CaO-SiO2-FeO-P2O5渣系脱磷影响因素的研究

袁林华，苏畅，吕宁宁

（1沈阳东大冶金科技股份有限公司，辽宁沈阳 110819；2东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳 110819）

试验研究

CaO-SiO2-FeO-P2O5渣系脱磷影响因素的研究

袁林华1，苏畅2，吕宁宁2

（1沈阳东大冶金科技股份有限公司，辽宁沈阳 110819；2东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳 110819）

为了提高转炉渣中CaO的利用率，降低转炉渣的碱度，通过试验研究了CaO粒度、粒状CaO的加入比例、温度和保温时间对含磷富集相的影响。结果表明，适当增大CaO的粒度有利于2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体的形成；当渣中粒状CaO的含量较低时，增加粒状CaO的加入比例，可促进渣中大颗粒固溶体的形成并减少渣中磷的含量，但当粒状CaO的含量较高时，2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体生成量减少；适当提高温度有利于脱磷反应的进行；随反应时间的延长，2CaO· SiO2-3CaO·P2O5固溶体的粒径增大，而且固溶体中磷的含量也不断增加。

CaO-SiO2-FeO-P2O5渣系；CaO粒度；温度；保温时间；磷富集相

1 前言

转炉脱磷的主要方式是将磷以P2O5的形式富集到钢渣中，磷在渣中主要以3CaO·P2O5的形式存在于2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体（磷富集相）中［1］，当CaO颗粒熔解进入渣中时，2CaO·SiO2便很快在CaO颗粒周围形成，渣中的磷向2CaO·SiO2颗粒转移的速率非常快，且在5 s内便形成了2CaO·SiO2-3CaO· P2O5固溶相［2］。因此，CaO颗粒的大小、加入量及高温时的熔解行为对炉渣的脱磷能力影响较大。从热力学角度看，P2O5属于酸性氧化物，CaO等碱性氧化物能降低其活度，碱度越高，渣中CaO的有效浓度越高，其磷容量越大，脱磷越完全［3-4］。但一味追求高碱度势必会带来以下问题：1）渣的熔点升高，导致CaO很难在短时间内熔解进入液态渣；2）碱度过高会导致渣中存在大量的活性CaO，使CaO得不到充分利用；3）碱度过高会影响转炉渣的流动性，从而恶化脱磷的动力学条件。

为了提高转炉渣中CaO的利用率进而降低冶炼成本，本研究在前人研究的基础上，分析了低碱度条件下CaO粒度及加入比例、保温时间和温度对渣中磷富集相生成的影响，对提高渣中CaO的利用率，降低转炉渣的碱度具有重要意义。

2 试验方法

2.1 渣样的制备

本试验以纯化学试剂CaO、SiO2、3CaO·P2O5、C2FeO4·2H2O为原料。表1示出了试验所用合成渣的成分组成。

表1 试验用渣的成分组成

2.2 试验过程

根据表1中各化合物的成分组成称量试剂，在球磨罐中充分混合均匀，之后将渣样放入外套石墨坩埚的刚玉坩埚中，置于高温管式炉中，于氩气气氛下以4℃/min的速度升温至预定温度进行熔融。管内温度由PID温度仪控制，管式炉上端有开口用于取样。加热过程中，以1 L/min的速度向炉内通入氩气保护。达到试验温度保温一定时间后，用钢棒蘸取渣样，并用氩气对试样进行快速冷却。

2.3 检测与分析

将不同温度、不同时间取出的试样用树脂固定，逐级磨、抛，并喷金（碳）进行制样。然后用SSX-550扫描电镜（SEM）观察试样的表面，同时借助附带电子探针的能谱仪（EDS）对渣样中各物相的元素含量进行分析。

3 试验结果与讨论

3.1 CaO粒度对P2O5富集相的影响

由表1可知，1#渣中CaO的粒度为0～1 mm，2#中CaO的粒度为1～2 mm，5#中CaO的粒度为3～4 mm。图1和表2分别示出了1#、2#和5#渣样在1 350℃下保温600 s后的SEM图以及物相的能谱分析结果。

