供稿|張思源，張?chǎng)危鯊┸?，胡曉磊，楊心?/ ZHANG Si-yuan, ZHANG Xin, WANG Yan-jun, HU Xiao-lei,YANG Xin-yu

中國(guó)鋼鐵行業(yè)發(fā)展日益嚴(yán)峻，為了增強(qiáng)企業(yè)盈利能力，許多企業(yè)不得不采用低品位的高磷鐵礦來(lái)降低生產(chǎn)成本，除此之外，鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致高品位、易開(kāi)采的優(yōu)質(zhì)鐵礦石日益減少，越來(lái)越多的企業(yè)將目光轉(zhuǎn)向儲(chǔ)量豐富的低品位復(fù)雜鐵礦資源，開(kāi)發(fā)利用以高磷鐵礦石為代表的鐵礦石資源逐漸受到關(guān)注[1]。2012年美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)對(duì)全球范圍內(nèi)的鐵資源分布進(jìn)行了調(diào)查，得到了世界主要國(guó)家鐵礦石品位情況，見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，巴西、澳大利亞等主要鐵礦石出口國(guó)鐵礦石品位在50%左右，但是中國(guó)鐵礦石品位只有31%。并且隨著鐵礦石儲(chǔ)量的下降，高品位鐵礦石越來(lái)越少。

圖1 不同國(guó)家鐵礦石品位

高磷鐵礦石遍布全球各地，澳大利亞、沙特阿拉伯、北美的Minnesota、 Superior等國(guó)家和地區(qū)均存在大量高磷鐵礦石。我國(guó)的四川、湖北、云南、安徽、江蘇、內(nèi)蒙古等地區(qū)具有儲(chǔ)量豐富的高磷鐵礦，其中有2個(gè)儲(chǔ)量10億t以上的特大型鐵礦床，4個(gè)儲(chǔ)量1～10億t的大型鐵礦床，11個(gè)儲(chǔ)量1000萬(wàn)～1億t的中型鐵礦床。我國(guó)最重要的沉積高磷鐵礦床當(dāng)屬寧鄉(xiāng)式鐵礦，分布在贛、湘、桂、滇等地，探明儲(chǔ)量達(dá)數(shù)十億噸[2]。典型的高磷鐵礦床分為三類，與火山侵入活動(dòng)有關(guān)的鐵礦床(主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)：P 0.01%～1.34%，F(xiàn)e 34%～45%，S 0.03%～8%)、海相二疊紀(jì)沉積型鐵礦床(較高的P、S含量)和海相中泥盆世沉積型鐵礦床(較高的SiO2、P含量，較低的S含量，F(xiàn)e質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%～50%，以中國(guó)“寧鄉(xiāng)式”高磷鐵礦床為代表)。這些鐵礦石礦相組成復(fù)雜，鐵礦物與磷礦物關(guān)系密切，聯(lián)結(jié)力大，很難進(jìn)行選礦。

高磷鐵礦的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致鐵水中磷含量增加，并且燒結(jié)和高爐沒(méi)有脫磷能力，會(huì)增加煉鋼過(guò)程中的脫磷負(fù)擔(dān)，增加生產(chǎn)成本。因此，提高中高磷鐵水脫磷能力、降低生產(chǎn)成本顯得尤為重要。

磷平衡分配比是評(píng)價(jià)爐渣脫磷性能的重要指標(biāo)，石灰在其中起著關(guān)鍵作用。同時(shí)，作為脫磷過(guò)程中的重要原料之一，石灰在爐渣中的融化率對(duì)爐渣堿度、爐渣黏度、爐渣脫磷效果等產(chǎn)生重要影響。保證較高的磷平衡分配比以及較高的石灰熔化率，對(duì)提高脫磷效率、降低石灰耗量、降低脫磷成本有著重要意義。因此，有必要探討中高磷鐵水中磷平衡分配比以及石灰融化率的影響因素。

中高磷鐵水分析

對(duì)磷平衡分配比影響

渣系的脫磷能力以及渣系的組成變化對(duì)脫磷效果的影響是脫磷熱力學(xué)中比較重要的問(wèn)題之一，磷平衡分配比的表達(dá)式為：

其中，(%P)表示爐渣中P元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)；[%P]表示鋼液中P元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)；T為鋼液溫度，單位K；(%CaO)表示爐渣中CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)；(TFe)表示爐渣中Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

根據(jù)磷平衡分配比的表達(dá)式(1)，作脫磷渣中P2O5含量與磷平衡分配比和終點(diǎn)磷含量的關(guān)系圖，如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3可以看出，隨著渣中P2O5含量的提高，磷分配比下降，并且隨著渣中P2O5含量的增加，鋼中磷含量急劇上升，在堿度較低的情況下尤為明顯。由于中高磷鐵水中P2O5含量過(guò)高，所以極易造成回磷，使得鋼中磷含量增加。

