CaO-SiO2-FeO-P2O5渣系脫磷影響因素的研究

袁林華，蘇暢，呂寧寧

（1沈陽東大冶金科技股份有限公司，遼寧沈陽 110819；2東北大學材料與冶金學院，遼寧沈陽 110819）

試驗研究

CaO-SiO2-FeO-P2O5渣系脫磷影響因素的研究

袁林華1，蘇暢2，呂寧寧2

（1沈陽東大冶金科技股份有限公司，遼寧沈陽 110819；2東北大學材料與冶金學院，遼寧沈陽 110819）

為了提高轉爐渣中CaO的利用率，降低轉爐渣的堿度，通過試驗研究了CaO粒度、粒狀CaO的加入比例、溫度和保溫時間對含磷富集相的影響。結果表明，適當增大CaO的粒度有利于2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體的形成；當渣中粒狀CaO的含量較低時，增加粒狀CaO的加入比例，可促進渣中大顆粒固溶體的形成并減少渣中磷的含量，但當粒狀CaO的含量較高時，2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體生成量減少；適當提高溫度有利于脫磷反應的進行；隨反應時間的延長，2CaO· SiO2-3CaO·P2O5固溶體的粒徑增大，而且固溶體中磷的含量也不斷增加。

CaO-SiO2-FeO-P2O5渣系；CaO粒度；溫度；保溫時間；磷富集相

1 前言

轉爐脫磷的主要方式是將磷以P2O5的形式富集到鋼渣中，磷在渣中主要以3CaO·P2O5的形式存在于2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體（磷富集相）中［1］，當CaO顆粒熔解進入渣中時，2CaO·SiO2便很快在CaO顆粒周圍形成，渣中的磷向2CaO·SiO2顆粒轉移的速率非常快，且在5 s內便形成了2CaO·SiO2-3CaO· P2O5固溶相［2］。因此，CaO顆粒的大小、加入量及高溫時的熔解行為對爐渣的脫磷能力影響較大。從熱力學角度看，P2O5屬于酸性氧化物，CaO等堿性氧化物能降低其活度，堿度越高，渣中CaO的有效濃度越高，其磷容量越大，脫磷越完全［3-4］。但一味追求高堿度勢必會帶來以下問題：1）渣的熔點升高，導致CaO很難在短時間內熔解進入液態渣；2）堿度過高會導致渣中存在大量的活性CaO，使CaO得不到充分利用；3）堿度過高會影響轉爐渣的流動性，從而惡化脫磷的動力學條件。

為了提高轉爐渣中CaO的利用率進而降低冶煉成本，本研究在前人研究的基礎上，分析了低堿度條件下CaO粒度及加入比例、保溫時間和溫度對渣中磷富集相生成的影響，對提高渣中CaO的利用率，降低轉爐渣的堿度具有重要意義。

2 試驗方法

2.1 渣樣的制備

本試驗以純化學試劑CaO、SiO2、3CaO·P2O5、C2FeO4·2H2O為原料。表1示出了試驗所用合成渣的成分組成。

表1 試驗用渣的成分組成

2.2 試驗過程

根據表1中各化合物的成分組成稱量試劑，在球磨罐中充分混合均勻，之后將渣樣放入外套石墨坩堝的剛玉坩堝中，置于高溫管式爐中，于氬氣氣氛下以4℃/min的速度升溫至預定溫度進行熔融。管內溫度由PID溫度儀控制，管式爐上端有開口用于取樣。加熱過程中，以1 L/min的速度向爐內通入氬氣保護。達到試驗溫度保溫一定時間后，用鋼棒蘸取渣樣，并用氬氣對試樣進行快速冷卻。

2.3 檢測與分析

將不同溫度、不同時間取出的試樣用樹脂固定，逐級磨、拋，并噴金（碳）進行制樣。然后用SSX-550掃描電鏡（SEM）觀察試樣的表面，同時借助附帶電子探針的能譜儀（EDS）對渣樣中各物相的元素含量進行分析。

3 試驗結果與討論

3.1 CaO粒度對P2O5富集相的影響

由表1可知，1#渣中CaO的粒度為0～1 mm，2#中CaO的粒度為1～2 mm，5#中CaO的粒度為3～4 mm。圖1和表2分別示出了1#、2#和5#渣樣在1 350℃下保溫600 s后的SEM圖以及物相的能譜分析結果。

由圖1和表2可知，深灰色部分的物相為2CaO· SiO2-3CaO·P2O5（C2S-C3P）固溶體，而淺灰色部分為渣的基質相。隨著CaO粒度的增大，渣中2CaO· SiO2-3CaO·P2O5固溶體的粒度呈增大的趨勢，而且固溶體中磷的含量也逐漸升高。這是由于大粒度的CaO與熔渣的接觸面積也大，能夠吸收更多的磷進入CaO中。這一結果說明，適當增大CaO的粒度有利于2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體的形成。

圖1 不同渣樣在1 350℃下保溫600 s后的SEM圖像

表2 1#、2#和5#渣樣中各物相的能譜分析結果

3.2 粒狀CaO加入比例對P2O5富集相的影響

考慮了粒狀CaO的3種加入比例（5%、10%和15%）對2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體的影響。圖2和表3分別示出了加入不同比例粒狀CaO的渣樣在1 350℃下保溫600 s后的SEM圖像以及物相的能譜分析結果。

