转炉熔渣气化脱磷与循环利用工业试验.pdf
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1、第 卷第 期材 料 与 冶 金 学 报 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();河北省高等学校科学技术研究项目()作者简介:孙华康(),男,硕士研究生,:通讯作者:李晨晓(),男,副教授,:年 月 :转炉熔渣气化脱磷与循环利用工业试验孙华康,李晨晓,王书桓,佟 帅,薛月凯,张凯璇(华北理工大学 冶金与能源学院,河北 唐山)摘 要:为深入研究转炉渣气化脱磷后循环利用的工艺效果,在承钢公司 转炉上采用焦粉进行气化脱磷试验并分析了焦粉还原 的可行性 试验结果表明:在溅渣护炉阶段添加焦粉进行气化脱磷,熔渣中先被还原的是,试验炉次平均气化脱磷率为 ;应用气化脱磷渣循环利用工艺后,试验炉次冶炼终点钢
2、液成分合格,钢液中 质量分数呈现降低趋势;试验中吨钢的钢铁料消耗量平均降低 ,吨钢的石灰消耗量平均降低 ,吨钢的 排放量降低约 关键词:转炉炼钢;气化脱磷;焦粉;溅渣护炉;节能减排中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,:;中国钢铁工业转炉渣产生量巨大,但资源化利用率很低,对环境造成严重污染“十三五”期间,中国首次提出 年前力争实现“碳达峰”,年前力争实现“碳中和”的目标,这意味着钢铁行业中存在的能源消耗和环境污染问题亟待解决因此,转炉渣的资源化利用成为诸多专家、学者的研究方向转炉渣在炉内循环利用能够有效地从源头把控新渣量的产生,但是转炉渣中磷的循环累积限制了其炉内循环利用,为此,国
3、内外专家、学者通过添加还原剂的方式将转炉渣中的磷还原,以减少磷负荷,提高炉渣的循环利用率宫下芳雄等向渣中加入碳材料、萤石来破坏渣的 结构,研究结果表明,有(质量分数)的磷被气化去除郝华强等采用理论分析和工业试验相结合的方式,证明在炼钢温度下可以添加碳质脱磷剂还原炉渣中的,实现气化脱除炉渣中的磷等向钢渣中加入 或,将渣中的磷气化去除后返回炼钢工序冶炼王艺慈等对焦粉还原转炉渣气化脱磷进行实验研究,证实了气化脱磷反应的可行性,为实现转炉渣循环利用提供了理论依据影响转炉渣气化脱磷反应的因素有多种,还原剂种类、热力学和动力学条件等均会对气化脱磷效果产生影响对于热态试验而言,试验中所用渣量较少,热力学和动
4、力学条件均不理想,试验结果难以反映真实情况本文中结合承钢半钢冶炼工艺特点,进行转炉终渣气化脱磷与循环利用工业试验,在顶吹氮气溅渣护炉阶段加入焦粉作为还原剂,进行炉渣气化脱磷,将脱磷后的余渣留作下一炉循环使用在试验过程中研究炉渣的气化脱磷效果,脱磷渣循环利用对后续炉次冶炼效果的影响,以及造渣料和钢铁料的消耗,同时寻找解决因半钢冶炼前期热量不足而化渣困难的方法,从而进一步降低转炉吨钢渣量,实现节能减排 试验工艺及条件 试验工艺转炉终渣气化脱磷与循环利用试验在承钢 氧 气 复 吹 转 炉 上 进 行,冶 炼 钢 种 为 系列结合承钢半钢冶炼工艺和前期试验探索,试验炉次采用 倍碳当量还原转炉熔渣,焦粉
5、加入量在 左右试验的前一个炉次冶炼正常,冶炼完毕拉碳时倒出部分炉渣,取渣样并化验,同时取钢水样并化验其成分;出钢结束后摇正炉体,由高位料仓加焦粉;转炉溅渣护炉时,前期采用低氮气流量脱磷,后期恢复常规流量溅渣;用样勺取炉壁渣样进行检测化验;最后进行留渣操作整个冶炼工艺流程见图 冶炼终点合格焦丁溅渣护炉吹氧造渣加铁水和废钢出钢留渣倒渣图 冶炼工艺流程图 试验条件承钢公司采用半钢冶炼工艺,冶炼过程中各成分的加入量及冶炼要求如表 所列试验采用承钢公司自产焦粉,焦粉粒度在 ,具体成分如表 所列表 冶炼过程中各成分的加入量及冶炼要求 半钢加入量废钢加入量入炉铁水温度铁水中磷的质量分数出钢温度终点钢水中磷的
