半鋼冶煉爐渣氣化脫磷實驗研究

李艷芳

（山西省呂梁市環境科學研究所，山西 呂梁033000）

近年來，作為我國經濟支柱的鋼鐵產業取得了很大的進步，但隨著經濟增長的同時，鋼鐵工業對資源的大量消耗和對環境造成的影響愈發凸顯。轉爐鋼渣是轉爐在煉鋼時排出的熔渣，是鋼鐵工業固體廢棄物的主要來源。根據統計資料顯示，當前我國轉爐鋼渣的積存量已經超過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，實際上轉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，則爐渣可以重復利用，有利于鋼鐵企業的發展。目前，轉爐渣的處理主要在爐外進行，這種處理方式存在一定的缺點[2]。氣化脫磷技術是在濺渣護爐留渣操作的基礎上完成的，不需要額外的設備投入，不需要額外的能量輸入，而且還能提供一定的熱量，促進冶煉前期化渣，是一種新的環保型的爐渣處理方法，對資源節約、環境友好型的新型鋼鐵工業生產具有重大意義[3]。

1 某煉鋼系統工藝流程及轉爐濺渣護爐留渣

1.1 某煉鋼系統工藝流程

某煉鋼系統主要以生產HRB400E、HRB500E等低合金熱軋螺紋鋼為主，基本設備包括包括公稱容量為100 t的頂底復吹轉爐3套，110 t LF爐2套，8機8流165 mm×165 mm方坯鑄機1臺，其生產工藝流程如圖1所示。

1.2 轉爐濺渣護爐留渣

爐齡是轉爐煉鋼的重要指標，提高轉爐爐齡利于經濟效益及生產效率的提高。將含有MgO成分的調渣劑加入到初期渣或終點渣中，將爐渣變黏是濺渣護爐的基本原理。利用氮氣噴吹轉爐終渣的濺渣護爐技術，出鋼結束后，將熔渣噴涂在轉爐襯磚的表面上，形成的保護層可以延長爐齡，促進生產的正常進行。

圖1 煉鋼系統生產工藝流程圖

與其他技術相比，濺渣護爐的技術特點如下：

1）無需設備投入，利用氧槍和自動控制系統完成。

2）使用部分轉爐鋼渣減少廢渣排放。

3）濺渣層可以重復使用，節約造渣劑用量，降低成本。

4）濺渣操作可在3 min左右完成，操作簡單，勞動強度低，且對正常的生產順序幾乎沒有影響。

5）濺渣護爐利用氮氣和部分轉爐鋼渣，投資小，成本低。

6）爐渣保護層均勻爐內形狀變化小，且能夠提高爐齡，利于生產順行等。

1.3 基于濺渣過程氣化脫磷的原理和特點

轉爐內對爐渣進行處理是較先進的方法。具體的，在轉爐濺渣時，向熔池內加入適量硅或焦炭粉等還原劑，通過化學反應脫除爐渣中的磷，使爐渣能在下一爐中繼續使用，就是以濺渣護爐留渣操作為基礎的氣化脫磷技術原理。

在濺渣操作過程中進行氣化脫磷的特點：

1）利用氧槍在轉爐內完成爐渣脫磷，不用增加設備。

2）在濺渣操作的過程中脫磷，動力學條件良好，對正常的生產節奏無影響。

3）轉爐渣可循環使用，降低渣料消耗及廢渣的產生，且可利用其本身的熱能，節約能源，提高生產效率等。

選擇2017年2月—2018年6月我院收治的52例橈骨遠端關節內骨折伴腕關節不穩定患者為研究對象，所有患者和家屬均知情本研究并對此研究具知情權，簽訂研究同意書。對52例患者先X線診斷，再行CT診斷，對比兩組診斷結果，以此分析診斷準確率。其中男24例，女28例；年齡25～68歲，平均（52.1±1.3）歲；13例為左側受損，21例為右側受損，18例為雙側受損。