圖2 渣中P2O5和磷分配比的關(guān)系

圖3 渣中P2O5含量和終點(diǎn)磷含量的關(guān)系

要想進(jìn)一步降低鐵水中磷含量，就需要進(jìn)一步提高爐渣堿度，因此需要消耗更多的石灰等脫磷副原料，增加了脫磷成本。初始磷含量越高，消耗的石灰越多，因此目前未見(jiàn)中高磷鐵水大規(guī)模冶煉生產(chǎn)。

從熱力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，增加磷平衡分配比的方法主要是提高渣中CaO、FeO含量，并降低反應(yīng)溫度，從而增加脫磷能力。但從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，在增加磷平衡分配比的同時(shí)，又要保證渣具有良好的流動(dòng)性，CaO以及FeO含量不能過(guò)高，反應(yīng)溫度不能過(guò)低。因此，為了保證良好的脫磷效果，兼顧二者平衡，在提高磷平衡分配比的同時(shí)，要保證爐渣具有良好的動(dòng)力學(xué)條件。

對(duì)石灰融化率影響

在特定工藝條件下，爐渣中2CaO·SiO2飽和度和爐渣成分對(duì)石灰融化產(chǎn)生重要影響。2CaO·SiO2能夠在石灰外面形成一層薄膜，該薄膜熔點(diǎn)非常高，會(huì)影響石灰在渣中的溶解。當(dāng)鐵水中磷含量較高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致渣中P2O5含量增高，渣中的CaO會(huì)迅速生成3CaO·P2O5。3CaO·P2O5與2CaO·SiO2能夠無(wú)限互溶，進(jìn)一步提高了2CaO·SiO2的飽和度，在石灰外層形成3CaO·P2O5-2CaO·SiO2固溶體，Suito[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這一觀點(diǎn)，從而降低了CaO在渣中的溶解。

刁江[1]通過(guò)靜態(tài)侵蝕實(shí)驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行二次回歸處理，分析了堿度與P2O5含量交互作用對(duì)石灰融化率的影響，如圖4所示。

圖4 堿度與P2O5含量交互作用對(duì)石灰融化率的影響

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)渣中P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4%時(shí)，石灰的熔化率保證在75%以上，熔化率較高。當(dāng)渣中P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4%，且爐渣堿度大于0.7時(shí)，隨著爐渣堿度的提高以及渣中P2O5的提高，石灰的融化率逐漸降低。因此，由分析可知，當(dāng)渣中P2O5含量大于4%時(shí)，渣中石灰融化率將顯著降低，石灰利用率顯著降低，要想獲得同樣的脫磷效果，就需要消耗更多的石灰，脫磷成本顯著提高。

根據(jù)脫磷分子理論[4]可知：2[P]+5[O]=(P2O5)。渣中的P2O5來(lái)源主要為脫磷反應(yīng)生成的P2O5以及爐襯中帶入的磷生成的P2O5，爐襯中帶入的P含量很少，忽略不計(jì)。因此可以看成渣中的P2O5均來(lái)自鐵水中的脫磷反應(yīng)。當(dāng)渣中P2O5含量在4%左右時(shí)，根據(jù)反應(yīng)平衡計(jì)算可得，鐵水中反應(yīng)掉的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.17%，脫磷反應(yīng)的終點(diǎn)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.01%左右，因此按照渣中P2O5含量對(duì)石灰熔化率的影響來(lái)考慮，當(dāng)鐵水磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.18%左右時(shí)，石灰熔化率顯著降低，與文獻(xiàn)[5-7]結(jié)論相似。此時(shí)要想獲得同樣的脫磷效果，石灰的加入量顯著提高，脫磷成本提高。

不同鋼廠生產(chǎn)原料、生產(chǎn)設(shè)備以及工藝參數(shù)有所差別，因此具體的臨界點(diǎn)還要根據(jù)不同鋼廠的情況進(jìn)行具體分析。圖5為主要企業(yè)鐵水平均磷含量調(diào)研情況。

圖5 中國(guó)主要鋼廠鐵水平均磷含量

從圖5可以看出，中國(guó)大部分鋼鐵企業(yè)鐵水磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1%左右，梅山鋼鐵中鐵水磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)甚至達(dá)到了0.19%。目前鋼鐵企業(yè)的鐵水磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要維持在0.1%～0.15%水平，主要與上述原因有關(guān)。