6、质量分数 表 焦粉成分(质量分数)()固定碳其他 按照试验方案,共进行 组试验,每组 炉次,每组试验各炉次试验方案相同为了保证试验数据的真实可靠,各组均取 炉次试验的平均值将试验结果与传统工艺成效进行对比,以便更直观地体现气化脱磷渣循环利用工艺的优势对试验炉次溅渣护炉前后的熔渣进行取样并化验,对比脱磷前后渣样中磷的质量分数变化,衡量脱磷效果同时,将试验炉次与常规炉次的终点钢液成分变化、钢铁料消耗量、石灰消耗量等数据进行对比分析 转炉渣气化脱磷理论分析在溅渣护炉、留渣操作的基础上,采用气化脱磷技术循环利用炉渣转炉溅渣护炉冶炼前,加入的焦粉与炉渣中的氧化物发生反应,如下所示:()()()(),()
7、()()()(),()()()()(),()式中:为反应的标准吉布斯自由能,;,分别表示固体、液体和气体;为反应体系的温度,利用上式计算得到碳还原各氧化物的化学反应标准吉布斯自由能与温度的关系,如图 所示第 期 孙华康等:转炉熔渣气化脱磷与循环利用工业试验02006004008001800 20001600140012001000T/K6420-2-4-6G105/(Jmol-1)P2O5FeOMnO图 碳还原炉渣中氧化物的标准吉布斯自由能与温度的关系图 由图 可知,当温度高于 时,炉渣中的开始被还原,而还原 的平衡温度需要达到 ,还 原 的 平 衡 温 度 更 是 高 达 由此可知,在转炉炼
8、钢初期,熔渣温度便可以满足焦粉还原渣中 的热力学条件,同时,随着温度的升高,的活性也不断增强因此,在炼钢初期温度为 左右时,同等条件下熔渣中先被还原的是 焦粉还原熔渣中的磷为吸热反应,温度越高,反应速率越快从反应动力学角度分析,温度升高增加了反应过程的驱动力,随着驱动力的增加,反应的上限相应提高,还原率呈上升趋势在实际冶炼过程中,溅渣护炉过程中使用氧枪向转炉内部喷射大量高压氮气,在流动氮气的气氛条件下,转炉底部熔渣被巨大的氮气压力吹飞,进而以小颗粒的形式撞击并黏附在炉壁上整个过程中会形成气液固三相共存的区域,为焦粉还原熔渣中的磷提供了一个较为理想的动力学反应环境,使得化学反应更容易进行,即更易
9、气化脱除熔渣中的磷 试验结果与分析 转炉渣气化脱磷对脱磷率的影响试验中,分别在溅渣护炉前后取熔渣试样,对比分析还原前后熔渣成分的变化在转炉渣中磷主要以 的形式存在于硅酸二钙相中,定义气化脱磷率 为()()()()式中,()为试验前渣中 的质量分数,()为试验后渣中 的质量分数所测炉渣成分中 的质量分数前后变化如图 所示,由 组试验中每个炉次气化脱磷前后炉渣中磷的质量分数求得每组试验的平均气化脱磷率:第 组试验平均气化脱磷率为 ,第 组试验平均气化脱磷率为 ,第 组试验平均气化脱磷率为 ;试验炉次平均气化脱磷率为 由此可知,各组试验的脱磷率均高于,说明气化脱磷渣循环利用工艺可以有效脱除炉渣中的部
10、分 2.52.01.51.00.50w(P)/%21Y306065 21Y306066 21Y306067 21Y306068炉号脱磷前脱磷后(a)1.641.021.881.221.841.171.741.082.52.01.51.00.50w(P)/%21Y306077 21Y306078 21Y306079炉号脱磷前脱磷后(b)1.791.141.651.021.891.171.891.2121Y3060802.52.01.51.00.50w(P)/%21Y306085 21Y306086炉号脱磷前脱磷后(c)1.751.131.931.211.911.211.811.1521Y3060
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