高炉中磷的行为规律探讨

高炉中磷的行为规律探讨内蒙古科技大学罗果萍（教授）2015.03一.高炉内磷还原反应的热力学分析二.影响铁水磷含量的因素三.降低铁水磷含量的措施四.炼磷高炉中磷的走向统计规律五.冶炼含磷生铁时高炉中硅的动态规律性讲座提纲一.高炉内磷还原反应的热力学分析T＜950~1000℃2（3FeO·P2O5·8H2O）+16CO=3Fe2P+P+16CO2+16H2T＞950~1000℃2（3FeO·P2O5·8H2O）+16C=3Fe2P+P+16CO2+16H2OT＞1500℃（3CaO·P2O5）+5[C]=3(CaO)+2[P]+5CO当有SiO2存在时，可促进3CaO·P2O5的还原：T＞1200℃2（3CaO·P2O5）+3（SiO2）+10C=3（2CaO·SiO2）+4[P]+10CO一.高炉内磷还原反应的热力学分析一.高炉内磷还原反应的热力学分析高炉内存在有利于P还原的条件：①SiO2的存在，促进了P的还原。②从3CaO·P2O5中置换出的P2O5易于挥发（300℃升华），与C相遇而被还原。③[P]可与[Fe]结合成稳定的化合物[Fe2P]、[Fe3P]。④高炉内的强还原气氛，利于P的还原。一.高炉内磷还原反应的热力学分析⑤还原产物容易气化挥发，形成P2(g)↑和P4(g)↑，循环富集，造成铁水磷含量增加。⑥长期冶炼实践表明，低磷矿石冶炼炉料中的P几乎全部还原进入生铁，因此必须控制炉料的含P量，才能控制生铁的含P量。只有采用磷含量较高的矿石冶炼中高磷生铁时，才会有5%—15%的磷进入炉渣。二.影响铁水磷含量的因素①对于磷含量较低的普通矿石，高炉冶炼过程中磷几乎全部还原进入生铁，矿石磷含量升高是铁水磷含量升高的主要原因。但对于冶炼磷含量较高的矿石，其它因素也会对铁水磷含量造成影响。②高炉炉缸温度对铁水含磷量的影响：磷还原为吸热反应，炉缸温度高，热量充沛，有利于磷的还原。炉缸温度对铁水磷含量的影响COPCOP5][2][5)(52874开始TmolJTG/89.7356428320COPCOP5][2][5)(52/mol25.1601589700JTG719开始TCOFeCFeO][][)(℃℃COSiCSiO2][][2)(2/mol16.3915915750JTGCOSiCSiO2][][2)(2/mol16.3915915750JTG1239开始TmolJTG/07.8596.16264380COPCaOCOPCaO5][2)(3][5)3(521620开始T炉缸温度对铁水磷含量的影响℃℃炉缸温度对铁水磷含量的影响还原1kg铁耗热量为649Kcal，耗碳0.1kg；还原1kg硅耗热量为5360Kcal，耗碳0.86kg；还原1kg磷耗热量为6275Kcal，耗碳0.97kg；还原1kg硅耗热量约相当于还原8kg铁；还原1kg磷耗热量约相当于还原10kg铁；磷属于难还原的元素，在高炉里主要以直接还原的方式进行还原；炉缸温度的提高可促进磷的还原，使铁水含磷量升高；在炉料磷含量较高的情况下，铁水磷含量会随着硅含量同步升高。SiO2对铁水磷含量的影响③高炉中有大量的SiO2存在，提高了P2O5的活度，促进了磷的还原。使得每还原出1kg磷耗热量降低为5471Kcal，即降低了804Kcal，对应还原消耗碳量减少了0.12kg。SiO2对铁水磷含量的影响COPSiOCaOCSiOOPCaO10][4)2(3][10)(3)3(22252molJTG/2.18637.283572801249开始T当高炉炉温高时，焦比或燃料比也高，焦炭燃烧后灰分增多，渣中（SiO2）含量升高，炉渣碱度降低，铁水[Si]升高，会使铁水磷含量升高。高炉排碱期，炉渣碱度降低，渣中（SiO2）含量升高，使铁水硫、磷含量均升高。