本文關(guān)鍵詞：含磷轉(zhuǎn)爐鋼渣磷選擇性富集過程中的物理化學(xué)性質(zhì)研究

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【摘要】：當(dāng)前我國年產(chǎn)鋼渣量已超過1億t,鋼渣組成都是有價值的化合物。但是由于鐵礦石等含磷硫雜質(zhì)較多,導(dǎo)致鋼渣的品位較低,致使現(xiàn)今鋼渣的利用率只有20%左右,這不僅造成資源的極大浪費(fèi),而且還嚴(yán)重污染環(huán)境。隨著鋼渣的大量堆積,如何高效利用這些鋼渣并回收利用鋼渣中的有價元素已經(jīng)是近幾十年研究學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。在綜合比較鋼渣處理方式后,其在冶金企業(yè)內(nèi)部循環(huán)是鋼渣處理的首選方式。但如果簡單地將鋼渣在冶金過程內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)利用,必然造成磷元素在鐵水中循環(huán)富集,加重后期的脫磷負(fù)擔(dān),增加成本。因此解決好含磷鋼渣的問題對促進(jìn)冶金企業(yè)節(jié)能減排及可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義。本文提出選擇性富集與分離的方法,即通過創(chuàng)造合適的物理化學(xué)條件,使鋼渣中的磷富集,然后使其長大并分離,最后富磷相可以用作磷肥,其余尾渣可以在冶金企業(yè)回收利用。本論文主要針對鋼渣中磷的組成及賦存特點(diǎn),系統(tǒng)研究了在磷選擇性富集過程中,不同性質(zhì)的改性劑對于含磷多元渣系中含磷相選擇性富集規(guī)律,改性劑包括:1)研究較少、難度較大,但又不能回避的鋼渣主要組元—Fe_tO;2)兩性改性劑,Al_2O_3和TiO_2;3)對磷富集有特殊作用,有利于結(jié)晶傳質(zhì)的改性劑—CaF_2。得到如下主要結(jié)論:(1)本論文先是針對CaO-SiO_2-P_2O_5體系,將X射線光電子能譜、拉曼光譜與分子動力學(xué)模擬相結(jié)合,研究了該三元渣系的微觀結(jié)構(gòu)隨著P_2O_5含量(0～15 wt%)的變化規(guī)律。研究得知,由于P~(5+)與Ca~(2+)比Si~(4+)與Ca~(2+)更具有親和力,因而隨著P_2O_5含量的逐漸增加,導(dǎo)致體系中Ca-O-P鍵和Si-O-Si鍵的逐漸形成。此外,幾乎所有的P~(~(5+))以Q_p~0形式存在,還有—小部分P~(5+)以Q_p~1(P-O-P)和P-O-Si形式存在。從逐漸增加的Qsi3和X_p~1/X_p~0可以得出體系的聚合度隨著P_2O_5的增加呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢。(2)針對目前研究較少、難度較大,但又不能回避的鋼渣主要組元—Fe_tO,本論文研究了 Fe_tO含量從0變化至25 wt%時,CaO-SiO_2-Al_2O_3-MgO-Fe_tO-P_2O_5渣系粘度和微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。研究表明該渣系的粘度隨著Fe_tO含量的增加呈現(xiàn)降低的趨勢。此外,從拉曼光譜和紅外光譜結(jié)果可以看出體系的聚合度隨著Fe_tO含量的增加也是呈現(xiàn)降低的趨勢,這將有助于體系結(jié)晶時的傳質(zhì)過程,有助于富磷相的結(jié)晶行為。(3)針對兩性改性劑,論文研究了 Al_2O_3對CaO-SiO_2-Al_2O_3-MgO-Fe_tO-P_2O_5渣系結(jié)構(gòu)和結(jié)晶過程的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)Al_2O_3的加入有助于鋁氧四面體[AlO_4]和鐵氧四面體[FeO_4]發(fā)生共聚反應(yīng),促進(jìn)初晶相從MgFe_2O_4逐漸向MgAlFeO_4轉(zhuǎn)變。CCT結(jié)果表明,隨著Al_2O_3的逐漸加入,體系的結(jié)晶溫度逐漸升高。此外,當(dāng)Al_2O_3含量為15.17wt%時,富磷相(n2CaO·Si02-3CaO·P_2O_5,nC2S-C3P)中的 P_2O_5 可以達(dá)到 28.71 wt%,滿足用作磷肥的要求(P_2O_5含量10wt%)。(4)針對兩性改性劑,論文還研究了 TiO_2含量從O增加至10wt%時,CaO-SiO_2-Al_2O_3-MgO-Fe_tO-P_2O_5-TiO_2渣系粘度和結(jié)晶過程的變化規(guī)律。結(jié)果表明,隨著TiO_2含量的增加,爐渣的粘度略有降低。同時CCT曲線表明,加入TiO_2后體系的結(jié)晶溫度逐漸降低。這主要是因?yàn)榧尤氲腡iO_2促進(jìn)了鈦氧八面體[TiO_6]的形成,并因此形成了 MgFe_2O_4-Mg2TiO_4固溶體。此外,降低粘度對離子或單元的傳質(zhì)(如Ca~(2+)和鈦氧四面體[TiO_4])有著促進(jìn)作用,CaTiO_3和CaSiTiO_5的結(jié)晶也因此得到加速,可以提高磷富集相nC2S-C3P中的磷含量。當(dāng)TiO_2含量為10wt%時,富磷相中的P_2O_5含量達(dá)到30.17wt%,已經(jīng)接近文獻(xiàn)中提及的磷酸鹽中P_2O_5富集理論固溶度。(5)對磷富集有特殊作用,且有利于傳質(zhì)的改性劑—CaF_2,論文研究了其含量從0變化至7wt%時,CaO-SiO_2-Al_2O_3-MgO-Fe_tO-P_2O_5-CaF_2 渣系粘度和結(jié)晶過程的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:隨著CaF_2的增加,渣的粘度降低,流動性得到顯著改善。同時從X射線光電子能譜和核磁光譜結(jié)果得知,體系的聚合度也會隨著CaF_2的增加而逐漸降低,這與渣系粘度的降低相一致。結(jié)晶行為的研究發(fā)現(xiàn):降溫過程中,對于0wt%CaF_2的樣品,MgFe_2O_4首先析出,接著析出nC2S-C3P;對于添加CaF_2的樣品,Ca_5(PO_4)_3F先析出,緊接著是MgFe_2O_4析出,然后是nC2S-C3P析出。當(dāng)CaF_2含量為3 wt%時,Ca_5(PO_4)_3F中的P_2O_5含量達(dá)到了 27.35 wt%�？傊�,兩性氧化物Al_2O_3和TiO_2的加入都有助于鋼渣中磷的選擇性富集,且富磷相nC_2S-C_3P中的P_2O_5能滿足鋼渣磷肥指標(biāo),但加入CaF_2后,富磷相為Ca_5(PO_4)_3F,由于該富磷相利用較困難,致使鋼渣得不到高效利用。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X757;O652.6

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本文編號：1261902