一种钢渣分离铁与磷再氧化制备富磷渣的方法
阅读说明：本技术 一种钢渣分离铁与磷再氧化制备富磷渣的方法 (Method for preparing phosphorus-rich slag by separating iron and phosphorus from steel slag and reoxidizing ) 是由 袁章福 刘克 施春红 张岩岗 廖亮 于 2021-02-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种钢渣分离铁与磷再氧化制备富磷渣的方法,所述方法包括以下步骤：S1：将转炉炼钢排出的熔融钢渣装入密闭式直流电炉中,同时加入还原剂和改性剂,得到的高磷铁水；S2：将S1还原得到的高磷铁水装入到感应熔炼炉中,吹入氧气同时添加助熔剂和冷却剂,从炉底吹入惰性气体进行搅拌,完成钢渣分离铁与磷,同时得到富磷渣本发明通过密闭式直流电炉的炉内氧势低而产生高还原率,低排气量而产生高热效率,直流电炉有促进炉渣内流动、降低电极强度、操作简易等特征。本发明对冶金大宗固废资源循环利用及节约能源具有重要意义。(The invention provides a method for preparing phosphorus-rich slag by separating iron from phosphorus in steel slag and reoxidizing the iron and the phosphorus, which comprises the following steps of: s1: charging molten steel slag discharged by converter steelmaking into a closed direct current electric furnace, and simultaneously adding a reducing agent and a modifier to obtain high-phosphorus molten iron; s2: the high-phosphorus molten iron obtained by reduction in S1 is loaded into an induction smelting furnace, oxygen is blown in while fluxing agent and cooling agent are added, inert gas is blown in from the furnace bottom for stirring, the separation of iron and phosphorus from steel slag is completed, and meanwhile, phosphorus-rich slag is obtained. The invention has important significance for recycling metallurgical bulk solid waste resources and saving energy.)
【技术领域】
本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种钢渣分离铁与磷再氧化制备富磷渣的方法。
【背景技术】
随着钢铁产量不断攀升，相应排出的钢渣量也持续增加。2019年中国大陆粗钢产量为9.963亿吨，占全球粗钢产量的53.3％，居全球首位。每吨转炉钢约产出15％的钢渣，每年钢渣量约为1.2亿吨，据不完全统计截止到2019年底累积堆存量超18亿吨，而目前中国钢渣的有效利用率仅为30％左右，既浪费资源、大量占用耕地又造成环境污染。
钢铁冶炼内循环和制备建材是当前钢渣转化利用的两个主要途径：内循环方面，钢渣中的有害磷元素限制了其大规模高效转化利用；制备建材原料方面，有害磷元素和不稳定含铁物相等使其具有“劣质水泥熟料”之称。
转炉炼钢过程之中产生大量的高温熔融钢渣，温度高达约1600℃，渣比热容约为1.2J/(kg·℃)，每吨渣含有的显热大约相当于50～70kg标准煤完全燃烧后所产生的热量。如果能将这部分熔渣的显热进行回收，节能总量将达到600万吨标准煤。由于成本问题钢渣显热利用率很低，造成了热能的巨大浪费，充分利用钢渣的显热，对实现资源和能源的高效利用、降低钢铁企业的节能降耗具有重要意义。