2 氣化脫磷實驗研究

根據前人已經得出的理論依據及實驗結果，為了更好地研究氣化脫磷的影響因素，進行如下實驗：

2.1 實驗方法與步驟

實驗在HLLG1217型高溫電爐內進行，通過ARL9900型X-熒光光譜分析儀測定還原前后爐渣化學成分變化。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，做好準備工作備用；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；第三，打開循環水對設備進行冷卻保護，并啟動爐子升溫；第四，考慮溫度、時間等會影響氣化脫磷的結果，故通過溫度控制系統設置加熱溫度及時間；第五，打開氮氣進行保護，將渣樣置于流動氮氣氛中，同時考慮氮氣流量會影響氣化脫磷的結果，通過轉子流量計設置實驗氮氣流量；最后，取出爐渣并冷卻，測量并分析爐渣成分，計算氣化脫磷率。

脫磷率的計算方法：脫磷率η=[實驗前轉爐渣樣中的w（P2O5）-實驗后轉爐渣樣中的w（P2O5）]/實驗前轉爐渣樣中的w（P2O5）×100%。

實驗裝置示意圖如圖2所示。

圖2 實驗裝置示意圖

2.2 實驗方案

針對承鋼轉爐鋼渣，確定采用單因素實驗進行驗證。實驗需在流動的N2氣氛中完成，需提前將氣體準備充足。實驗中用Fe2O3代替FeO的配入量，用全鐵法進行計算。通過文獻調研[4]，以溫度、FeO含量、堿度、氮氣流量為變量，并設置不同梯度，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

實驗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脫磷效果造成的影響，根據調整相應考察因素的原則調整樣品中各成分的比例。

2.3 實驗結果與分析

實驗所用還原劑為焦炭，單因素實驗各因素的脫磷率如表2、圖3所示。

表2 單因素實驗各因素不同梯度變化下的脫磷率

圖3 各因素對氣化脫磷率的影響

從實驗結果可以看出，隨溫度的升高，氣化脫磷率會有所上升。因為從熱力學角度看，碳還原爐渣中的磷是一個吸熱的反應；從動力學方面來看，溫度升高會對爐渣的粘度帶來影響。對于吸熱反應來說溫度越高越能促進其正向進行，在升溫過程中具有粘流活化能的質點數量會增多，使爐渣具有良好的流動性，有利于反應物與反應產物的擴散。因此，隨溫度的升高而升高，氣化脫磷率會有所上升。但在實際生產過程中，提高出鋼溫度會加劇對爐襯的侵蝕、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，需要結合實際，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，使爐渣的流動性變好，物質間相互進行傳輸擴散的阻力下降，有利于氣化脫磷。然而，隨著FeO含量的繼續提高，CaO的百分比相應的降低，不易形成穩定的磷酸鹽，會發生分解反應，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。因為隨著堿度的增加，CaO被連續地填加到爐渣里，P2O5的活度會受到抑制，同時還會將堿性比CaO弱的FeO替換出來，提高了鋼渣中自由FeO的含量，使爐渣變得黏稠，不利于氣化脫磷反應的進行。

在實驗范圍內，氣化脫磷率隨氮氣流量的增加而增加。因為從動態的化學反應來看，改變反應條件可以促進所需要反應的進行，氮氣的持續吹入可以帶走反應產生的磷蒸汽，促進氣化脫磷。

由此可見，在實際生產過程中，需謹慎選擇出鋼溫度，可以適當提高爐渣中FeO的含量，使終渣的堿度適當的降低，適當的增加氮氣流。

2.4 反應后爐渣化學成分分析

實驗在高溫電爐內進行，以碳粉為還原劑，向原始渣樣中配以1.2倍的碳當量，使用N2作為保護氣體，取出爐渣并冷卻，測量并分析爐渣成分。本次共實驗4次，反應后爐渣化學成分如圖4所示。

由圖4可以看出，4組反應后爐渣中各成分含量變化較穩定。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磷進行氣化脫除時，可以較好地實現脫磷效果，濺渣后剩下的轉爐渣可繼續留在爐內參與后續爐次的冶煉。但是，在反應中，FeO也會被還原一部分，爐渣的黏度會相應的提高，因此可減少調渣劑的加入量。

圖4 反應后爐渣化學成分

3 結論

通過對轉爐終渣及氣化脫磷渣的分析可知，在實際生產過程中，需謹慎選擇出鋼溫度，可以適當提高爐渣中FeO的含量，使終渣的堿度適當的降低，適當的增加氮氣流。將氣化脫磷渣進行循環使用后，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，還可利用轉爐渣的余熱，減少能量的損失，節約生產成本，且鋼水中無磷的富集現象，對后續爐次的冶煉無影響，因此值得在鋼鐵工業中推廣實踐。