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高磷铁水预处理环保脱磷渣系的相图计算和实验研究

来源:飒榕旅游知识分享网
第34卷第6期 2011年12月 武汉科技大学学报 Vo1.34。No.6 Dec.2011 Journal of Wuhan University of Science and Technology 高磷铁水预处理环保脱磷渣系的 相图计算和实验研究 毕学工,罗松志,杨福 (武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室,湖北武汉,430081) 摘要:采用Factsage 软件对以B203、K 2 O、MnO2、TiO 2代替CaF2助熔的4种高磷铁水预处理脱磷渣系 在1 623 K时的相图进行计算,发现相图中的多数区域都有液态渣出现。根据计算相图制定脱磷实验的配渣 方案,实验过程中观察到的化渣情况与计算相图提供的信息基本一致。 关键词:脱磷渣;高磷铁水;脱磷预处理;相图计算;Factsage 软件 中图分类号:TF704.4 文献标志码:A 文章编号:l674—3644(2011)06—0401—04 近年来,国外高品位优质铁矿石的价格持续 理脱磷的特点,同时考虑到资源、成本和方便废渣 上涨,给我国钢铁企业带来很大的成本压力。我 作为化肥回收利用等因素口。],笔者所在的研究小 国有大量高磷铁矿可供开采利用,但在目前的选 组从若干种卤化物替代物中初步筛选出K。O、 矿技术水平下,搭配使用高磷铁矿冶炼得到的铁 B2 0。、MnO。和TiO 等作为助熔剂,对高磷铁水 水磷含量达到0.35 ~0.50 或更高,不适于直 脱磷渣的性能进行了探索性实验并取得了一些初 接兑人转炉炼钢。为了减少转炉的渣量,降低生 步成果[4],但由于在文献中查找不到含这些替代 产成本,同时又有利于转炉渣返回高炉使用且不 物的体系相图资料,在制定配渣方案时缺少理论 增加铁水中的磷含量,需要对高磷铁水进行脱磷 指导,使得试验结果不够理想,特别是在同时采用 预处理。目前,国内主要采用含CaF:的脱磷剂 K2 O和B2 O3代替CaF2时。 进行铁水预处理脱磷,其脱磷效果虽然较好,但污 考虑到单一液相区内的脱磷剂化渣情况良 染环境,且产生的渣量较大口]。因此,新型高效环 好,熔渣黏度比较小,脱磷动力学条件较好,有利 保铁水预处理脱磷剂的研究非常重要。本文应用 于脱磷反应的迅速进行,因此可以通过对高磷铁 Factsage丁M热力学计算软件对几种可能的环保脱 水预处理脱磷渣系的相图计算,明确其可能存在 磷剂的相图进行计算,并根据计算结果进行脱磷 的单一液相区以及脱磷剂成分的合适范围,从而 实验研究。 为制定实验方案提供理论依据。 1 相图计算目的与方法 FactsageTM热力学计算软件将计算机技术与 热力学理论相结合,可以对各种反应体系的热力 铁水脱磷预处理适宜温度约为1 350℃,为 学性质进行分析和评估,计算并画出体系相图__s]。 保证必要的脱磷动力学条件,选用的渣系要能在 为此,本文采用FactsageTM计算和绘制几种可能 1 350℃左右较好地熔化。对磷含量达到0.35 的环保脱磷渣系相图,以获得不同区域的生成物 ~0.50 或更高的铁水而言,为减少铁水温降和 种类及单一液相区等信息。 预处理成本,对渣的熔化性能提出了更高的要求。 工业生产中钙基脱磷剂一般采用CaF。和 2环保脱磷渣系的相图计算 CaC1。助熔,并且CaC1 与CaF 联合使用时助熔 2.1 CaO-B2O3系 效果最好。但CaC1 容易潮解,潮解后其不仅失 对CaO—B O。二元系进行相图计算,将计算 去助熔能力,还释放出有毒的氯气,从而限制了 结果与根据实验结果绘制的相图l6]进行对比,如 CaC1。在实际生产中的应用。针对高磷铁水预处 图1所示。由图1可见,计算相图与实测相图十 收稿日期:201l_O3~24 基金项目:国家科技支撑计划资助项目(2007BAB15B04). 作者简介:毕学工(1945一),男,武汉科技大学教授,博士生导师.E—mail:xuegong@public.wh.hb.cn 武汉科技大学学报 2011年第6期 分相似。 图2可见,此温度下该渣系存在3CaO・Bz O。、 CaO和尖晶石3种固态物质,除区域(1)外,其他 各个区域均有液相存在,而且在7/.J(Fe O )/ 训(CaO)为1.6~5.9的范围内为单一液相区,即 区域(5)。  『lf (a)计算相图 () f)9 ()8 f)7 0.6 ()4 『】3 0,2 f1lI l} ” wf (1 J (1)3Ca()・B2O3(S)+CaO(s);(2)3Ca()・B2【】 (s)+ CaO(s)+液相;(3)Ca()(s)+液相;(4)3Ca()・B2() (s) +液相;(5)液相;(6)液相+B2O。(1);(7)尖晶石+液 相。 图2 1 623 K时的CaO—Fe304一B203系计算相圈 Fig。2 Computed phase diagram of CaO。Fe3 04‘B2 03 system (b)实测相图 at 1 623 K 图1 CaO—B:03系计算相图和实测相图的对比 Fig.1 Comparison of computed and measured phase dia。 