高磷矿是一种极其难处理的铁矿资源，我国约有30～50亿吨储量，主要分布在湖南、湖北、广西、贵州等地区。这种铁矿石含磷高(0.4％～1.8％)而铁品位低(35％～50％)，铁矿石中的磷赋存于胶磷矿中，并与富含氧化铁的鲕绿泥石混杂在一起，形成同心层状相间的鮞粒结构。由于高磷矿石中特有的鮞粒结构以及含磷脉石矿物与铁矿物之间的复杂嵌布关系，导致重选、磁选、浮选等常规选矿法直接处理高磷矿时，虽可获得一定铁品位的铁精矿，但要有效降低铁精矿中的磷含量十分困难，而采用磁化焙烧、化学浸出等方法处理鮞状铁矿提铁脱磷时，也存在脱磷效果不佳、产品质量差、铁回收率低、成本高和环境污染大等问题。
作为炉渣的还原工艺，提出了转炉型、电炉型、竖炉型等各种各样的形态。其中，本发明选择了封闭式直流电炉来还原钢渣和高磷矿。本工艺是南非MINTEK开发的，主要用于铁合金制造，与溶解型通用电炉不同，没有空气的侵入，也不像通用还原电炉的埋弧炉那样形成固体原料的填充层。密封炉有以下几点特征：1)炉内氧势降低而产生的高还原率；2)低排气量而产生的高热效率；3)炉内低流速气体可以使粉体原料向上投入。另外，直流电炉有促进炉渣内流动、降低电极强度、操作简易等特征。
鉴于此，本发明用一种钢渣分离铁与磷再氧化制备富磷渣的方法。
【
发明内容
】有鉴于此，本发明提供了一种钢渣分离铁与磷再氧化制备富磷渣的方法，以克服现有技术中钢渣回收利用，钢渣余热回收利用以及高磷矿开发利用困难等难题。
一方面，本发明提供一种钢渣分离铁与磷再氧化制备富磷渣的方法，所述方法包括以下步骤：
S1：将转炉炼钢排出的熔融钢渣装入密闭式直流电炉中，同时加入还原剂和改性剂，得到的高磷铁水；
S2：将S1还原得到的高磷铁水装入到感应熔炼炉中，吹入氧气同时添加助熔剂和冷却剂，从炉底吹入惰性气体进行搅拌，完成钢渣分离铁与磷，同时得到富磷渣。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S1具体包括：
S11：在密闭式直流电炉内装入熔融铁水并残留一层还原渣；
S12：将转炉炼钢排出的1500℃～1700℃熔融钢渣装入保温炉内，通过倾斜缓慢加入密闭式直流电炉中；
S13：将还原剂和改性剂通过设置在炉盖上的原料投入管连续投入密闭式直流电炉中；
S14：密闭式直流电炉中还原处理完成时从出渣口排出还原渣，随着铁水的增加，在铁水液面接近出渣口的位置时，从出铁口排出还原得到的高磷铁水。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S13按钢渣和高磷矿品位计算，碳与铁的比例范围为150～300kg/tFe；高磷矿的加入量为钢渣总质量的1～50％，SiO2加入量为钢渣总质量的15～25％，Al2O3加入量为钢渣总质量的5～15％。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述还原剂为焦炭，所述改性剂包括高磷矿、SiO2和Al2O3，高磷矿含有70％赤铁矿、2.5％磷灰石和10％石英，铁元素有40-50％，磷元素有0.4-1％。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S14中还原后钢渣的目标组成为碱度(CaO)/(SiO2)＝1.0～1.2，碱度(Al2O3)＝10～12％，还原后钢渣与高炉炉渣成分相同。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S2具体包括：
S21：将还原得到的高磷铁水装入到感应熔炼炉中，然后从喷枪以30～60Nm3/h的速度吹入氧气，进行脱磷处理；
S22:从感应熔炼炉上方添加助熔剂和冷却剂；
S23:从感应熔炼炉的炉底的多孔塞吹入2～10Nm3/h的氩气作为搅拌气体，得到富磷渣。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述助熔剂包括生石灰、白云石和硅砂。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S23中搅拌时炉温设定在1200℃～1600℃之间。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S23中脱磷得到的炉渣为10～20％的P2O5，脱磷后的铁水为0.1％以下，铁水返回到转炉炼钢。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1.密闭式直流电炉的炉内氧势低而产生高还原率，低排气量而产生高热效率，炉内低流速气体可以使粉体原料向上投入，另外，直流电炉有促进炉渣内流动、降低电极强度、操作简易等特征；
