CN109897934A

CN109897934A - 一种提高含磷钢渣中磷高效富集效果的方法

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Publication number: CN109897934A
Application number: CN201910153576.4A
Authority: CN
Inventors: 林路; 何赛; 梁强; 吕岩; 杨利彬; 吴伟; 曾加庆
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2019-06-18
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: CN109897934B

Abstract

一种提高含磷钢渣中磷高效富集效果的方法，属于冶金工业废渣的循环利用技术领域。在冶炼结束后，在高温炉渣出渣过程中，在渣罐底部或随液态渣流加入一定量改质剂，利用钢渣余热对液态含磷渣进行熔融改质处理，然后控制炉渣温降速率，以充分保证炉渣和改质剂充分熔化和反应，待炉渣温度降至磷富集温度时，对炉渣进行保温处理以充分促进3CaO·P₂O₅的析出，在以一定温降速率降低炉渣温度至炉渣凝固，实现含磷渣中磷的高效富集。优点在于,克服了实际生产中富磷相中磷含量低而无法满足磷肥或添加剂磷含量要求以及富集过程中钢渣余热无法利用的不利影响。简单可靠，可操作性强，便于实现，使含磷渣中富磷相中P₂O₅含量显著提高，大大提高了含磷渣中磷的富集效果。

Description

一种提高含磷钢渣中磷高效富集效果的方法

技术领域

本发明属于冶金工业废渣的循环利用领域，特别是提供了一种提高含磷钢渣中磷高效富集效果的方法，通过此方法可以实现含磷钢渣中磷的高浓度富集，这为含磷钢渣中磷资源的分离回收，含磷钢渣资源化利用作磷肥，以及减小由含磷钢渣的大量堆弃而造成的土地占用和环境污染，增大钢铁企业的经济效益，都有着至关重要的作用。因此本发明对冶金工业废渣尤其大量堆存的含磷钢渣高效循环利用有着重要的借鉴和指导意义。

背景技术

我国钢渣利用研究起步较晚，当前国内积存的钢渣已有2亿吨以上，而我国钢渣实际年利用率低，与国外的差距仍较大。因此，我国钢渣处理面临着紧迫的形势和环境压力，作为大量堆存的含磷钢渣，其资源化利用的问题成为亟待开展并解决的研究工作。

由于炼钢过程脱磷的需要以及近年来高磷矿的使用势必造成钢渣中磷含量较高，如简单地将钢渣返回冶炼内部循环利用，则必然会造成磷在铁液中的循环富集，并最终限制钢渣的再利用；如直接将钢渣用作为托马斯磷肥的原料又嫌磷含量太低。因此，如果能将钢渣中的P₂O₅富集并分离出来，提取出来含P₂O₅相可以作磷肥或磷肥添加剂，而其余成分皆可返回冶炼内部循环使用，如烧结、铁水脱硅、铁水脱磷过程，实现钢渣的循环利用，促进含磷钢渣在农业领域的资源化利用，解决了环境污染并创造经济效益。

钢渣磷肥的使用已有百余年的历史，法国、德国等含磷铁矿比较丰富的国家，钢渣磷肥所占比重一直很大，占磷肥总量的13～16％，而我国钢渣在化肥方面的利用率是非常低，仅为钢渣总量的0.5％。截止目前，关于含磷钢渣资源化利用作磷肥或磷肥添加剂已成为备受关注的问题，钢渣磷肥属枸溶性磷肥，其肥效主要由P₂O₅含量和枸溶率两方面确定，而钢渣磷肥中P₂O₅含量的高低决定于渣中磷富集分离效果。但由于高碱度钢渣中2CaO·SiO₂的析出量很大，固溶体中磷的含量太低，无法满足钢渣磷肥对磷含量的要求，需要对渣中的磷进行富集。因此，如何从工艺控制上提高含磷渣中磷的富集程度对钢铁企业大量堆存含磷钢渣资源化利用作磷肥起着至关重要作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含磷钢渣中磷高效富集的方法，充分利用高温钢渣余热以及出渣过程中良好的搅拌动力学条件，采用出渣过程中熔融改质与控制合理降温制度协同配合来经济可靠实现钢渣中磷高效富集的处理工艺。很好的解决了实际生产中因富磷相中磷含量低而无法满足磷肥或添加剂对磷含量要求以及富集过程中钢渣余热无法利用的问题，为含磷渣中磷的高效分离及资源化利用奠定了基础，提升钢铁企业的经济效益和减少环境污染。

