shè)備投入，不需要額外的能量輸入，而且還能提供一定的熱量，促進(jìn)冶煉前期化渣，是一種新的環(huán)保型的爐渣處理方法，對(duì)資源節(jié)約、環(huán)境友好型的新型鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)具有重大意義[3]。

1 某煉鋼系統(tǒng)工藝流程及轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐留渣

1.1 某煉鋼系統(tǒng)工藝流程

某煉鋼系統(tǒng)主要以生產(chǎn)HRB400E、HRB500E等低合金熱軋螺紋鋼為主，基本設(shè)備包括包括公稱容量為100 t的頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐3套，110 t LF爐2套，8機(jī)8流165 mm×165 mm方坯鑄機(jī)1臺(tái)，其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

1.2 轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐留渣

爐齡是轉(zhuǎn)爐煉鋼的重要指標(biāo)，提高轉(zhuǎn)爐爐齡利于經(jīng)濟(jì)效益及生產(chǎn)效率的提高。將含有MgO成分的調(diào)渣劑加入到初期渣或終點(diǎn)渣中，將爐渣變黏是濺渣護(hù)爐的基本原理。利用氮?dú)鈬姶缔D(zhuǎn)爐終渣的濺渣護(hù)爐技術(shù)，出鋼結(jié)束后，將熔渣噴涂在轉(zhuǎn)爐襯磚的表面上，形成的保護(hù)層可以延長(zhǎng)爐齡，促進(jìn)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

圖1 煉鋼系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程圖

與其他技術(shù)相比，濺渣護(hù)爐的技術(shù)特點(diǎn)如下：

1）無需設(shè)備投入，利用氧槍和自動(dòng)控制系統(tǒng)完成。

2）使用部分轉(zhuǎn)爐鋼渣減少廢渣排放。

3）濺渣層可以重復(fù)使用，節(jié)約造渣劑用量，降低成本。

4）濺渣操作可在3 min左右完成，操作簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度低，且對(duì)正常的生產(chǎn)順序幾乎沒有影響。

5）濺渣護(hù)爐利用氮?dú)夂筒糠洲D(zhuǎn)爐鋼渣，投資小，成本低。

6）爐渣保護(hù)層均勻爐內(nèi)形狀變化小，且能夠提高爐齡，利于生產(chǎn)順行等。

1.3 基于濺渣過程氣化脫磷的原理和特點(diǎn)

轉(zhuǎn)爐內(nèi)對(duì)爐渣進(jìn)行處理是較先進(jìn)的方法。具體的，在轉(zhuǎn)爐濺渣時(shí)，向熔池內(nèi)加入適量硅或焦炭粉等還原劑，通過化學(xué)反應(yīng)脫除爐渣中的磷，使?fàn)t渣能在下一爐中繼續(xù)使用，就是以濺渣護(hù)爐留渣操作為基礎(chǔ)的氣化脫磷技術(shù)原理。

在濺渣操作過程中進(jìn)行氣化脫磷的特點(diǎn)：

1）利用氧槍在轉(zhuǎn)爐內(nèi)完成爐渣脫磷，不用增加設(shè)備。

2）在濺渣操作的過程中脫磷，動(dòng)力學(xué)條件良好，對(duì)正常的生產(chǎn)節(jié)奏無影響。

3）轉(zhuǎn)爐渣可循環(huán)使用，降低渣料消耗及廢渣的產(chǎn)生，且可利用其本身的熱能，節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率等。

選擇2017年2月—2018年6月我院收治的52例橈骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)內(nèi)骨折伴腕關(guān)節(jié)不穩(wěn)定患者為研究對(duì)象，所有患者和家屬均知情本研究并對(duì)此研究具知情權(quán)，簽訂研究同意書。對(duì)52例患者先X線診斷，再行CT診斷，對(duì)比兩組診斷結(jié)果，以此分析診斷準(zhǔn)確率。其中男24例，女28例；年齡25～68歲，平均（52.1±1.3）歲；13例為左側(cè)受損，21例為右側(cè)受損，18例為雙側(cè)受損。