圖2 6#、7#渣樣在1 350℃下保溫600 s后的SEM圖像

結合圖1c，由圖2和表3可知，當粒狀CaO的含量＜10%時，隨粒狀CaO加入比例的增大，渣中2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體的粒度有增大的趨勢，固溶體中的磷含量亦有增加的趨勢，而基質渣中的磷含量則呈減少的趨勢。但當粒狀CaO的含量為15%時，2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體的粒度減小，固溶體中的磷含量減少。以上結果說明，當渣中粒狀CaO的含量較低時，增加粒狀CaO的加入比例，可促進渣中大顆粒固溶體的形成并減少渣中磷的含量；但當粒狀CaO的含量較高時，CaO很難溶解進入液相渣中，導致2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體生成量減少。

表3 6#、7#渣樣中各物相的能譜分析結果

3.3 溫度對P2O5富集相的影響

本試驗分別考察了1 350℃和1 400℃下，溫度對渣樣中含磷固溶體的影響。圖3和表4分別示出了3#渣樣在1 350℃下保溫不同時間的SEM圖以及物相的能譜分析結果。圖4和表5分別示出了3#渣樣在1 400℃下保溫不同時間的SEM圖以及物相的能譜分析結果。

由圖3和圖4可知，1 400℃時熔渣中2CaO· SiO2-3CaO·P2O5固溶體的磷含量要高于1 350℃時的含量，說明適當提高溫度有利于脫磷反應的進行。這主要是由于溫度升高后，熔渣的黏度降低，從而改善了磷向CaO中擴散傳質的動力學條件。但由于脫磷反應為放熱反應，溫度過高會不利于脫磷反應的進行。

3.4 保溫時間對P2O5富集相的影響

圖5和表6分別示出了4#渣樣在1 350℃下保溫不同時間的的SEM圖以及物相的能譜分析結果。

由圖5和表6可知，隨著反應時間的延長，2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體的粒徑有增大的趨勢，而且固溶體中磷的含量也不斷增加。這是由于在反應初期，熔渣的黏度較大，磷在渣中的擴散阻力較大，隨著反應時間的延長，2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體中的磷會不斷累積而增多，而液相渣中的磷含量則不斷降低。

圖3 3#渣樣在1 350℃下保溫不同時間的SEM圖像

表4 1350℃下3#渣樣中各物相的能譜分析結果

圖4 3#渣樣在1 400℃下保溫不同時間的SEM圖像

表5 1400℃下3#渣樣中各物相的能譜分析結果

圖5 4#渣樣在1 350℃下保溫不同時間的SEM圖像

表6 4#渣樣中各物相的能譜分析結果

4 結論

4.1 適當增大CaO的粒度，有利于2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體的形成。當渣中粒狀CaO的含量較低時，增加粒狀CaO的加入比例可促進渣中大顆粒固溶體的形成并減少渣中磷的含量；但當粒狀CaO的含量較高時，CaO很難熔解進入液相渣中，導致2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體生成量減少。

4.2 1400℃時熔渣中2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體的磷含量要高于1 350℃時的含量，說明適當提高溫度有利于脫磷反應的進行。

4.3 隨著反應時間的延長，2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體的粒徑有增大的趨勢，而且固溶體中磷的含量也不斷增加。

［1］Hamano T,Fukagai S.Reaction Mechanism between Solid CaO and FeOx-CaO-SiO2-P2O5Slag at 1 573 K［J］.ISIJ International， 2006，46（4）：490-495.

［2］Suito H,Inoue R.Beahavior of phosphorours transfer from CaO-FetO-P2O5（-SiO2）slag to CaO particles［J］.ISIJ International，2006，46（2）：99-104.

［3］Hamano T,Horibe M.The Dissolution Rate of Solid Lime into Molten Slag Used for Hot-metal Dephosphorization［J］.ISIJ International，2004，44（2）：263-267.

［4］Yang J,Kuwabara M,Asano T,etal.Effect of Lime Particle Size on Melting Behavior of Lime-containing Flux［J］.ISIJ International，2007，47（4）：1 401-1 408.

Research on theInfluenceFactorsof Dephosphorization in CaO-SiO2-FeO-P2O5Slag

YUAN Linhua1,SU Chang2,Lü Ningning2
（1 Northeastern University Metallurgical Technology Institute Company Limited,Shenyang 110819,China; 2 School of Materials and Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,China）

For improving the efficiency of CaO and decreasing the basicity of converter,the effects of CaO particles,holding time and temperature on the formation of phosphor enrichment phase were investigated in this paper.The results showed that increasing the particle size of CaO properly was beneficial to the formation of 2CaO·SiO2-3CaO·P2O5solid solution.When the granular CaO is low in slag,increasing the proportion of granular,CaO could promote the formation of 2CaO·SiO2-3CaO·P2O5solid solution,but the 2CaO·SiO2-3CaO·P2O5solid solution decreased when the granular CaO is high in slag.Increasing the temperature properly was beneficial to the dephosphorization reaction.Prolonging the reaction time could enlarge the size of 2CaO·SiO2-3CaO·P2O5solid solution and improve the content of phosphorus in 2CaO·SiO2-3CaO·P2O5solid solution.

CaO-SiO2-FeO-P2O5slag;CaO particle sizes;temperature;holding time;phosphor enrichment phase

TF704.4

：A

：1004-4620（2014）01-0038-04

2013-11-06

袁林華，男，1962年生，1983年畢業于東北大學冶金工程專業。現為沈陽東大冶金科技股份有限公司工程師，從事冶金輔料等的研究工作。