在图2中沿直线1选择3个点(由上至下编 号为1、2、3)、沿直线2选择4个点(由上至下编 号为4、5、6、7),以各点对应的CaO、Fe () 和 grams of CaO—B2 03 system 2.2 CaO—Fe3O4-B2O3系 CaO—Fe。0 一B 0。系脱磷渣中,Fe。() 是氧 化剂,Ca()是固定剂,B。O。是助熔剂。图2为 B。()。三种组分的质量分数作为配制脱磷剂的依 据,进行铁水脱磷预处理实验。各组实验的脱磷 剂配制方案和实验结果见表1。 1 623 K时CaO—Fe。O 一B。O。系的计算相图。由 表1脱磷剂配制方案及其脱磷率 Table 1 Blending scheme of dephOsphOrizati0n agents and deph0sphorizati0n rates 目 Fe30 4利用率 CaO利用率 w(B203) / / / Ⅲ(Fe304) ,。/ 初始磷含量 / 最终磷含量 / 脱磷率 / m(Fe3O 4+CaO) 由图2可见,炉号1、2、4对应的渣系处于固 磷实验配渣方案的制定具有较高的参考价值。另 外,由表1可见,化渣情况较好炉次的脱磷率均高 于化渣情况较差炉次的脱磷率,这表明脱磷剂化 渣良好有利于改善脱磷效果。 2.3 CaO-Fe3O4-MnO2系 体CaO和液相共存的区域(3)中,炉号3、5、6、7 中的渣系处于仅有液相存在的区域(5)中;与炉号 1相比,炉号2中的渣系更接近单一液相区(5)。 在脱磷实验过程中观察到,炉号3、5、6、7的化渣 情况优于炉号1、2、4,而炉号2的化渣情况又优 于炉号1。这表明计算相图对高磷铁水预处理脱 图3为1 623 K时Ca()一Fe。O 一Mn()2系的 计算相图。由图3可见,此温度下该渣系存在 2011年第6期 毕学工,等:高磷铁水预处理环保脱磷渣系的相图计算和实验研究 403 CaO、CaO 2、2CaO・Fe2O3和MnO2等固态化合 物以及方铁锰矿、尖晶石与金刚砂等矿物。除区 域(1)、(2)、(13)、(19)和(20)以外,其他各个区域 中均有液相生成。在训(Fe。O )/w(CaO)为1.6 ~5.9和0<w(MnO )<0.25的范围内为单一 液相区,即区域(8)。 f:no Fe O4 MnO, 州} l'l 】(1)CaO(s)4-CaO2(s);(2)CaO(s)+CaO2(s)+2CaO・ Fe2O3(s);(3)液相4-CaO(s)+CaO z(s)4-2CaO・ Fe2O3(s);(4)液相4-CaO(s)+CaO 2(s);(5)液相+CaO (s)+CaO2(s)4-方铁锰矿;(6)液相+CaO(s);(7)液相 +CaO(s)4-2CaO・Fe2O3(s);(8)液相;(9)液相+2CaO ・Fe2O3(s);(1O)液相+CaO2(s)+2CaO・ Fe2O3(s); (11)液相+CaO。(s);(12)液相+CaO2(s)4-方铁锰矿; (13)CaO 2(s)+MnO (s)+方铁锰矿;(14)液相+尖晶 石;(15)液相+尖晶石+金刚砂;(16)液相+金刚砂; (17)液相+CaO (s)+金刚砂;(18)液相4-CaO (s)4-金 刚砂+方铁锰矿;(19)CaOz(s)+金刚砂+方铁锰矿+ 尖晶石;(2O)CaO。(s)4-MnO (s)4-方铁锰矿+尖晶石。 圈3 1 623 K时的CaO-Fe304-MnO2系计算相图 Fig.3 Computed phase diagram of CaO—Fe3 04‘MnO2 sys’ tern at 1 623 K 2.4 CaO-Fe304一K2o系 图4为1 623 K时CaO—Fe。0 一K 0系的计 算相图。由图4可见,此温度下该渣系存在CaO 和尖晶石两种固态物质。各个区域均有液相生 成,在w(Fe。0 )/w(CaO)为1.6~5.9的范围内 为单一液相区,即区域(2)。 2.5 CaO—Fe3O4一TiO2系 图5为1 623 K时的CaO—Fe3 O 一TiO2系计 算相图。由图5可见,此温度下该渣系存在 CaO、3CaO・2TiO2、2Ca0・Fe2 O3、3CaO・ Ti2 O。、5CaO・4TiO。和CaO・TiO。等6种固态 化合物以及尖晶石和金红石两种矿物。除区域 (1)、(2)以外,其他各个区域均有液相生成,在 w(Fe。O )/w(CaO)大于32.3的非常小的范围 内才存在单一液相,即区域(17)。 CaO 0 5 0.4 0 3 0 2 01 K 0 w(Fe f)j (1)CaO(s)4-液相;(2)液相;(3)尖晶石+液相。 图4 1 623 K时的CaO-Fe3O4-K2O系计算相图 Fig.4 Computed phase diagram of CaO_Fe3 04。