含磷转炉钢渣磷选择性富集过程中的物理化学性质研究

发布时间：2017-12-07 09:22

本文关键词：含磷转炉钢渣磷选择性富集过程中的物理化学性质研究

【摘要】：当前我国年产钢渣量已超过1亿t,钢渣组成都是有价值的化合物。但是由于铁矿石等含磷硫杂质较多,导致钢渣的品位较低,致使现今钢渣的利用率只有20%左右,这不仅造成资源的极大浪费,而且还严重污染环境。随着钢渣的大量堆积,如何高效利用这些钢渣并回收利用钢渣中的有价元素已经是近几十年研究学者关注的焦点问题之一。在综合比较钢渣处理方式后,其在冶金企业内部循环是钢渣处理的首选方式。但如果简单地将钢渣在冶金过程内部进行循环利用,必然造成磷元素在铁水中循环富集,加重后期的脱磷负担,增加成本。因此解决好含磷钢渣的问题对促进冶金企业节能减排及可持续发展都具有十分重要的意义。本文提出选择性富集与分离的方法,即通过创造合适的物理化学条件,使钢渣中的磷富集,然后使其长大并分离,最后富磷相可以用作磷肥,其余尾渣可以在冶金企业回收利用。本论文主要针对钢渣中磷的组成及赋存特点,系统研究了在磷选择性富集过程中,不同性质的改性剂对于含磷多元渣系中含磷相选择性富集规律,改性剂包括:1)研究较少、难度较大,但又不能回避的钢渣主要组元—Fe_tO;2)两性改性剂,Al_2O_3和TiO_2;3)对磷富集有特殊作用,有利于结晶传质的改性剂—CaF_2。得到如下主要结论:(1)本论文先是针对CaO-SiO_2-P_2O_5体系,将X射线光电子能谱、拉曼光谱与分子动力学模拟相结合,研究了该三元渣系的微观结构随着P_2O_5含量(0～15 wt%)的变化规律。研究得知,由于P~(5+)与Ca~(2+)比Si~(4+)与Ca~(2+)更具有亲和力,因而随着P_2O_5含量的逐渐增加,导致体系中Ca-O-P键和Si-O-Si键的逐渐形成。此外,几乎所有的P~(~(5+))以Q_p~0形式存在,还有—小部分P~(5+)以Q_p~1(P-O-P)和P-O-Si形式存在。从逐渐增加的Qsi3和X_p~1/X_p~0可以得出体系的聚合度随着P_2O_5的增加呈现逐渐增强的趋势。(2)针对目前研究较少、难度较大,但又不能回避的钢渣主要组元—Fe_tO,本论文研究了 Fe_tO含量从0变化至25 wt%时,CaO-SiO_2-Al_2O_3-MgO-Fe_tO-P_2O_5渣系粘度和微观结构的变化规律。研究表明该渣系的粘度随着Fe_tO含量的增加呈现降低的趋势。此外,从拉曼光谱和红外光谱结果可以看出体系的聚合度随着Fe_tO含量的增加也是呈现降低的趋势,这将有助于体系结晶时的传质过程,有助于富磷相的结晶行为。(3)针对两性改性剂,论文研究了 Al_2O_3对CaO-SiO_2-Al_2O_3-MgO-Fe_tO-P_2O_5渣系结构和结晶过程的影响规律。研究发现Al_2O_3的加入有助于铝氧四面体[AlO_4]和铁氧四面体[FeO_4]发生共聚反应,促进初晶相从MgFe_2O_4逐渐向MgAlFeO_4转变。CCT结果表明,随着Al_2O_3的逐渐加入,体系的结晶温度逐渐升高。此外,当Al_2O_3含量为15.17wt%时,富磷相(n2CaO·Si02-3CaO·P_2O_5,nC2S-C3P)中的 P_2O_5 可以达到 28.71 wt%,满足用作磷肥的要求(P_2O_5含量10wt%)。(4)针对两性改性剂,论文还研究了 TiO_2含量从O增加至10wt%时,CaO-SiO_2-Al_2O_3-MgO-Fe_tO-P_2O_5-TiO_2渣系粘度和结晶过程的变化规律。结果表明,随着TiO_2含量的增加,炉渣的粘度略有降低。同时CCT曲线表明,加入TiO_2后体系的结晶温度逐渐降低。这主要是因为加入的TiO_2促进了钛氧八面体[TiO_6]的形成,并因此形成了 MgFe_2O_4-Mg2TiO_4固溶体。此外,降低粘度对离子或单元的传质(如Ca~(2+)和钛氧四面体[TiO_4])有着促进作用,CaTiO_3和CaSiTiO_5的结晶也因此得到加速,可以提高磷富集相nC2S-C3P中的磷含量。当TiO_2含量为10wt%时,富磷相中的P_2O_5含量达到30.17wt%,已经接近文献中提及的磷酸盐中P_2O_5富集理论固溶度。(5)对磷富集有特殊作用,且有利于传质的改性剂—CaF_2,论文研究了其含量从0变化至7wt%时,CaO-SiO_2-Al_2O_3-MgO-Fe_tO-P_2O_5-CaF_2 渣系粘度和结晶过程的变化规律。研究结果表明:随着CaF_2的增加,渣的粘度降低,流动性得到显著改善。同时从X射线光电子能谱和核磁光谱结果得知,体系的聚合度也会随着CaF_2的增加而逐渐降低,这与渣系粘度的降低相一致。结晶行为的研究发现:降温过程中,对于0wt%CaF_2的样品,MgFe_2O_4首先析出,接着析出nC2S-C3P;对于添加CaF_2的样品,Ca_5(PO_4)_3F先析出,紧接着是MgFe_2O_4析出,然后是nC2S-C3P析出。当CaF_2含量为3 wt%时,Ca_5(PO_4)_3F中的P_2O_5含量达到了 27.35 wt%。总之,两性氧化物Al_2O_3和TiO_2的加入都有助于钢渣中磷的选择性富集,且富磷相nC_2S-C_3P中的P_2O_5能满足钢渣磷肥指标,但加入CaF_2后,富磷相为Ca_5(PO_4)_3F,由于该富磷相利用较困难,致使钢渣得不到高效利用。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X757;O652.6

