用盐酸从钢渣中浸出磷试验研究

陈慧方，吕宁宁，杨金星，苏 畅，王海川

(1.安徽工业大学 冶金工程学院，安徽 马鞍山 243032；2.冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室，安徽 马鞍山 243002)

钢渣是炼钢过程中的副产物[1-3]，其中含有一定量磷[4-5]，直接回用于炼钢会导致铁水中磷浓度升高，影响铁水质量[6-7]。从钢渣中脱磷，可采用碳热还原法[8-10]，将大部分磷转入到铁碳合金中；或通过高强度磁选，将磷转到非磁性相中，而铁、锰进入磁性相中[11]。利用钢渣中含磷相密度低于其他物相的特点，将钢渣高温熔融然后缓慢冷却，也可脱除含磷相[12-17]。但这些方法通常需要在高温下进行，能耗高，对反应设备要求高。而湿法处理不需要较高温度，操作简便，目前已逐渐用于从钢渣中除磷，如用无机酸浸出磷[18-20]，适宜条件下，磷可完全脱除。

为了提高磷的浸出率，降低无机酸浸出液的量，试验研究了用低浓度盐酸溶液从钢渣中浸出磷，以期为有效脱除钢渣中的磷提供参考。

1 试验部分

1.1 试验原料

钢渣：取自某钢厂，其化学成分见表1，XRD分析结果如图1所示。钢渣碱度为2.91，P2O5质量分数3.60%，主要物相为2CaO·SiO2—3CaO·P2O5和MgO·FeO固溶体。

表1 钢渣的化学成分 %

图1 钢渣的XRD分析结果

1.2 试验原理与方法

用盐酸从钢渣中浸出磷的化学反应[21-23]如下：

(1)

(2)

取10 g钢渣于烧杯中，加入盐酸溶液，置于恒温水浴电动搅拌装置中搅拌，反应一段时间后取5 mL浸出液，过滤后用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)测定其中磷质量浓度，计算磷浸出率。磷浸出率计算公式如下：

(3)

式中：r—磷浸出率，%；V—浸出液体积，L；ρ—浸出液中磷质量浓度，mg/L；m—钢渣中磷质量，mg。

2 试验结果与讨论

2.1 盐酸浓度对磷浸出率的影响

钢渣粒度65 μm，温度25 ℃，浸出时间10 min，搅拌速度600 r/min，液固体积质量比40/1，盐酸浓度对磷浸出率的影响试验结果如图2所示。

—■—0.03 mol/L；—●—0.05 mol/L；—▲—0.07 mol/L；—▼—0.10 mol/L；—◆—0.20 mol/L。图2 盐酸浓度对磷浸出率的影响

由图2看出：随盐酸浓度增大，磷浸出率升高；当盐酸浓度超过0.1 mol/L后，磷浸出率增幅减小。盐酸浓度过大，浸出液酸度增大，后续处理难度加大。综合考虑，确定盐酸浓度以0.1 mol/L为宜。其他条件不变，磷浸出率随浸出时间延长迅速升高，10 min后变化较小，说明磷的浸出反应主要发生在浸出初期，10 min之后已基本浸出完全，浸出反应趋于平衡。综合考虑，确定浸出时间以10 min为宜。

2.2 温度对磷浸出率的影响

钢渣粒度65 μm，盐酸浓度0.1 mol/L，浸出时间10 min，搅拌速度600 r/min，液固体积质量比40/1，温度对磷浸出率的影响试验结果如图3所示。

—■—25 ℃；—●—40 ℃；—▲—60 ℃；—▼—80 ℃。图3 温度对磷浸出率的影响

由图3看出：随温度升高，磷浸出率逐渐升高，但升高幅度不大，即温度对浸出反应影响不大。酸浸反应本身是放热反应，升高温度虽有利于传质，但对促进磷的浸出反应作用不大，综合考虑，确定浸出在室温(25 ℃)下进行即可。

2.3 液固体积质量比对磷浸出率的影响

钢渣粒度65 μm，盐酸浓度0.1 mol/L，浸出时间10 min，搅拌速度600 r/min，温度25 ℃，液固体积质量比对磷浸出率的影响试验结果如图4所示。

—■—5/1；—●—40/1；—▲—80/1；—▼—100/1。图4 液固体积质量比对磷浸出率的影响

由图4看出：随液固体积质量比增大，磷浸出率升高，尤其液固体积质量比由5/1增大至100/1，磷浸出率增幅明显。液固体积质量比增大，会大大降低体系黏度，有利于H+与钢渣中的细小颗粒之间的运动与碰撞，促进反应进行。为保持较高的磷浸出率，同时尽可能降低后续溶液处理量，确定液固体积质量比以40/1为宜。

2.4 搅拌速度对磷浸出率的影响

钢渣粒度65 μm，盐酸浓度0.1 mol/L，浸出时间10 min，液固体积质量比40/1，温度25 ℃，搅拌速度对磷浸出率的影响试验结果如图5所示。

—■—200 r/min；—●—400 r/min；—▲—600 r/min;—▼—800 r/min。图5 搅拌速度对磷浸出率的影响

由图5看出：随搅拌速度增大，磷浸出率呈升高趋势，但总体上变化不明显。搅拌强度增大可加速反应物传质扩散；但随搅拌速度增大至600 r/min 后，磷浸出率仅略有增大，说明此条件下传质不是反应限制因素。综合考虑，确定搅拌速度以600 r/min为宜。

2.5 钢渣粒度对磷浸出率的影响

盐酸浓度0.1 mol/L，液固体积质量比40/1，温度25 ℃，搅拌速度600 r/min，钢渣粒度对磷浸出率的影响试验结果如图6所示。可以看出：随钢渣粒度减小，磷浸出率明显升高；钢渣粒度减小至65 μm时，磷浸出率在10 min 后达70.6%。降低钢渣粒度可增大比表面积，进而有效提高与酸溶液的接触面积，有利于浸出反应进行。

—■—65 μm；—●—95 μm；—▲—110 μm;—▼—125 μm。图6 钢渣平均粒度对磷浸出率的影响

浸出前、后钢渣颗粒的形貌如图7所示，不同位置的能谱分析结果如表2所示，盐酸浸出后钢渣的XRD分析结果如图8所示。可以看出：相比于原始钢渣，用0.1 mol/L盐酸溶液浸出后，钢渣颗粒表面出现了大量孔洞；能谱分析结果(表2)表明，浸出后钢渣颗粒表面为镁铁相，未发现2CaO·SiO2—3CaO·P2O5固溶体相；浸出后，钢渣中只含有镁铁相(图8)，进一步证实了2CaO·SiO2—3CaO·P2O5固溶体相已被大量溶解。

图7 浸出前(a)、后(b)钢渣颗粒的形貌

图8 盐酸浸出后钢渣的XRD图谱

表2 图7中不同位置的能谱分析结果 %

3 结论

用盐酸浸出含磷固溶体可实现对钢渣脱磷。适宜条件下，磷脱除率达90.36%。脱磷溶液中的磷可回收磷酸盐，钢渣可返回炼钢流程。