轉(zhuǎn)爐塵泥碳酸化造渣劑的脫磷分析★

張志霞

（六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553000）

國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人在2020年9月聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出了“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”的目標(biāo)，我國(guó)二氧化碳的減排壓力更趨嚴(yán)峻。作為排碳大戶的鋼鐵業(yè)，自然需積極響應(yīng)號(hào)召、努力減排。將鋼鐵廠的各種含鐵塵泥采用碳酸化制成球團(tuán)，并將其用作轉(zhuǎn)爐煉鋼的冷卻劑和化渣劑，既能實(shí)現(xiàn)塵泥利用、減少CO2的排放，又可代替部分造渣劑石灰和冷卻劑廢鋼，不失為一條同時(shí)可實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)固廢綜合利用和減排的新路徑。

1 塵泥碳酸化球團(tuán)的過程

通過將堿性氧化物轉(zhuǎn)化為碳酸鹽以捕獲CO2，這種方式作為減少CO2排放的新技術(shù)，已應(yīng)用于能源儲(chǔ)存、燃煤鍋爐尾氣處理、煤氣化制氫等領(lǐng)域[1-2]。

塵泥碳酸化球團(tuán)，就是在含鐵塵泥中配入一定比例的石灰后壓制成球，再將生球置于某濃度的CO2氛圍中進(jìn)行反應(yīng)，而后得到具備一定強(qiáng)度的碳酸化球團(tuán)。其成球的基本原理是配入的石灰經(jīng)水潤(rùn)后形成Ca（OH）2膠體，附著在粉塵顆粒的表面，制得的生球就具備了一定的強(qiáng)度，即石灰起到了固結(jié)劑的作用。碳酸化反應(yīng)時(shí)，生球內(nèi)的消石灰吸收CO2，形成碳酸鈣，使得顆粒固結(jié)在一起。

目前我國(guó)鋼鐵業(yè)研究的碳酸化固結(jié)工藝相對(duì)較少。河北聯(lián)合大學(xué)的胡長(zhǎng)慶等人[3-4]進(jìn)行了該方面研究，指出：利用含鐵粉塵制備碳酸化球團(tuán)的工藝簡(jiǎn)單、操作方便、加工費(fèi)低廉等特點(diǎn)，可將其應(yīng)用于處理粒度極細(xì)的粉塵方面。

2 碳酸化造渣劑的脫磷分析

在轉(zhuǎn)爐冶煉開始前加入碳酸化球團(tuán)，冶煉時(shí)其內(nèi)的碳酸鈣發(fā)生分解，所產(chǎn)生的二氧化碳會(huì)使熔池?cái)嚢杓觿?，有利于爐渣泡沫化，從而快速增大渣-金接觸面積。與僅采用石灰作為造渣劑相比，因碳酸化球團(tuán)的w（TFe）高，可提高爐渣的（尤其是初渣）w（FeO），從而提高氧化性，降低爐渣黏度。爐渣流動(dòng)性得到改善后，鋼液、爐渣內(nèi)的傳質(zhì)加快，提高了爐渣在石灰中的滲透能力。且FeO破環(huán)了石灰溶解過程中致密的2CaO·SiO2，進(jìn)一步加快了CaO的溶解速度。即不管從熱力學(xué)方面，還是動(dòng)力學(xué)方面，碳酸化球團(tuán)都有利于轉(zhuǎn)爐內(nèi)的脫磷反應(yīng)。

2.1 堿度方面分析

根據(jù)脫磷反應(yīng)的熱力學(xué)分析可知：高堿度是提高脫磷效率的條件之一。曹東等人在造渣制度影響轉(zhuǎn)爐深脫磷實(shí)驗(yàn)研究中得到堿度與脫磷率之間的關(guān)系[5]，如圖1所示。

圖1 堿度與脫磷率的關(guān)系

由圖1可知：當(dāng)堿度在2.5～3.7之間時(shí)，脫磷率隨著堿度的增加而增大；當(dāng)堿度大于3.7時(shí)，脫磷率隨著堿度的增加而減小。脫磷率與堿度并不完全符合正比關(guān)系，因過高的堿度會(huì)使?fàn)t渣的流動(dòng)性變差，從而影響脫磷效果。

采用碳酸化固結(jié)造渣劑配合其他物料進(jìn)行轉(zhuǎn)爐煉鋼，可以將爐渣堿度控制在3.2～3.7，從而使脫磷率穩(wěn)定在85%以上。

2.2 孔隙度方面分析

造渣劑的氣孔率和體積密度對(duì)造渣劑的熔解速度有著極大的影響。氣孔率大和體積密度小的造渣劑進(jìn)入轉(zhuǎn)爐，爐內(nèi)的熔渣會(huì)迅速地沿造渣劑的孔隙和裂縫向內(nèi)部滲透，使熔渣和造渣劑間的接觸面積顯著增大，從而加快成渣。

分別選取200℃、400℃、600℃、800℃四個(gè)溫度進(jìn)行碳酸化反應(yīng)，其中S1、S2、S3分別表示CaO配比為20%下的2 000 N、3 000 N、4 000 N的壓塊試樣。當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí)，不同反應(yīng)溫度下碳酸化球團(tuán)的孔隙度如圖2所示。

圖2 不同反應(yīng)溫度下碳酸化球團(tuán)的孔隙度

碳酸化球團(tuán)作造渣劑，有著相對(duì)比較合適的氣孔率和體積密度（活性石灰的孔隙度為30%～40%）。將此造渣劑加入爐內(nèi)后，熔渣與其具有很大的接觸面積，利于造渣反應(yīng)的進(jìn)行，所以相應(yīng)的化渣速度也比較快，可進(jìn)一步影響渣量，進(jìn)而有利于鐵水中磷的脫除。

2.3 w（FeO）方面分析

在堿性渣中，F(xiàn)eO會(huì)破壞爐渣中的2CaO·SiO2，從而可改善爐渣對(duì)石灰的潤(rùn)濕程度，同時(shí)還可提高爐渣向石灰縫隙滲透的能力，促進(jìn)石灰溶解，進(jìn)而較早獲得性能較好（高堿度高氧化性）的爐渣。

FeO能顯著降低爐渣黏度，進(jìn)而改善石灰的外部傳質(zhì)，加快脫磷速度。

由于碳酸化固結(jié)造渣劑以轉(zhuǎn)爐塵泥和CaO為主要原料，且所使用的粉塵中w（TFe）高達(dá)60%左右，因此，此造渣劑含鐵高，有利于轉(zhuǎn)爐脫磷。

3 結(jié)論

1）爐渣氧化脫磷的主要熱力學(xué)因素有溫度、爐渣堿度、爐渣氧化性。

2）脫磷是渣-金界面反應(yīng)，故脫磷效果由爐渣的脫磷能力和渣量決定。在脫磷能力一定時(shí)，渣量越大，脫磷率越大，但加大的渣量是有限度的。

3）由氧化脫磷的動(dòng)力學(xué)可知：影響脫磷反應(yīng)速率的主要因素是溫度和爐渣的流動(dòng)性。

4）從堿度、孔隙度、w（FeO）三方面分析得知，使用碳酸化固結(jié)造渣劑可促進(jìn)轉(zhuǎn)爐脫磷，還可以減少鋼鐵料、氧氣和石灰等的消耗。