本发明中涉及工艺方法是在传统冶炼终点出渣工艺基础上提出的，利用出渣过程中大量钢渣余热，对钢渣进行熔融改性处理，再控制熔渣冷却温度、冷却速率及保温温度与时间等工艺条件，以此促进磷在渣中不同相间高效迁移，实现磷在渣中富磷相中高浓度富集，富集后富磷相完全满足磷肥生产对磷含量的要求；同时，该方法简单可靠，可操作性强，便于实现，使含磷渣中富磷相中P₂O₅含量显著提高，大大提高了含磷渣中磷的富集效果，同时也有效的利用钢渣余热；很好的解决了因提取的富磷相中磷含量低而无法满足磷肥或添加剂对磷含量要求的问题，为含磷渣中磷的高效分离及资源化利用奠定了基础，提升钢铁企业的经济效益和减少环境污染。

实现本发明的目的基于以下思路：在冶炼完毕出渣过程中，向专用渣罐底部或随液态渣流加入一定量改质剂对炉渣进行熔融改质处理，然后控制炉渣温降速率，以充分保证炉渣和改质剂充分熔化和反应，待炉渣温度降至合适温度时，对炉渣进行保温处理以充分促进3CaO·P₂O₅的析出，保温结束后，再以一定温降速率降低炉渣温度至炉渣凝固，最终实现含磷渣中磷高效富集的目的。本方法包括以下步骤：

(1)冶炼出钢完毕后，在高温钢渣出渣过程中，事先在具有加热保温功能的专用盛渣罐底部或随液态渣流加入一定量改质剂，利用钢渣余热和出渣动力对炉渣进行熔融改质处理，其中所述改质剂种类硅石、泥沙、砂石、SiO₂、Al₂O₃、TiO₂，加入量为出渣重量的5％-20％；

(2)高温钢渣倒入专用渣罐中后，利用钢渣磷富集专用渣罐具有的调温功能，将钢渣温度控制1400℃-1600℃某一温度下，保温20min-1h，以确保熔渣和改质剂充分熔化和反应；

(3)随后使炉渣以3℃/min-10℃/min温降速率降温，待炉渣温度降至渣中磷高效富集及长大的合适温度，对炉渣进行一定时间保温处理以促进充分促进3CaO·P₂O₅的析出，并建立炉渣中磷富集动力学方程。所述渣中磷高效富集及长大的合适温度范围为1350℃～1380℃，磷富集保温阶段保温时间为30min-120min；

(4)在炉渣富磷温度保温结束后进入降温阶段，炉渣再以3℃/min-10℃/min的温降速率降低炉渣温度至炉渣凝固，磷富集降温阶段降温时间≥10min，最终实现含磷炉渣中磷高效富集的目的；

(5)经炉渣磷富集工艺处理后，炉渣经过生产流程后续处理，实现钢渣的资源化利用。

步骤(3)中涉及富磷相磷富集动力学方程式如下：其中，[％P₂O₅]_SS为含磷渣中富磷相P₂O₅质量分数，％；[％P₂O₅]⁰为含磷渣中初始P₂O₅质量分数，％；a为常数，取值-1～-7；b为常数，取值20～100；c为常数，取值2～8。