另一改善渣中CaO融化率的影響因素是FeO/SiO2。李遠(yuǎn)洲[8]給出了FeO/SiO2對(duì)石灰融化率的影響。當(dāng)FeO/SiO2比值在0.5～1.0時(shí)，基本對(duì)石灰的熔化率無(wú)影響；當(dāng)比值從1.0提高到2.0時(shí)，石灰的融化率有很好的改善。這說(shuō)明了保證較低的鐵水硅含量和較高的FeO含量，對(duì)冶煉中高磷鐵水至關(guān)重要。

鐵水中硅含量的增多，會(huì)使得渣中SiO2含量增多，F(xiàn)eO/SiO2比值降低，石灰的融化率降低，最終導(dǎo)致?tīng)t渣的脫磷效果減弱。當(dāng)鐵水磷高于某一臨界值時(shí)，要想取得同樣的脫磷效果，就需要消耗更多的石灰等脫磷副原料，該臨界值會(huì)隨著爐渣脫磷能力的降低而降低。

因此從保證石灰融化率方面來(lái)說(shuō)，要保證鐵水磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.18%以下，具體的臨界點(diǎn)可以根據(jù)不同鋼廠的實(shí)際條件通過(guò)建模等方式來(lái)確定；同時(shí)，在保證具有足夠的鐵水硅能夠造渣脫磷的基礎(chǔ)上，盡量降低鐵水的硅含量，提高石灰融化率，并通過(guò)模型計(jì)算提高臨界磷含量[9]，擴(kuò)大中高磷鐵水的冶煉范圍。

改善中高磷鐵水脫磷的方法

從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，中高磷鐵水脫磷困難的原因主要是因?yàn)樵蠵2O5增多引起的磷平衡分配比下降以及CaO在渣中的融化率降低，因此要想充分利用高磷鐵礦石，進(jìn)行中高磷鐵水脫磷，就要從增加磷平衡分配比、增加CaO在渣中的融化率等方面進(jìn)行研究。具體的操作手段可以調(diào)整吹氧和造渣工藝，吹煉早期獲得過(guò)氧化、高流動(dòng)性、高堿度爐渣，并且可以部分使用雙渣工藝等方法來(lái)保證爐渣堿度、爐渣FeO含量、鐵水溫度等，并且在保證造渣脫磷的基礎(chǔ)上，降低鐵水硅含量，保證爐渣具有一定的動(dòng)力學(xué)條件。

結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)高磷鐵礦石儲(chǔ)量豐富，保證較高的磷平衡分配比以及較高的石灰熔化率，對(duì)提高脫磷效率，降低石灰耗量和脫磷成本有著重要意義。提高磷平衡分配比和石灰融化率對(duì)中高磷鐵水高效脫磷至關(guān)重要，有利于高磷鐵礦石的開(kāi)發(fā)利用。中高磷鐵水爐渣中P2O5增多會(huì)引起的磷平衡分配比下降以及CaO在渣中融化率降低?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整CaO及FeO含量提高磷平衡分配比，通過(guò)調(diào)整爐渣堿度、鐵水硅含量來(lái)提高石灰融化率。

攝影 楊 棟

[1] 刁江. 中高磷鐵水轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)脫磷的應(yīng)用基礎(chǔ)研究[學(xué)位論文]. 重慶：重慶大學(xué)，2010

[2] 何姜毅. 鐵礦石提質(zhì)降磷新技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)研究[學(xué)位論文]. 昆明：昆明理工大學(xué)，2007：23

[3] Suito H，Inoue R. Behavior of phosphorous transfer from CaO-FeOP2O5(-SiO2) slag to CaO particles. Transactions of the Iron & Steel Institute of Japan，2006，46(2)：180

[4] 胡曉光，李晶，武賀，等. 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐雙渣深脫磷工藝實(shí)踐. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014(s1)：207

[5] 立任春，王玉生，艾曉禮，等. 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉高級(jí)別管線鋼低磷控制. 中國(guó)冶金，2015，25(2)：34

[6] 李晨曉，李宏，周寶，等. 100 t轉(zhuǎn)爐石灰石代替石灰造渣煉鋼實(shí)驗(yàn)研究. 中國(guó)冶金，2015，25(12)：22

[7] 董大西，馮佳，年武，等. 石鋼60 t轉(zhuǎn)爐采用石灰石替代石灰造渣煉鋼實(shí)驗(yàn). 中國(guó)冶金，2013，23(11)：58

[8] 李遠(yuǎn)洲，孫亞琴. 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐合理造渣工藝的探討. 鋼鐵，1990(7)：15

[9] 張思源，包燕平，林路，等. 單渣脫磷石灰消耗量預(yù)報(bào)模型的應(yīng)用與分析. 中國(guó)冶金，2016，26(11)：21