K2 O system at 1 623 K CaO 0 Tj0 w ^O0 (1)Ca0(s)+3CaO・2TiO2(s);(2)CaO(s)+3CaO・ 2TiO2(s)4-2CaO・Fe2O 3(s);(3)液相+CaO(s)+ 3CaO・2TiO2(s)+2CaO・Fe2O3(s);(4)液相4-CaO (s)4-3Ca0・2TiO2(s);(5)液相+CaO(s)+3Ca0・ 2TiO2—3Ca0・Ti2O3;(6)液相4-3CaO・2Ti02—3CaO・ Ti2O3;(7)液相+3Ca0・2Ti02(s);(8)液相+3Ca0・ 2TiO 2(s)4-5Ca0・4TiO2(s);(9)液相+5CaO・4TiO2 (s);(10)液相4-CaO・Ti02(s)+5Cao・4TiO2(s); (11)液相4-CaO・TiO2(s);(12)液相+尖晶石;(13)液 相+CaO・TiO2(s)+尖晶石;(14)液相+CaO・TiO2 (s);(15)液相+CaO・TiO2(s)+金红石;(16)液相+ 尖晶石;(17)液相;(18)液相+金红石。 图5 1 623 K时的CaO—Fe3 04・Ti02系计算相图 Fig.5 Computed phase diagram of CaO-重 04-Ti40 sys- tern at l 623 K 404 武汉科技大学学报 2011年第6期 3 结论 (1)对于CaO—Fe。O 一B2O。渣系,在1 623 K 石、金红石等固态物质,少数区域没有液相生成, 在叫(Fe。O )/w(CaO)大于32.3非常小的范围 内才存在单一液相。 参 考 文 献 毕学工,周进东,黄治成,等.高磷铁矿脱磷工艺研 究现状[J].河南冶金,2007,15(6):3-7. 赵启文,屠兰英.含硼专用肥及其制备[J .盐湖研 究,1999,7(4):73—75. 时存在3CaO・B。O。、CaO和尖晶石3种固态物 质,大部分区域都有液相生成,在 (Fe。O ) 砌(caO)为1.6~5.9的范围内为单一液相。 (2)对于CaO—Fe。O 一K O渣系,在1 623 K 时存在CaO和尖晶石两种固态物质。各个区域 均有液相生成,在仉.(Fe。0 )/w(CaO)为1.6~ 5.9的范围内为单一液相。 (3)对于CaO~Fe。O 一MnO 渣系,在1 623 K [3] 沈建国,郭春媛,于景坤,等.脱硅渣合成钾肥的溶 出特性[J].东北大学学报:自然科学版,2005.26 (3):263-265. 时存在caO、caO2、2CaO・Fe2 O3、MnO2、尖晶 石、方铁锰矿和金刚砂等固态物质,少数区域没有 液相生成,在叫(Fe。O )/w(CaO)为1.6~5.9和 杨福,毕学工,周进东.助熔剂种类与配比对高磷铁 水脱磷渣高温性能的影响[J].武汉科技大学学报. 201o,33(5):482-485. O<叫(MnO )<0.25的范围内为单一液相。 (4)对于CaO—Fe3O 一TiO2渣系,在1 623 K 时,存在CaO、3 CaO・2 TiO2、2 Ca()・Fe2 O 3、 3CaO・Ti2O3、5CaO・4TiO2、CaO・TiO2、尖晶 [5] 金焱,毕学工.铁水脱磷处理涉及渣系的计算相图 分析[J].武汉科技大学学报,2008,31(6):60l一604. [6] 德国钢铁工程师协会.渣图集[M].王俭,彭愉强,毛 裕文,译.北京:冶金工业出版社,1989:30. Phase diagram computation and experimental study of environment・friendly deph0sph0rizati0n slag systems for high phosphorus hot metal pretreatment Bi Xuegong,Luo Songzhi,Yang Fu (Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China) Abstract:Factsage was employed to calculate the phase diagram of four kinds of slag systems for high phosphorus hot metal dephosphorization pretreatment at the temperature of 1 623 K,with B2()3, K2 O,MnO2 and TiO2 in replacement of CaF2 for fluxing.It was found that there appeared liquid slags in most regions in the phase diagrams.Based on the computed phase diagrams,slag scenarios of de phosphorization experiments were determined.And the slagging in the tests basically agreed with the information presented hy the computed phase diagrams. Key words:dephosph0rization slag;high phosphorus hot metal; dephosphorization pretreatment; phase diagram computation:Factsage software [责任编辑 尚 晶] 

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