2.在密闭式直流电炉中，由于钢渣中含有大量的氧化钙等碱性物质，故钢渣会对还原后产生的一部分CO2气体进行吸收，对CO2起到固定作用；
3.本发明对冶金大宗固废资源循环利用及节约能源具有重要意义。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的钢渣分离铁与磷再氧化制备的流程图；
图2是本发明一个实施例提供的密闭式直流电炉的系统示意图；
图3是本发明一个实施例提供的熔炼感应炉的系统示意图。
其中，图中：
1-高炉，2-铁水预处理装置，3-转炉，4-熔渣保温炉，5-尾渣回收装置，6-感应熔炼炉，7-密闭式直流电炉，8-空气燃烧器，9-氧气喷嘴，10-给料机，11-出渣口，12-出铁口，13-保温炉，14-电极，15-滑套，16-高温熔渣入口，17-氧气喷枪，18-氩底吹多孔砖。
【
具体实施方式
】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明提供一种钢渣分离铁与磷再氧化制备富磷渣的方法，所述方法包括以下步骤：
S1：将转炉炼钢排出的熔融钢渣装入密闭式直流电炉中，同时加入还原剂和改性剂，得到的高磷铁水；
S2：将S1还原得到的高磷铁水装入到感应熔炼炉中，吹入氧气同时添加助熔剂和冷却剂，从炉底吹入惰性气体进行搅拌，完成钢渣分离铁与磷，同时得到富磷渣。
所述S1具体包括：
S11：在密闭式直流电炉内装入熔融铁水并残留一层还原渣；
S12：将转炉炼钢排出的1500℃～1700℃熔融钢渣装入保温炉内，通过倾斜缓慢加入密闭式直流电炉中；
S13：将还原剂和改性剂通过设置在炉盖上的原料投入管连续投入密闭式直流电炉中；
S14：密闭式直流电炉中还原处理完成时从出渣口排出还原渣，随着铁水的增加，在铁水液面接近出渣口的位置时，从出铁口排出还原得到的高磷铁水。
所述S13按钢渣和高磷矿品位计算，碳与铁的比例范围为150～300kg/tFe；高磷矿的加入量为钢渣总质量的1～50％，SiO2加入量为钢渣总质量的15～25％，Al2O3加入量为钢渣总质量的5～15％。所述还原剂为焦炭，所述改性剂包括高磷矿、SiO2和Al2O3，高磷矿含有70％赤铁矿、2.5％磷灰石和10％石英，铁元素有40-50％，磷元素有0.4-1％。所述S14中还原后钢渣的目标组成为碱度(CaO)/(SiO2)＝1.0～1.2，碱度(Al2O3)＝10～12％，还原后钢渣与高炉炉渣成分相同。
所述S2具体包括：
S21：将还原得到的高磷铁水装入到感应熔炼炉中，然后从喷枪以30～60Nm3/h的速度吹入氧气，进行脱磷处理；
S22:从感应熔炼炉上方添加助熔剂和冷却剂；
S23:从感应熔炼炉的炉底的多孔塞吹入2～10Nm3/h的氩气作为搅拌气体，得到富磷渣。
所述助熔剂包括生石灰、白云石和硅砂。所述S23中搅拌时炉温设定在1200℃～1600℃之间。所述S23中脱磷得到的炉渣为10～20％的P2O5，脱磷后的铁水为0.1％以下，铁水返回到转炉炼钢。
本发明所述方法基于以下系统进行，如图1所示，所述系统包括高炉1、铁水预处理装置2、转炉3、熔渣保温炉4、感应熔炼炉6、密闭式直流电炉7和尾渣回收装置5，所述高炉1通过铁水预处理装置2连接转炉3，所述熔渣保温炉4一端同时连接转炉3和铁水预处理装置2，另一端连接密闭式直流电炉7，所述密闭式直流电炉7底部连接感应熔炼炉6，所述感应熔炼炉6底部连接转炉3，所述熔渣保温炉4和感应熔炼炉6均与尾渣回收装置5连接。
如图2所示，所述密闭式直流电炉7包括密封炉体、电极14和保温炉13，所述保温炉13一端连接密封炉体上方，另一端连接熔渣保温炉4，所述电极14一端设置在密封炉体内，另一端连接密封炉体外部的电源，所述密封炉体上方还设有给料机10，所述密封炉体两侧分别设置有出铁口12和出渣口11，出铁口12比出渣口11低200mm，所述出铁口12连接感应熔炼炉6，所述保温炉13上设置有空气燃烧口和氧气口，所述空气燃烧口连接空气燃烧器8，所述氧气口连接氧气喷嘴9，所述保温炉13上方还设有高温炉渣入口，所述高温炉渣入口连接熔渣保温炉4。所述熔渣保温炉4与尾渣回收装置5之间还设置有滑套15。
如图3所示，所述感应熔炼炉6上方同时设置连接氧气喷枪17和给料机10，所述感应熔炼炉6底部设置有氩底吹多孔砖18。
本发明所述方法冶炼过程具体如下：
