点此下载——H2-C熔融还原条件下渣金间磷的分配比的试验研究

摘 要：通过300妇级氢-碳熔融还原热模拟试验，从热力学角度分析了氢-碳混合熔融还原条件下磷的分配比，运用熔渣规则溶液模型计算了氧化钙、二氧化硅、氧化镁、氧化铝、氧化亚铁、五氧化二磷六元熔渣组分的活度、活度系数，进而计算出一定温度条件下熔渣的磷容量以及渣金平衡时磷分配比的理论值。通过比较理论计算得出的磷分配比与试验中磷的分配比的差异，解析产生差异的原因，进而为氢一碳混合熔融还原炼铁新工艺冶炼高磷铁矿提供参数。试验结果表明：用熔渣规则溶液模型计算渣金间的磷的分配比是合适的，氢-碳熔融还原工艺可以利用高磷铁矿。

关 键 词：H₂-C熔融还原；磷容量；磷分配比；熔渣规则溶液模型

高炉炼铁工艺对铁矿石中磷含量要求很高，难以利用中国丰富的高磷铁矿资源。在熔融还原条件下，前人^[1-2]研究了熔渣中磷酸钙被碳还原的特点是：渣中仍有相当含量的残余五氧化二磷未被还原，还原产物中的磷部分随炉气逸出，部分被熔铁吸收，这就表明在碳熔融还原条件下，磷的还原行为与高炉有较大的差别。氢冶金是钢铁工业减少CO₂排放的有效技术路线之一。上海大学提出的氢一碳熔融还原工艺从原理上来讲，氢气还原氧化铁所需的热量仅为碳还原氧化铁的五分之一，因此，大大节约能耗、减轻传热负担。大量廉价氢气的获得是氢冶金的必要前提，氢-碳熔融还原工艺通过水煤气转换反应获得富氢煤气，然后通过变压吸附等技术获得氢气，从而达到了氢气的循环使用，氢-碳熔融还原炼铁新工艺对中国的高磷铁矿、复合矿的高效利用具有重要意义^[3-7]。为了探明氢-碳熔融炼铁工艺中磷的行为，通过试验研究了渣金间磷的分配系数。

1试验材料及方法

氢-碳熔融还原试验是在300 kg级的中频感应炉中进行的，试验装置如图1、2所示。

感应线圈分上、下线圈，实现炉渣和金属分别加热。为了能够控制炉渣温度，在感应炉上部固定壁厚为20mm的石墨圈，感应加热石墨圈，通过加热石墨圈间接加热渣层。

底吹气体为上海尤嘉利液氦有限公司生产的水含量均为60×10^-6(质量分数，下同)的普通氮气和氢气。底吹氢气和氦气通过针孔式透气塞进入感应炉。

试验中采用的铁矿石、煤、配渣原料、生铁是由宝钢提供的。皮尔巴拉粉矿、球团矿、神府煤、炉渣原料成分、原始生铁成分分别如表1～5所示。

将300 kg生铁放到感应炉中，试验开始前先给感应炉通冷却水，底吹氮气，通电。电源功率控制在200kW左右，待生铁完全熔化后，向铁液中加预先配好的渣料40kg，待渣料完全熔化后，向熔池中加预先配好的铁矿石，同时将氮气切换成氢气，用不锈钢棒每隔2min沾取1个渣样，每炉试验取5～7个渣样，待渣样沾取完毕后用铁液取样器取1个铁样。具体试验参数见表6。

2试验结果

铁样、渣样的化验结果分别见表7、8。从表7可以看出，4炉铁样中磷的含量与原始生铁中磷的含量没有多大的变化，这是由于加矿量少的缘故。但是4炉铁样中磷含量又有微小的差别，这是由于矿的种类、数量、炉渣温度、碱度等因素的差异所致。

从图3可以看出，终渣中仍然有相当一部分的磷未被还原，经计算得出1～4号炉磷的还原率分别为20．4％、38％、45％、4．2％，其平均值为26％，远低于高炉炼铁中磷的还原率。H₂-C熔融还原工艺、高炉工艺、HIsmelt^[l]工艺磷的还原率如表9所示。

3分析讨论

氧化脱磷反应用下式表示：

炉渣的磷容量表达式如下：

b为xpo_2.5和ω_P的浓度转换系数。

渣和铁间磷的分配比表达式如下：

熔渣组元活度系数通过熔渣规则溶液模型求解：

△Gc为规则溶液和真实溶液活度转化因子。真实溶液和规则溶液之间的反应如下：

运用熔渣规则溶液模型计算熔渣组元的活度系数时，阳离子间的交互作用能见参考文献[5]。用熔渣规则溶液模型计算出碱度、全铁含量、温度对磷的分配比的影响，结果见图4～6。

图4～6说明了磷的分配系数随碱度的增大而增大，随全铁含量的增高而增大，随温度的升高而减小，都不是简单的线性关系，还可以看出磷的分配系数对温度最敏感，碱度次之，全铁含量最不敏感。

从图7可看出，磷的分配比的理论值和试验值都属于同一数量级，这说明了用规则溶液模型计算CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO-FeO-P₂O₅渣系的磷在渣铁间的分配比是很合适的。但是理论值均略大于试验值，这可能是由于试验时间(约15min)过短，熔渣和铁液中的磷还未达到平衡。

4结论

1)对于氢一碳熔融还原炼铁工艺，炉渣中磷的还原率仅为26％，该工艺可以利用高磷铁矿资源。

2)用熔渣规则溶液模型计算的渣金间磷的分配比与试验值在一个数量级上，表明熔渣规则溶液模型计算磷的分配比是合适的。

参 考 文 献：

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