2 氣化脫磷實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)前人已經(jīng)得出的理論依據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為了更好地研究氣化脫磷的影響因素，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

2.1 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

實(shí)驗(yàn)在HLLG1217型高溫電爐內(nèi)進(jìn)行，通過ARL9900型X-熒光光譜分析儀測(cè)定還原前后爐渣化學(xué)成分變化。首先，將渣樣及焦炭磨碎至190～200目放入外層套石墨MgO坩堝內(nèi)，做好準(zhǔn)備工作備用；第二，將裝有渣料的MgO坩堝放入額定電壓為380 V、最高加熱溫為1 700℃的HLLG1217型高溫電爐內(nèi)；第三，打開循環(huán)水對(duì)設(shè)備進(jìn)行冷卻保護(hù)，并啟動(dòng)爐子升溫；第四，考慮溫度、時(shí)間等會(huì)影響氣化脫磷的結(jié)果，故通過溫度控制系統(tǒng)設(shè)置加熱溫度及時(shí)間；第五，打開氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，將渣樣置于流動(dòng)氮?dú)夥罩?，同時(shí)考慮氮?dú)饬髁繒?huì)影響氣化脫磷的結(jié)果，通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)設(shè)置實(shí)驗(yàn)氮?dú)饬髁?；最后，取出爐渣并冷卻，測(cè)量并分析爐渣成分，計(jì)算氣化脫磷率。

脫磷率的計(jì)算方法：脫磷率η=[實(shí)驗(yàn)前轉(zhuǎn)爐渣樣中的w（P2O5）-實(shí)驗(yàn)后轉(zhuǎn)爐渣樣中的w（P2O5）]/實(shí)驗(yàn)前轉(zhuǎn)爐渣樣中的w（P2O5）×100%。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

針對(duì)承鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣，確定采用單因素實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)需在流動(dòng)的N2氣氛中完成，需提前將氣體準(zhǔn)備充足。實(shí)驗(yàn)中用Fe2O3代替FeO的配入量，用全鐵法進(jìn)行計(jì)算。通過文獻(xiàn)調(diào)研[4]，以溫度、FeO含量、堿度、氮?dú)饬髁繛樽兞?，并設(shè)置不同梯度，以考察各影響因素的影響情況。各因素梯度表如表1所示。

表1 各因素梯度表

實(shí)驗(yàn)用爐渣主要成分及含量為：w（CaO）=32.57%；w（MgO）=11.67%；w（SiO2）=10.20%；w（P2O5）=3.12%；w（FeO）=24.55%；w（Al2O3)=3.57%。為了減少爐渣中其他組分對(duì)脫磷效果造成的影響，根據(jù)調(diào)整相應(yīng)考察因素的原則調(diào)整樣品中各成分的比例。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)所用還原劑為焦炭，單因素實(shí)驗(yàn)各因素的脫磷率如表2、圖3所示。

表2 單因素實(shí)驗(yàn)各因素不同梯度變化下的脫磷率

圖3 各因素對(duì)氣化脫磷率的影響

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨溫度的升高，氣化脫磷率會(huì)有所上升。因?yàn)閺臒崃W(xué)角度看，碳還原爐渣中的磷是一個(gè)吸熱的反應(yīng)；從動(dòng)力學(xué)方面來看，溫度升高會(huì)對(duì)爐渣的粘度帶來影響。對(duì)于吸熱反應(yīng)來說溫度越高越能促進(jìn)其正向進(jìn)行，在升溫過程中具有粘流活化能的質(zhì)點(diǎn)數(shù)量會(huì)增多，使?fàn)t渣具有良好的流動(dòng)性，有利于反應(yīng)物與反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散。因此，隨溫度的升高而升高，氣化脫磷率會(huì)有所上升。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，提高出鋼溫度會(huì)加劇對(duì)爐襯的侵蝕、影響氧槍壽命以及增加鋼鐵料的消耗等，因此溫度也不可太高，需要結(jié)合實(shí)際，綜合考慮而確定。

