白云鄂博铁精矿预还原烧结矿制备过程中磷的脱除机理研究

Dephosphorization in sintering process is the effective measure to decrease circulating accumulation of phosphorus during entire production process of steel. Phosphorus will be removed efficiently from iron concentrates under the condition of strongly reducing atmosphere and negative pressure for the prereducing sinter production. Gas phase properties in sintered ore zone, combusting zone, preheating zone, drying zone, and overwet zone vary considerably, which leads to different thermodynamic and kinetic conditions and complicated mechanism for dephosphorizing. The study on gas phase temperature, pressure, composition, heat transfer coefficients, and resistance coefficients in different zones will be very important to investigate and clarify thermodynamic and kinetic mechanism of dephosphorization, which will play a key role in the high effective utilization of Baiyunebo iron ore resource. The main contents of this research project are as follows: (1) the main occurrence states of phosphorus in ore concentrates and its influential factors; (2) the effective separation of phosphorus mineral and gangue mineral in Baiyunebo iron ore concentrates; (3) the influence of sintering technics parameters on gas phase properties in different zones; (4) the thermodynamic and kinetic mechanism of dephosphorization; (5) the influence of sintering technics parameters on prereducing sinter quality; (6)the relations between prereducing degree and dephosphorizing rate.

烧结脱磷是解决磷在钢铁流程中恶性循环积累的有效技术措施。项目拟利用预还原烧结矿制备过程的强还原性气氛和负压操作特点，实现铁精矿中磷的高效脱除。由于烧结料层的烧结矿带、燃烧带、预热带、干燥带和过湿带中的气相性质差别较大，导致各带脱磷的热力学和动力学条件各不相同，且烧结脱磷机理变得较为复杂。因此，项目从烧结料层各带的气相温度、压力、组成、传热系数和物性阻力系数研究出发，探明料层各带脱磷的热力学与动力学机理，这个科学问题的解决，对于更加有效高质量高产量地综合利用白云鄂博铁矿资源将起到关键作用。项目研究的主要内容为：（1）铁精矿中含磷矿物的赋存状态及其影响因素；（2）白云鄂博铁精矿中含磷矿物与脉石矿物的有效分离方法；（3）烧结工艺参数对料层各带气相性质的影响规律；（4）烧结料层各带脱磷的热力学与动力学机理；（5）烧结工艺参数对预还原烧结矿质量的影响规律；（6）烧结矿预还原度与脱磷效率之间的关系。

针对磷在钢铁流程中恶性循环积累所导致的“磷害”问题，利用预还原烧结矿制备过程的强还原性气氛和负压操作特点，实现铁精矿中磷的高效脱除。项目基于白云鄂博铁精矿中含磷矿物的赋存状态，通过研究含磷矿物与脉石矿物的有效分离，预还原烧结过程中脱磷的热力学与动力学机理以及烧结工艺参数对预还原烧结矿质量、冶金性能、脱磷率的影响规律以探明预还原烧结过程中磷的脱除机理，进而达到综合利用中高磷铁矿资源、缓减铁矿石供应不足、降低钢铁冶炼成本的目的。研究结果表明白云鄂博铁精矿中磷元素存在于独居石和磷灰石（含氟磷灰石）中，独居石占15.38wt%，磷灰石占84.62wt%，因此脱除以磷灰石形式存在的磷是关键；含磷矿物粒度细且与脉石矿物嵌布紧密，脉石成分有碳酸盐类云石、硅酸盐类闪石及硅铝酸盐类云母矿物。通过FactSage热力学计算与真空碳管炉焙烧实验发现在铁精矿中添加1wt%Na2CO3纯试剂能去除含磷矿物周围的脉石包裹。利用FactSage热力学软件对标准状态与非标态下预还原烧结脱磷反应的自由能变化与温度的关系分析可知，添加Na2CO3纯试剂、提高焙烧温度、降低碱度以及负压操作有利于从热力学上促进磷的气化脱除。以磷酸钙纯试剂为实验原料，通过对不同升温速率下热重-差热曲线分析可知，脱磷反应平均活化能为167.58kJ/mol，指数前因子lnA(s-1)=10.23，反应机理函数为g(α)=1-(1-α)1/3，限制性环节是三维收缩球体界相反应。将真空碳管炉与烧结杯实验相结合，研究发现当配碳量20wt%、焙烧温度1050℃、SiO2添加量3wt%时铁精矿气化脱磷率最大，可分别达到31%和70%。利用扫描电镜、电子探针分析与第一性原理计算可知，磷原子能进入Fe3C晶格中，配碳量过高导致磷大幅向金属铁相迁移；脱磷为吸热反应，提高温度使得平衡向右移动，但温度过高同样抑制磷向气相迁移；同时，烧结杯较真空碳管炉的脱磷动力学条件好且还原得到的金属铁少，因此气化脱磷率显著改善，可由磷含量为0.08wt%铁精矿通过烧结气化脱磷得到磷含量为0.024wt%的预还原烧结矿。此外，预还原烧结矿中FeO含量为54.58wt%，是铁精矿FeO含量的2倍；烧结矿还原度48.8%，转鼓强度99.78%。倘若将预还原烧结矿作为高炉入炉原料，不仅能大幅减少焦炭用量，降低高炉CO2排放量，而且能够很大程度地减轻脱磷负荷。