℃铁水[Si]含量对[P]含量的影响molJTG/5.1874.907020211开始T④铁水[Si]含量升高，会促进磷的还原和气态磷的循环富集：2（3CaO·P2O5）+5[Si]=6（CaO）+5(SiO2）+2P2(g)↑当铁水硅含量较高时，磷还原温度呈现降低趋势，并极易形成气态磷挥发，造成磷在高炉内的循环富集。℃气态P2O5、P2和P4对铁水磷含量的影响从3CaO·P2O5中置换出的P2O5可在300℃发生气化，在炉内循环富集，也会使单位生铁的磷负荷增大，铁水磷含量升高。还原形成磷蒸气时，即P2(g)↑和P4(g)↑，磷还原反应的进一步降低，开始温度也进一步降低，磷在高炉内的循环富集加重。0G形成不同形态还原产物的反应开始温度反应开始温度反应式[P]P2(g)↑P4(g)↑（P2O5）+5[C]=2[P]+5CO874℃777℃749℃（3CaO·P2O5）+5[C]=3(CaO)+2[P]+5CO1620℃1502℃1540℃2（3CaO·P2O5）+3（SiO2）+10[C]=3（2CaO·SiO2）+4[P]+10CO1249℃1175℃1183℃2（3CaO·P2O5）+5[Si]=6（CaO）+5(SiO2）+2P2(g)↑------211℃------三.降低铁水磷含量的措施①使用低磷、低硅高品位矿石并保持矿石成分的稳定性。矿石成分波动会造成磷在高炉内的循环富集，导致随着炉温升高和铁水硅含量的增大，铁水磷含量也升高。②保持高炉焦比、煤比和燃料比稳定，以及燃料化学成分的稳定，是确保炉渣碱度和（SiO2）含量稳定的前提，否则随着燃料比增大和燃料灰分的升高，炉渣（SiO2）含量升高，促进磷的还原及磷蒸气的循环富集，使铁水磷含量升高。③保持高炉温度分布的稳定性，特别是炉缸温度的稳定性，是减少磷在炉内循环富集和降低铁水磷含量的有效措施。④保持铁水成分的稳定性，特别是[Si]含量的稳定，是抑制磷蒸气产生和循环富集的措施。四.炼磷高炉中磷的走向统计规律高炉炼磷是利用高温的碳从磷铁矿中还原出元素磷的过程，其产品为磷蒸汽，进一步处理后得到黄磷，副产品是磷铁。入炉磷除变成产品外，还可存在于渣中、磷铁及挥发物中。随着矿石磷含量的升高，70%以上的磷气化挥发，入渣磷量升高，入渣和铁的比例相当。项目入炉总磷量入渣磷量入铁磷量精磷收得量入灰尘与煤气磷量Kg/日1805.8249.3220.81134.0191.7%10013.812.862.810.68M3炼磷高炉中磷的分配四.炼磷高炉中磷的走向统计规律入炉磷按气化挥发、入渣和入铁三个走向排出，则高炉渣中P2O5含量和磷的还原率及挥发率具有某种规律。磷的还原率定义为：入炉磷渣中磷入炉磷渣中磷入炉磷1还原率R=（即气化与入铁均为还原）渣中磷=渣量×(P2O5)×62/142通过对0.77M3和8M3高炉实验数据的分析整理发现:磷的还原率只与渣中(P2O5)含量呈显式函数关系，而与高炉形状、原料成份和操作条件无直接关联。四.炼磷高炉中磷的走向统计规律通过回归分析，得到磷还原率的经验公式：)12.8,18.2(),04852.0exp(8.101XpXpR磷还原率实验与计算结果渣中(P2O5)含量XP实验还原率Re计算还原率Rc2.2891.191.23.1587.787.44.1583.783.95.2478.878.86.2276.175.37.3470.271.38.1268.268.7四.炼磷高炉中磷的走向统计规律磷的入铁率定义为：入炉磷量入磷铁的磷量入铁率RP实验发现还原率一定时，磷入铁率(RP)与冶炼强度(I)和鼓风温度(Tb)有关：1000210bTAIAARP)1086,370()56.4,41.1(bTI对于0.77M3高炉：80.130449.024.15210AAA对于8M3高炉：128.40151.036.16210AAA四.