隨FeO含量的升高，氣化脫磷率先有所上升，再有所下降，其中w（FeO）為24%時(shí)氣化脫磷率最高。其主要原因是粘度隨著FeO含量的增加而下降，使?fàn)t渣的流動(dòng)性變好，物質(zhì)間相互進(jìn)行傳輸擴(kuò)散的阻力下降，有利于氣化脫磷。然而，隨著FeO含量的繼續(xù)提高，CaO的百分比相應(yīng)的降低，不易形成穩(wěn)定的磷酸鹽，會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，因此隨FeO含量的升高，氣化脫磷率先有所上升，再有所下降。

隨著堿度的增加，氣化脫磷率有所降低。因?yàn)殡S著堿度的增加，CaO被連續(xù)地填加到爐渣里，P2O5的活度會(huì)受到抑制，同時(shí)還會(huì)將堿性比CaO弱的FeO替換出來，提高了鋼渣中自由FeO的含量，使?fàn)t渣變得黏稠，不利于氣化脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。

在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，氣化脫磷率隨氮?dú)饬髁康脑黾佣黾?。因?yàn)閺膭?dòng)態(tài)的化學(xué)反應(yīng)來看，改變反應(yīng)條件可以促進(jìn)所需要反應(yīng)的進(jìn)行，氮?dú)獾某掷m(xù)吹入可以帶走反應(yīng)產(chǎn)生的磷蒸汽，促進(jìn)氣化脫磷。

由此可見，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需謹(jǐn)慎選擇出鋼溫度，可以適當(dāng)提高爐渣中FeO的含量，使終渣的堿度適當(dāng)?shù)慕档?，適當(dāng)?shù)脑黾拥獨(dú)饬鳌?/p>

2.4 反應(yīng)后爐渣化學(xué)成分分析

實(shí)驗(yàn)在高溫電爐內(nèi)進(jìn)行，以碳粉為還原劑，向原始渣樣中配以1.2倍的碳當(dāng)量，使用N2作為保護(hù)氣體，取出爐渣并冷卻，測(cè)量并分析爐渣成分。本次共實(shí)驗(yàn)4次，反應(yīng)后爐渣化學(xué)成分如圖4所示。

由圖4可以看出，4組反應(yīng)后爐渣中各成分含量變化較穩(wěn)定。與原始渣樣相比（w（CaO）=32.57%；w（MgO）=11.67%；w（SiO2）=10.20%；w（P2O5）=3.12%；w（FeO）=24.55%；w（Al2O3）=3.57%），其中CaO、MgO、SiO2、Al2O3含量有所提高，P2O5、FeO含量有所降低，說明了以碳粉為還原劑對(duì)磷進(jìn)行氣化脫除時(shí)，可以較好地實(shí)現(xiàn)脫磷效果，濺渣后剩下的轉(zhuǎn)爐渣可繼續(xù)留在爐內(nèi)參與后續(xù)爐次的冶煉。但是，在反應(yīng)中，F(xiàn)eO也會(huì)被還原一部分，爐渣的黏度會(huì)相應(yīng)的提高，因此可減少調(diào)渣劑的加入量。

圖4 反應(yīng)后爐渣化學(xué)成分

3 結(jié)論

通過對(duì)轉(zhuǎn)爐終渣及氣化脫磷渣的分析可知，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需謹(jǐn)慎選擇出鋼溫度，可以適當(dāng)提高爐渣中FeO的含量，使終渣的堿度適當(dāng)?shù)慕档?，適當(dāng)?shù)脑黾拥獨(dú)饬?。將氣化脫磷渣進(jìn)行循環(huán)使用后，可減少造渣料石灰的消耗，可以提高金屬收得率，降低鋼鐵料的消耗浪費(fèi)，還可利用轉(zhuǎn)爐渣的余熱，減少能量的損失，節(jié)約生產(chǎn)成本，且鋼水中無磷的富集現(xiàn)象，對(duì)后續(xù)爐次的冶煉無影響，因此值得在鋼鐵工業(yè)中推廣實(shí)踐。