步骤(3)和步骤(4)中磷富集保温阶段保温时间和降温阶段降温时间之和不少于60min；

步骤(5)中的所述生产流程后续处理为研磨-磁选分离处理工艺，具体流程为对钢渣研磨后采用磁选分离手段提取渣中富磷相，提取的富磷相可以作钢渣磷肥或磷肥添加剂，其余渣料可返回冶炼内部循环使用，如烧结、铁水脱硅、铁水脱磷过程。

所述含磷钢渣为含磷转炉渣、含磷电炉渣。

本发明的优点在于通过合理利用钢渣余热及出渣搅拌能，采用出渣熔融改质与控制合理降温制度协同配合，在降低实际生产中热量消耗及生产成本的同时，显著提升含磷渣中富磷相P₂O₅含量，该工艺处理后含磷渣中富磷相P₂O₅含量能稳定控制在30％以上，满足钢渣磷肥对P₂O₅含量的要求；且该方法简单可靠，可操作性强，便于实现，使含磷渣中富磷相P₂O₅含量明显增加，大大提高了含磷渣中磷的富集效果，同时也大大减少了炉渣处理时能量消耗；很好的解决了实际生产中因富磷相中磷含量低提取后而无法满足磷肥或添加剂对磷含量要求以及富集过程中钢渣余热无法利用的问题，为含磷渣中磷的高效分离及资源化利用奠定了基础，提升钢铁企业的经济效益和减少环境污染。

本发明与其他含磷渣资源化处理方法不同之处在于：

1)常规含磷渣资源化利用处理时，基本考虑的是作水泥等建筑材料辅料，目前没有含磷渣磷富集分离处理作钢渣磷肥或磷肥添加剂的成熟工业案例；本发明方法中针对有效回收含磷渣中磷资源的难题，提出了含磷渣中磷高效富集的新工艺方法，即充分利用高温钢渣余热以及出渣过程中良好的搅拌动力学条件，采用出渣熔融改质与控制合理降温制度协同配合来经济可靠实现钢渣中磷高效富集的处理工艺，并提出相应工艺控制规则；2)该工艺方法提出了利用高温钢渣余热以及出渣过程中良好的搅拌动力学条件对钢渣进行熔融改质处理的工艺方案，加速熔渣和改质剂熔化和反应，为熔融改质提供了良好的热力学和动力学条件；3)该工艺方法给出炉渣降温速率、保温温度及时间等温度控制制度，提出炉渣中磷富集热力学和动力学条件，显著增加了含磷渣中P₂O₅含量；4)整个流程生产成本降低，含磷渣中磷富集效率高，分离后提取的富磷渣中P₂O₅含量高，实际生产中富磷相中磷含量低而无法满足磷肥或添加剂磷含量要求以及富集过程中钢渣余热无法利用的问题，且方法操作简单，便于实现。