炼磷高炉中磷的走向统计规律将随气体从炉顶排出炉外的磷定义为挥发磷：RPRRV磷入铁率磷还原率入炉磷量入煤气的磷量磷挥发率将还原率R与入铁率RP的计算式代入可得挥发率RV的计算式：)04852.0exp(8.101XpRV)1000(210bTAIAA四.炼磷高炉中磷的走向统计规律磷挥发率实验与计算结果渣中(P2O5)含量冶炼强度I鼓风温度Tb实验挥发率RVe计算挥发率RVc实验还原率Re计算还原率Rc实验入铁率RPe计算入铁率RPc实验挥发率/还原率VPe/RPe实验入铁率/还原率RPe/Re2.281.7299976.2978.9191.191.214.8112.295.1516.263.151.53107375.8575.4587.787.411.8511.956.4013.514.152.4875078.1078.4983.783.95.605.4113.946.695.242.9076074.2074.3678.878.84.604.4416.135.846.224.0177072.4070.8876.175.33.704.4219.574.867.344.5875063.8066.6470.271.36.404.669.979.128.123.4777063.4064.2268.268.74.804.4813.217.03四.炼磷高炉中磷的走向统计规律RVRVRnP生产1mol磷进入生铁中磷的mol数：RVRVRnP渣中(P2O5)含量冶炼强度I鼓风温度Tb实验挥发率RVe计算挥发率RVc实验还原率Re计算还原率Rc实验入铁率RPe计算入铁率RPc实验np(Fe)/np(g)计算np(Fe)/np(g)2.281.7299976.2978.9191.191.214.8112.290.190.163.151.53107375.8575.4587.787.411.8511.950.150.164.152.4875078.1078.4983.783.95.605.410.070.075.242.9076074.2074.3678.878.84.604.440.060.066.224.0177072.4070.8876.175.33.704.420.050.067.344.5875063.8066.6470.271.36.404.660.100.078.123.4777063.4064.2268.268.74.804.480.080.07磷铁矿高炉冶炼特征：①随着矿石磷含量的升高，磷在高炉中的气化挥发率显著增大，其挥发率一般在60%以上，进入炉渣的磷量也相应增多，磷的还原率降低，磷进入铁水的比例减少，磷在高炉中的分配发生了显著变化。②随着渣中(P2O5)含量的升高，磷的还原率降低，进入铁水和气化挥发的磷量均减少，但还原率对磷的入铁率影响更大，即通过提高炉渣碱度、增大渣量以增加炉渣吸收磷的能力，可有效降低铁水磷含量。③随着矿石磷含量的升高，磷在高炉内的循环富集加重，稳定原料、操作和炉况对于抑制磷的循环富集、降低铁水磷含量具有重要意义。四.炼磷高炉中磷的走向统计规律五.冶炼含磷生铁时高炉中硅的动态规律性高炉中硅的还原是一个由固态、液态和气态组成的复合过程。在滴落带中渣铁穿过焦炭层时发生了下列化学反应：在风口平面：SiO2→SiOg→[Si]SiO2→SiOg→SiCs→[Si]在风口平面以下的滴落带：（SiO2）→[Si]在铁滴穿过渣层：[Si]+2（FeO）=2[Fe]+（SiO2）在出铁口：（SiO2）+2[C]=[Si]+2CO五.冶炼含磷生铁时高炉中硅的动态规律性冶炼普通生铁时，可以看到硅在铁中含量与风口区理论燃烧温度之间密切的线性关系。根据耶那基耶沃冶金厂的情况，得出下列回归方程式：TSi/107.98911.4]lg[3风口区焦炭的理论燃烧温度对含磷铁中硅含量的影响特征：TSi/10232.31826.1]lg[3（生铁中[P]=1.18%）五.冶炼含磷生铁时高炉中硅的动态规律性相关文献