转炉尘泥碳酸化造渣剂的脱磷分析★

张志霞

（六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553000）

国家领导人在2020年9月联合国大会上提出了“2030年碳达峰、2060年碳中和”的目标，我国二氧化碳的减排压力更趋严峻。作为排碳大户的钢铁业，自然需积极响应号召、努力减排。将钢铁厂的各种含铁尘泥采用碳酸化制成球团，并将其用作转炉炼钢的冷却剂和化渣剂，既能实现尘泥利用、减少CO2的排放，又可代替部分造渣剂石灰和冷却剂废钢，不失为一条同时可实现钢铁行业固废综合利用和减排的新路径。

1 尘泥碳酸化球团的过程

通过将碱性氧化物转化为碳酸盐以捕获CO2，这种方式作为减少CO2排放的新技术，已应用于能源储存、燃煤锅炉尾气处理、煤气化制氢等领域[1-2]。

尘泥碳酸化球团，就是在含铁尘泥中配入一定比例的石灰后压制成球，再将生球置于某浓度的CO2氛围中进行反应，而后得到具备一定强度的碳酸化球团。其成球的基本原理是配入的石灰经水润后形成Ca（OH）2胶体，附着在粉尘颗粒的表面，制得的生球就具备了一定的强度，即石灰起到了固结剂的作用。碳酸化反应时，生球内的消石灰吸收CO2，形成碳酸钙，使得颗粒固结在一起。

目前我国钢铁业研究的碳酸化固结工艺相对较少。河北联合大学的胡长庆等人[3-4]进行了该方面研究，指出：利用含铁粉尘制备碳酸化球团的工艺简单、操作方便、加工费低廉等特点，可将其应用于处理粒度极细的粉尘方面。

2 碳酸化造渣剂的脱磷分析

在转炉冶炼开始前加入碳酸化球团，冶炼时其内的碳酸钙发生分解，所产生的二氧化碳会使熔池搅拌加剧，有利于炉渣泡沫化，从而快速增大渣-金接触面积。与仅采用石灰作为造渣剂相比，因碳酸化球团的w（TFe）高，可提高炉渣的（尤其是初渣）w（FeO），从而提高氧化性，降低炉渣黏度。炉渣流动性得到改善后，钢液、炉渣内的传质加快，提高了炉渣在石灰中的渗透能力。且FeO破环了石灰溶解过程中致密的2CaO·SiO2，进一步加快了CaO的溶解速度。即不管从热力学方面，还是动力学方面，碳酸化球团都有利于转炉内的脱磷反应。

2.1 碱度方面分析

根据脱磷反应的热力学分析可知：高碱度是提高脱磷效率的条件之一。曹东等人在造渣制度影响转炉深脱磷实验研究中得到碱度与脱磷率之间的关系[5]，如图1所示。

图1 碱度与脱磷率的关系

由图1可知：当碱度在2.5～3.7之间时，脱磷率随着碱度的增加而增大；当碱度大于3.7时，脱磷率随着碱度的增加而减小。脱磷率与碱度并不完全符合正比关系，因过高的碱度会使炉渣的流动性变差，从而影响脱磷效果。

采用碳酸化固结造渣剂配合其他物料进行转炉炼钢，可以将炉渣碱度控制在3.2～3.7，从而使脱磷率稳定在85%以上。

2.2 孔隙度方面分析

造渣剂的气孔率和体积密度对造渣剂的熔解速度有着极大的影响。气孔率大和体积密度小的造渣剂进入转炉，炉内的熔渣会迅速地沿造渣剂的孔隙和裂缝向内部渗透，使熔渣和造渣剂间的接触面积显著增大，从而加快成渣。

分别选取200℃、400℃、600℃、800℃四个温度进行碳酸化反应，其中S1、S2、S3分别表示CaO配比为20%下的2 000 N、3 000 N、4 000 N的压块试样。当其他参数一定时，不同反应温度下碳酸化球团的孔隙度如图2所示。

图2 不同反应温度下碳酸化球团的孔隙度

碳酸化球团作造渣剂，有着相对比较合适的气孔率和体积密度（活性石灰的孔隙度为30%～40%）。将此造渣剂加入炉内后，熔渣与其具有很大的接触面积，利于造渣反应的进行，所以相应的化渣速度也比较快，可进一步影响渣量，进而有利于铁水中磷的脱除。

2.3 w（FeO）方面分析

在碱性渣中，FeO会破坏炉渣中的2CaO·SiO2，从而可改善炉渣对石灰的润湿程度，同时还可提高炉渣向石灰缝隙渗透的能力，促进石灰溶解，进而较早获得性能较好（高碱度高氧化性）的炉渣。

FeO能显著降低炉渣黏度，进而改善石灰的外部传质，加快脱磷速度。

由于碳酸化固结造渣剂以转炉尘泥和CaO为主要原料，且所使用的粉尘中w（TFe）高达60%左右，因此，此造渣剂含铁高，有利于转炉脱磷。

3 结论

1）炉渣氧化脱磷的主要热力学因素有温度、炉渣碱度、炉渣氧化性。

2）脱磷是渣-金界面反应，故脱磷效果由炉渣的脱磷能力和渣量决定。在脱磷能力一定时，渣量越大，脱磷率越大，但加大的渣量是有限度的。

3）由氧化脱磷的动力学可知：影响脱磷反应速率的主要因素是温度和炉渣的流动性。

4）从碱度、孔隙度、w（FeO）三方面分析得知，使用碳酸化固结造渣剂可促进转炉脱磷，还可以减少钢铁料、氧气和石灰等的消耗。