附图说明

图1为实施例1中原始转炉渣SEM照片图。

图2中实施例1中改性转炉渣SEM照片图。

图3为实施例2中原始转炉渣SEM照片图。

图4中实施例2中改性转炉渣SEM照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

针对某厂转炉脱磷后高碱度含磷炉渣采用本方法进行处理。具体实施过程如下：(1)转炉冶炼出钢完毕后，在高温钢渣出渣过程中，事先在专用渣罐底部加入一定量SiO₂改质剂，SiO₂改质剂出渣量的10％，控制熔融改性后改性渣炉渣碱度 (CaO/SiO₂)为1.5～2.0，该厂冶炼结束原始转炉渣和改性渣成分见表1；(2)高温钢渣倒入专用渣罐中后，利用钢渣磷富集专用渣罐具有的调温功能，将钢渣温度控制在1500℃，保温30min，以确保熔渣和改质剂充分熔化和反应；(3)随后使炉渣以5℃/min温降速率降温，待炉渣温度降至1360℃，对炉渣进行保温60min，以充分促进3CaO·P₂O₅的析出及渣中磷高效富集与富磷相长大；(4)在炉渣富磷温度保温结束后进入降温阶段，炉渣再以3℃/min的温降速率降低炉渣温度至炉渣凝固，最终实现含磷炉渣中磷高效富集的目的，磷富集前后钢渣中各物相成分见表2；(5)经炉渣磷富集工艺处理后，对钢渣研磨后采用磁选分离手段提取渣中富磷相，提取的富磷相可以作钢渣磷肥或磷肥添加剂，其余渣料可返回冶炼内部循环使用，如烧结、铁水脱硅、铁水脱磷过程，最终实现钢渣的资源化利用；(6)需要说明的是：试验得到该厂富磷相磷富集动力学方程式中常数a、b和c分别为-2.11、51.04和3.05，结合权利要求中富磷相磷富集动力学方程式，得到富磷相磷富集控制方程为在实际生产中，可通过上述关系式控制合理的 [％P₂O₅]⁰和t来实现含磷渣中磷高效富集；(7)需要说明的是：磷富集降温阶段降温速率较低，磷富集降温阶段降温时间≥20min，可保证磷富集保温阶段保温时间和降温阶段降温时间不少于60min的要求；

表1某厂原始转炉渣和改性渣成分质量分数，％

表2某厂原始工艺和本发明方法渣中磷富集后相关指标对比

注：各物相成分为扫描电镜下EDS结果

实施例2

针对某厂转炉脱磷后高碱度含磷炉渣采用本方法进行处理。具体实施过程如下：(1)转炉冶炼出钢完毕后，在高温钢渣出渣过程中，事先在专用渣罐底部加入一定量Al₂O₃改质剂，Al₂O₃改质剂出渣量的15％，该厂冶炼结束原始转炉渣成分见表3； (2)高温钢渣倒入专用渣罐中后，利用钢渣磷富集专用渣罐具有的调温功能，将钢渣温度控制1480℃，保温30min，以确保熔渣和改质剂充分熔化和反应；(3)随后使炉渣以5℃/min温降速率降温，待炉渣温度降至1350℃，对炉渣进行保温60min，以充分促进3CaO·P₂O₅的析出及渣中磷高效富集与富磷相长大；(4)在炉渣富磷温度保温结束后进入降温阶段，炉渣再以3℃/min的温降速率降低炉渣温度至炉渣凝固，最终实现含磷炉渣中磷高效富集的目的，磷富集前后钢渣中各物相成分见表4；(5) 经炉渣磷富集工艺处理后，对钢渣研磨后采用磁选分离手段提取渣中富磷相，提取的富磷相可以作钢渣磷肥或磷肥添加剂，其余渣料可返回冶炼内部循环使用，如烧结、铁水脱硅、铁水脱磷过程，最终实现钢渣的资源化利用；(6)需要说明的是：试验得到该厂富磷相磷富集动力学方程式中常数a、b和c分别为-2.89、43.45和3.81，结合权利要求中富磷相磷富集动力学方程式，得到富磷相磷富集控制方程为在实际生产中，可通过上述关系式控制合理的 [％P₂O₅]⁰和t来实现含磷渣中磷高效富集；(7)需要说明的是：磷富集降温阶段降温速率较低，磷富集降温阶段降温时间≥20min，可保证磷富集保温阶段保温时间和降温阶段降温时间不少于60min的要求；

表3某厂原始转炉渣成分质量分数，％

表4某厂原始工艺和本发明方法渣中磷富集后相关指标对比

注：各物相成分为扫描电镜下EDS结果

实施例3

针对钢铁冶炼流程产生的含磷电炉渣、含磷铁水预处理渣等其他钢渣，也适用本实施例中的含磷渣中磷高效富集的工艺方法。由于炉渣种类、炉渣成分、物相性质等参数不同，因此在采用炉渣处理工艺时改质剂种类、改质剂加入量、控制温度、降温速率、保温时间等控制条件也都并不相同。