由图1和表2可知，深灰色部分的物相为2CaO· SiO2-3CaO·P2O5（C2S-C3P）固溶体，而浅灰色部分为渣的基质相。随着CaO粒度的增大，渣中2CaO· SiO2-3CaO·P2O5固溶体的粒度呈增大的趋势，而且固溶体中磷的含量也逐渐升高。这是由于大粒度的CaO与熔渣的接触面积也大，能够吸收更多的磷进入CaO中。这一结果说明，适当增大CaO的粒度有利于2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体的形成。

图1 不同渣样在1 350℃下保温600 s后的SEM图像

表2 1#、2#和5#渣样中各物相的能谱分析结果

3.2 粒状CaO加入比例对P2O5富集相的影响

考虑了粒状CaO的3种加入比例（5%、10%和15%）对2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体的影响。图2和表3分别示出了加入不同比例粒状CaO的渣样在1 350℃下保温600 s后的SEM图像以及物相的能谱分析结果。

图2 6#、7#渣样在1 350℃下保温600 s后的SEM图像

结合图1c，由图2和表3可知，当粒状CaO的含量＜10%时，随粒状CaO加入比例的增大，渣中2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体的粒度有增大的趋势，固溶体中的磷含量亦有增加的趋势，而基质渣中的磷含量则呈减少的趋势。但当粒状CaO的含量为15%时，2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体的粒度减小，固溶体中的磷含量减少。以上结果说明，当渣中粒状CaO的含量较低时，增加粒状CaO的加入比例，可促进渣中大颗粒固溶体的形成并减少渣中磷的含量；但当粒状CaO的含量较高时，CaO很难溶解进入液相渣中，导致2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体生成量减少。

表3 6#、7#渣样中各物相的能谱分析结果

3.3 温度对P2O5富集相的影响

本试验分别考察了1 350℃和1 400℃下，温度对渣样中含磷固溶体的影响。图3和表4分别示出了3#渣样在1 350℃下保温不同时间的SEM图以及物相的能谱分析结果。图4和表5分别示出了3#渣样在1 400℃下保温不同时间的SEM图以及物相的能谱分析结果。

由图3和图4可知，1 400℃时熔渣中2CaO· SiO2-3CaO·P2O5固溶体的磷含量要高于1 350℃时的含量，说明适当提高温度有利于脱磷反应的进行。这主要是由于温度升高后，熔渣的黏度降低，从而改善了磷向CaO中扩散传质的动力学条件。但由于脱磷反应为放热反应，温度过高会不利于脱磷反应的进行。

3.4 保温时间对P2O5富集相的影响

图5和表6分别示出了4#渣样在1 350℃下保温不同时间的的SEM图以及物相的能谱分析结果。

由图5和表6可知，随着反应时间的延长，2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体的粒径有增大的趋势，而且固溶体中磷的含量也不断增加。这是由于在反应初期，熔渣的黏度较大，磷在渣中的扩散阻力较大，随着反应时间的延长，2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体中的磷会不断累积而增多，而液相渣中的磷含量则不断降低。

图3 3#渣样在1 350℃下保温不同时间的SEM图像

表4 1350℃下3#渣样中各物相的能谱分析结果

图4 3#渣样在1 400℃下保温不同时间的SEM图像

表5 1400℃下3#渣样中各物相的能谱分析结果

图5 4#渣样在1 350℃下保温不同时间的SEM图像

表6 4#渣样中各物相的能谱分析结果

4 结论

4.1 适当增大CaO的粒度，有利于2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体的形成。当渣中粒状CaO的含量较低时，增加粒状CaO的加入比例可促进渣中大颗粒固溶体的形成并减少渣中磷的含量；但当粒状CaO的含量较高时，CaO很难熔解进入液相渣中，导致2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体生成量减少。

4.2 1400℃时熔渣中2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体的磷含量要高于1 350℃时的含量，说明适当提高温度有利于脱磷反应的进行。

4.3 随着反应时间的延长，2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体的粒径有增大的趋势，而且固溶体中磷的含量也不断增加。

［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

袁林华，男，1962年生，1983年毕业于东北大学冶金工程专业。现为沈阳东大冶金科技股份有限公司工程师，从事冶金辅料等的研究工作。