(1)将转炉3炼钢排出的1500～1700℃熔融钢渣装入密闭式直流电炉7中，同时将碳质还原剂和作为改性剂的高磷矿、SiO2和Al2O3加入还原炉中，其中碳质还原剂按钢渣(TFe)和高磷矿品位计算，碳与铁的比例范围为150～300kg/tFe，高磷矿的加入量为钢渣总质量的1～50％，SiO2加入量为钢渣总质量的15～25％，Al2O3加入量为钢渣总质量的5～15％。
(2)将上述步骤还原得到的高磷铁水装入到感应熔炼炉6中，然后从喷枪吹入氧气，同时从上方添加生石灰、白云石、硅砂作为助熔剂，铁矿石作为冷却剂。另外，从炉底的多孔塞吹入氩气作为搅拌气体。
密闭式直流电炉7的炉内氧势低而产生高还原率，低排气量而产生高热效率，炉内低流速气体可以使粉体原料向上投入。在密闭式直流电炉7的上方设置用于储存熔渣的保温炉13。所述高磷矿的含铁为40-50％，主要以赤铁矿形式存在；含磷为0.4-1％，主要以磷灰石形式存在；其他主要脉石是石英，含量在10-15％之间。所述碳质还原剂为焦炭。
得到还原后钢渣的目标组成为碱度(CaO)/(SiO2)＝1.0～1.2，(Al2O3)＝10～12％，与高炉1炉渣相同。熔炼炉中喷枪以30～60Nm3/h的速度吹入氧气。从炉底的多孔塞吹入2～10Nm3/h的氩气作为搅拌气体。感应熔炼炉6内温度设定在1200～1600℃之间。脱磷后的铁水[P]为0.1％以下返回到转炉3炼钢，脱磷得到的富磷渣(P2O5)为10～20％用于生产高磷肥。
实施例1
将转炉炼钢排出的1400℃熔融钢渣装入密闭式直流电炉中，同时将碳质还原剂和作为改性剂的高磷矿、SiO2和Al2O3加入还原炉中，其中焦炭按钢渣(TFe)和高磷矿品位计算，碳与铁的比例范围为175kg/tFe，高磷矿的加入量为钢渣总质量的15％，SiO2加入量为钢渣总质量的25％，Al2O3加入量为钢渣总质量的10％。得到还原后钢渣与高炉炉渣相同，还原得到的高磷铁水装入到感应熔炼炉中，然后炉中喷枪以30Nm3/h的速度吹入氧气，同时从上方添加生石灰、白云石、硅砂作为助熔剂，铁矿石作为冷却剂。另外，从炉底的多孔塞吹入4Nm3/h的氩气作为搅拌气体，炉温设定为1300℃。
实施例2
将转炉炼钢排出的1450℃熔融钢渣装入密闭式直流电炉中，同时将碳质还原剂和作为改性剂的高磷矿、SiO2和Al2O3加入还原炉中，其中焦炭按钢渣(TFe)和高磷矿品位计算，碳与铁的比例范围为250kg/tFe，高磷矿的加入量为钢渣总质量的20％，SiO2加入量为钢渣总质量的21％，Al2O3加入量为钢渣总质量的12％。得到还原后钢渣与高炉炉渣相同，还原得到的高磷铁水装入到感应熔炼炉中，然后炉中喷枪以40Nm3/h的速度吹入氧气，同时从上方添加生石灰、白云石、硅砂作为助熔剂，铁矿石作为冷却剂。另外，从炉底的多孔塞吹入6Nm3/h的氩气作为搅拌气体，炉温设定为1400℃。
实施例3
将转炉炼钢排出的1500℃熔融钢渣装入密闭式直流电炉中，同时将碳质还原剂和作为改性剂的高磷矿、SiO2和Al2O3加入还原炉中，其中焦炭按钢渣(TFe)和高磷矿品位计算，碳与铁的比例范围为275kg/tFe，高磷矿的加入量为钢渣总质量的25％，SiO2加入量为钢渣总质量的18％，Al2O3加入量为钢渣总质量的12％。得到还原后钢渣与高炉炉渣相同，还原得到的高磷铁水装入到感应熔炼炉中，然后炉中喷枪以45Nm3/h的速度吹入氧气，同时从上方添加生石灰、白云石、硅砂作为助熔剂，铁矿石作为冷却剂。另外，从炉底的多孔塞吹入7Nm3/h的氩气作为搅拌气体，炉温设定为1500℃。
实施例4
将转炉炼钢排出的1600℃熔融钢渣装入密闭式直流电炉中，同时将碳质还原剂和作为改性剂的高磷矿、SiO2和Al2O3加入还原炉中，其中焦炭按钢渣(TFe)和高磷矿品位计算，碳与铁的比例范围为300kg/tFe，高磷矿的加入量为钢渣总质量的30％，SiO2加入量为钢渣总质量的15％，Al2O3加入量为钢渣总质量的15％。得到还原后钢渣与高炉炉渣相同，还原得到的高磷铁水装入到感应熔炼炉中，然后炉中喷枪以55Nm3/h的速度吹入氧气，同时从上方添加生石灰、白云石、硅砂作为助熔剂，铁矿石作为冷却剂。另外，从炉底的多孔塞吹入8Nm3/h的氩气作为搅拌气体，炉温设定为1600℃。
以上对本申请实施例所提供的一种钢渣分离铁与磷再氧化制备富磷渣的方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
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