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(yáng)東大冶金科技股份有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110819；2東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110819）

試驗(yàn)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(yáng)東大冶金科技股份有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110819；2東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110819）

為了提高轉(zhuǎn)爐渣中CaO的利用率，降低轉(zhuǎn)爐渣的堿度，通過(guò)試驗(yàn)研究了CaO粒度、粒狀CaO的加入比例、溫度和保溫時(shí)間對(duì)含磷富集相的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)增大CaO的粒度有利于2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體的形成；當(dāng)渣中粒狀CaO的含量較低時(shí)，增加粒狀CaO的加入比例，可促進(jìn)渣中大顆粒固溶體的形成并減少渣中磷的含量，但當(dāng)粒狀CaO的含量較高時(shí)，2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體生成量減少；適當(dāng)提高溫度有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行；隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，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(shí)間；磷富集相

1 前言

轉(zhuǎn)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(dāng)CaO顆粒熔解進(jìn)入渣中時(shí)，2CaO·SiO2便很快在CaO顆粒周圍形成，渣中的磷向2CaO·SiO2顆粒轉(zhuǎn)移的速率非常快，且在5 s內(nèi)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(shí)的熔解行為對(duì)爐渣的脫磷能力影響較大。從熱力學(xué)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(shì)必會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題：1）渣的熔點(diǎn)升高，導(dǎo)致CaO很難在短時(shí)間內(nèi)熔解進(jìn)入液態(tài)渣；2）堿度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致渣中存在大量的活性CaO，使CaO得不到充分利用；3）堿度過(guò)高會(huì)影響轉(zhuǎn)爐渣的流動(dòng)性，從而惡化脫磷的動(dòng)力學(xué)條件。

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

2 試驗(yàn)方法

2.1 渣樣的制備

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

表1 試驗(yàn)用渣的成分組成

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)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(yù)定溫度進(jìn)行熔融。管內(nèi)溫度由PID溫度儀控制，管式爐上端有開(kāi)口用于取樣。加熱過(guò)程中，以1 L/min的速度向爐內(nèi)通入氬氣保護(hù)。達(dá)到試驗(yàn)溫度保溫一定時(shí)間后，用鋼棒蘸取渣樣，并用氬氣對(duì)試樣進(jìn)行快速冷卻。

2.3 檢測(cè)與分析

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

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 CaO粒度對(duì)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(jié)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(zhì)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(shì)，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(jìn)入CaO中。這一結(jié)果說(shuō)明，適當(dāng)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(jié)果

3.2 粒狀CaO加入比例對(duì)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(duì)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(jié)果。

圖2 6#、7#渣樣在1 350℃下保溫600 s后的SEM圖像

結(jié)合圖1c，由圖2和表3可知，當(dāng)粒狀CaO的含量＜10%時(shí)，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(shì)，固溶體中的磷含量亦有增加的趨勢(shì)，而基質(zhì)渣中的磷含量則呈減少的趨勢(shì)。但當(dāng)粒狀CaO的含量為15%時(shí)，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(jié)果說(shuō)明，當(dāng)渣中粒狀CaO的含量較低時(shí)，增加粒狀CaO的加入比例，可促進(jìn)渣中大顆粒固溶體的形成并減少渣中磷的含量；但當(dāng)粒狀CaO的含量較高時(shí)，CaO很難溶解進(jìn)入液相渣中，導(dǎo)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(jié)果

3.3 溫度對(duì)P2O5富集相的影響

本試驗(yàn)分別考察了1 350℃和1 400℃下，溫度對(duì)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(shí)間的SEM圖以及物相的能譜分析結(jié)果。圖4和表5分別示出了3#渣樣在1 400℃下保溫不同時(shí)間的SEM圖以及物相的能譜分析結(jié)果。

由圖3和圖4可知，1 400℃時(shí)熔渣中2CaO· SiO2-3CaO·P2O5固溶體的磷含量要高于1 350℃時(shí)的含量，說(shuō)明適當(dāng)提高溫度有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)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(kuò)散傳質(zhì)的動(dòng)力學(xué)條件。但由于脫磷反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度過(guò)高會(huì)不利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。

3.4 保溫時(shí)間對(duì)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(shí)間的的SEM圖以及物相的能譜分析結(jié)果。

由圖5和表6可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體的粒徑有增大的趨勢(shì)，而且固溶體中磷的含量也不斷增加。這是由于在反應(yīng)初期，熔渣的黏度較大，磷在渣中的擴(kuò)散阻力較大，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體中的磷會(huì)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(shí)間的SEM圖像

表4 1350℃下3#渣樣中各物相的能譜分析結(jié)果

圖4 3#渣樣在1 400℃下保溫不同時(shí)間的SEM圖像

表5 1400℃下3#渣樣中各物相的能譜分析結(jié)果

圖5 4#渣樣在1 350℃下保溫不同時(shí)間的SEM圖像

表6 4#渣樣中各物相的能譜分析結(jié)果

4 結(jié)論

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

4.2 1400℃時(shí)熔渣中2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體的磷含量要高于1 350℃時(shí)的含量，說(shuō)明適當(dāng)提高溫度有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。

4.3 隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體的粒徑有增大的趨勢(shì)，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(yè)于東北大學(xué)冶金工程專業(yè)?，F(xiàn)為沈陽(yáng)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。