【参考文献】

中国期刊全文数据库前10条

1 林路;包燕平;王敏;周寒梅;;二氧化钛改质对含磷转炉渣中磷富集行为的影响[J];北京科技大学学报;2014年08期

2 Lu LIN;Yan-ping BAO;Min WANG;Wei JIANG;Han-mei ZHOU;;Separation and Recovery of Phosphorus from P-bearing Steelmaking Slag[J];Journal of Iron and Steel Research(International);2014年05期

3 周寒梅;包燕平;林路;;P_2O_5对CaO-SiO_2-Fe_tO-P_2O_5渣中富磷相的影响[J];中国冶金;2013年01期

4 王楠;梁志刚;陈敏;邹宗树;;CaO-SiO_2-Fe_tO-P_2O_5渣中磷的富集行为[J];东北大学学报(自然科学版);2011年06期

5 武杏荣;安吉南;陈荣欢;李辽沙;;转炉钢渣中磷的富集与富磷相长大[J];安徽工业大学学报(自然科学版);2010年03期

6 李辽沙;吴六顺;苏允隆;余亮;武杏荣;董元篪;;Al_2O_3对含钒钢渣中钒富集行为的影响[J];金属学报;2008年05期

7 王书桓;吴艳青;刘新生;徐志荣;吕晓芳;;硅还原转炉熔渣气化脱磷实验研究[J];钢铁;2008年02期

8 余亮;董元篪;;含钒钢渣添加SiO_2后的钒富集相与钒富集行为[J];材料与冶金学报;2007年02期

9 李辽沙;于学峰;余亮;武杏荣;;转炉钢渣中磷元素的分布[J];中国冶金;2007年01期

10 陈美祝;周明凯;伦云霞;徐方;;钢渣高附加值利用模式分析[J];中国矿业;2006年06期

中国重要会议论文全文数据库前1条

1 王贤慧;朱立江;;钢渣处理国内外的现状及发展趋势[A];2010年全国炼钢—连铸生产技术会议文集[C];2010年

中国博士学位论文全文数据库前6条

1 顾琳;国际铁矿石供需格局逆转后中国铁矿石资源战略储备研究[D];昆明理工大学;2016年