值得注意的是，本发明不仅限于上述实施例中的转炉钢渣，也同样适用于钢铁生产流程中产生的其他含磷钢渣。

值得注意的是，本发明中提供了含磷渣中富磷相P₂O₅质量分数[％P₂O₅]_SS与磷渣中初始P₂O₅质量分数[％P₂O₅]⁰和磷富集时间t关系式，并在实施例中给出了特定试验条件下关键常数a、b和c的取值，并不代表此种钢渣在本发明中涉及控制关系中常数a、b和c为唯一定值，而对于关键常数a、b和c的确定应是由具体钢渣、改质条件，温度控制制度及相关设备参数等特定条件来综合确定，同时本发明给出了常数a、b和c取值范围。

值得注意的是，本发明中强调的是一种通过合理利用钢渣余热及出渣搅拌能，采用出渣熔融改质与控制合理降温制度协同配合来实现含磷渣中磷高效富集的思路，基于此思路本方明给出关键参数控制关系；因此，对于任何在此思路指引下得到的方法或控制关系或控制方法，均应涵盖在本方明保护范围内。

综上所述，本发明提供了一种含磷钢渣中磷高效富集的工艺方法，本发明通过合理利用高温钢渣余热以及出渣过程中良好的搅拌动力学条件，采用出渣熔融改质与控制合理降温制度协同配合，在降低实际生产中热量消耗及生产成本的同时，显著提升含磷渣中富磷相P₂O₅含量，该工艺处理后含磷渣中富磷相P₂O₅含量能稳定控制在30％以上，满足钢渣磷肥对P₂O₅含量的要求；且该方法简单可靠，可操作性强，便于实现，使含磷渣中富磷相P₂O₅含量明显增加，相应地提高了提取富磷相中P₂O₅含量，同时也大大减少了炉渣处理时能量消耗；很好的解决了实际生产中因富磷相中磷含量低而无法满足磷肥或添加剂对磷含量要求以及富集过程中钢渣余热无法利用的问题，为含磷渣中磷的高效分离及资源化利用奠定了基础，提升钢铁企业的经济效益和减少环境污染。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种提高含磷钢渣中磷高效富集效果的方法，其特征在于：工艺步骤及控制的技术参数如下：

(1)冶炼出钢完毕后，在高温钢渣出渣过程中，事先在具有加热保温功能的盛渣罐底部或随液态渣流加入一定量改质剂，利用钢渣余热和出渣动力对炉渣进行熔融改质处理，所述改质剂为：硅石、泥沙、砂石、SiO₂、Al₂O₃、TiO₂，加入量为出渣重量的5％-20％；

(3)随后使炉渣以3℃/min-10℃/min温降速率降温，待炉渣温度降至渣中磷高效富集及长大的合适温度，对炉渣进行一定时间保温处理以促进充分促进3CaO·P₂O₅的析出，并建立炉渣中磷富集动力学方程；所述渣中磷高效富集及长大的合适温度范围为1350℃～1380℃，磷富集保温阶段保温时间为30min-120min；

2.根据权利要求1所述的方法，步骤(3)中涉及富磷相磷富集动力学方程式如下：其中，[％P₂O₅]_SS为含磷渣中富磷相P₂O₅质量分数，％；[％P₂O₅]⁰为含磷渣中初始P₂O₅质量分数，％；t为磷富集时间，min；a为常数，取值-7～-1；b为常数，取值20～100；c为常数，取值2～8。

3.根据权利要求1所述的方法，步骤(3)和步骤(4)中磷富集保温阶段保温时间和降温阶段降温时间之和不少于60min。

4.根据权利要求1所述的方法，步骤(5)中的所述生产流程后续处理为研磨-磁选分离处理工艺，具体流程为对钢渣研磨后采用磁选分离手段提取渣中富磷相，提取的富磷相作钢渣磷肥或磷肥添加剂，其余渣料返回冶炼内部循环使用。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的含磷钢渣为含磷转炉渣、含磷电炉渣。