用鹽酸從鋼渣中浸出磷試驗研究

陳慧方，呂寧寧，楊金星，蘇 暢，王海川

(1.安徽工業大學 冶金工程學院，安徽 馬鞍山 243032；2.冶金減排與資源綜合利用教育部重點實驗室，安徽 馬鞍山 243002)

鋼渣是煉鋼過程中的副產物[1-3]，其中含有一定量磷[4-5]，直接回用于煉鋼會導致鐵水中磷濃度升高，影響鐵水質量[6-7]。從鋼渣中脫磷，可采用碳熱還原法[8-10]，將大部分磷轉入到鐵碳合金中；或通過高強度磁選，將磷轉到非磁性相中，而鐵、錳進入磁性相中[11]。利用鋼渣中含磷相密度低于其他物相的特點，將鋼渣高溫熔融然后緩慢冷卻，也可脫除含磷相[12-17]。但這些方法通常需要在高溫下進行，能耗高，對反應設備要求高。而濕法處理不需要較高溫度，操作簡便，目前已逐漸用于從鋼渣中除磷，如用無機酸浸出磷[18-20]，適宜條件下，磷可完全脫除。

為了提高磷的浸出率，降低無機酸浸出液的量，試驗研究了用低濃度鹽酸溶液從鋼渣中浸出磷，以期為有效脫除鋼渣中的磷提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

鋼渣：取自某鋼廠，其化學成分見表1，XRD分析結果如圖1所示。鋼渣堿度為2.91，P2O5質量分數3.60%，主要物相為2CaO·SiO2—3CaO·P2O5和MgO·FeO固溶體。

表1 鋼渣的化學成分 %

圖1 鋼渣的XRD分析結果

1.2 試驗原理與方法

用鹽酸從鋼渣中浸出磷的化學反應[21-23]如下：

(1)

(2)

取10 g鋼渣于燒杯中，加入鹽酸溶液，置于恒溫水浴電動攪拌裝置中攪拌，反應一段時間后取5 mL浸出液，過濾后用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP)測定其中磷質量濃度，計算磷浸出率。磷浸出率計算公式如下：

(3)

式中：r—磷浸出率，%；V—浸出液體積，L；ρ—浸出液中磷質量濃度，mg/L；m—鋼渣中磷質量，mg。

2 試驗結果與討論

2.1 鹽酸濃度對磷浸出率的影響

鋼渣粒度65 μm，溫度25 ℃，浸出時間10 min，攪拌速度600 r/min，液固體積質量比40/1，鹽酸濃度對磷浸出率的影響試驗結果如圖2所示。

—■—0.03 mol/L；—●—0.05 mol/L；—▲—0.07 mol/L；—▼—0.10 mol/L；—◆—0.20 mol/L。圖2 鹽酸濃度對磷浸出率的影響

由圖2看出：隨鹽酸濃度增大，磷浸出率升高；當鹽酸濃度超過0.1 mol/L后，磷浸出率增幅減小。鹽酸濃度過大，浸出液酸度增大，后續處理難度加大。綜合考慮，確定鹽酸濃度以0.1 mol/L為宜。其他條件不變，磷浸出率隨浸出時間延長迅速升高，10 min后變化較小，說明磷的浸出反應主要發生在浸出初期，10 min之后已基本浸出完全，浸出反應趨于平衡。綜合考慮，確定浸出時間以10 min為宜。

2.2 溫度對磷浸出率的影響

鋼渣粒度65 μm，鹽酸濃度0.1 mol/L，浸出時間10 min，攪拌速度600 r/min，液固體積質量比40/1，溫度對磷浸出率的影響試驗結果如圖3所示。

—■—25 ℃；—●—40 ℃；—▲—60 ℃；—▼—80 ℃。圖3 溫度對磷浸出率的影響

由圖3看出：隨溫度升高，磷浸出率逐漸升高，但升高幅度不大，即溫度對浸出反應影響不大。酸浸反應本身是放熱反應，升高溫度雖有利于傳質，但對促進磷的浸出反應作用不大，綜合考慮，確定浸出在室溫(25 ℃)下進行即可。

2.3 液固體積質量比對磷浸出率的影響

鋼渣粒度65 μm，鹽酸濃度0.1 mol/L，浸出時間10 min，攪拌速度600 r/min，溫度25 ℃，液固體積質量比對磷浸出率的影響試驗結果如圖4所示。

—■—5/1；—●—40/1；—▲—80/1；—▼—100/1。圖4 液固體積質量比對磷浸出率的影響

由圖4看出：隨液固體積質量比增大，磷浸出率升高，尤其液固體積質量比由5/1增大至100/1，磷浸出率增幅明顯。液固體積質量比增大，會大大降低體系黏度，有利于H+與鋼渣中的細小顆粒之間的運動與碰撞，促進反應進行。為保持較高的磷浸出率，同時盡可能降低后續溶液處理量，確定液固體積質量比以40/1為宜。

2.4 攪拌速度對磷浸出率的影響

鋼渣粒度65 μm，鹽酸濃度0.1 mol/L，浸出時間10 min，液固體積質量比40/1，溫度25 ℃，攪拌速度對磷浸出率的影響試驗結果如圖5所示。

—■—200 r/min；—●—400 r/min；—▲—600 r/min;—▼—800 r/min。圖5 攪拌速度對磷浸出率的影響

由圖5看出：隨攪拌速度增大，磷浸出率呈升高趨勢，但總體上變化不明顯。攪拌強度增大可加速反應物傳質擴散；但隨攪拌速度增大至600 r/min 后，磷浸出率僅略有增大，說明此條件下傳質不是反應限制因素。綜合考慮，確定攪拌速度以600 r/min為宜。

2.5 鋼渣粒度對磷浸出率的影響

鹽酸濃度0.1 mol/L，液固體積質量比40/1，溫度25 ℃，攪拌速度600 r/min，鋼渣粒度對磷浸出率的影響試驗結果如圖6所示。可以看出：隨鋼渣粒度減小，磷浸出率明顯升高；鋼渣粒度減小至65 μm時，磷浸出率在10 min 后達70.6%。降低鋼渣粒度可增大比表面積，進而有效提高與酸溶液的接觸面積，有利于浸出反應進行。

—■—65 μm；—●—95 μm；—▲—110 μm;—▼—125 μm。圖6 鋼渣平均粒度對磷浸出率的影響

浸出前、后鋼渣顆粒的形貌如圖7所示，不同位置的能譜分析結果如表2所示，鹽酸浸出后鋼渣的XRD分析結果如圖8所示。可以看出：相比于原始鋼渣，用0.1 mol/L鹽酸溶液浸出后，鋼渣顆粒表面出現了大量孔洞；能譜分析結果(表2)表明，浸出后鋼渣顆粒表面為鎂鐵相，未發現2CaO·SiO2—3CaO·P2O5固溶體相；浸出后，鋼渣中只含有鎂鐵相(圖8)，進一步證實了2CaO·SiO2—3CaO·P2O5固溶體相已被大量溶解。

圖7 浸出前(a)、后(b)鋼渣顆粒的形貌

圖8 鹽酸浸出后鋼渣的XRD圖譜

表2 圖7中不同位置的能譜分析結果 %

3 結論

用鹽酸浸出含磷固溶體可實現對鋼渣脫磷。適宜條件下，磷脫除率達90.36%。脫磷溶液中的磷可回收磷酸鹽，鋼渣可返回煉鋼流程。