李文博等：LF精炼过程砷脱除的工业试验 87 力学驱动力均优于未能有效脱砷炉次 产中钢液搅拌是通过底吹氩来完成的，且其搅拌 因此，以该厂现有生产技术水平，砷的质量分 强度远不如实验室热态试验搅拌强度.因此，加入 数在0.010%~0.051%范围内时，经过LF精炼前 钙系合金脱砷剂后，必须增大底吹氩搅拌强度.只 期后，将钢液中硫的质量分数控制在0.008%~ 有在达成精确控制脱砷所要求的硫与钙含量基础 0.010%范围之间，是实现钢液脱砷的必要条件，在 上，并确保钢液具备良好动力学条件，三者共同作 此基础上加入Al-Mg-Ca合金脱砷剂后，控制钙 用下，钙与砷的接触反应的脱除概率才能增大，最 的质量分数高于0.0055%以上能够实现工业条件 终才能实现工业条件下的钢液脱砷 下的脱砷 4结论 34脱砷工艺限制环节判定 对比工业试验结果以及以往研究结果叫，认 (1)LF精炼前期阶段主要任务是快速降低硫 为工业条件下实现钢液脱砷存在3个限制环节： 含量，促进脱砷热力学条件的形成.LF中、后期主 (1)在LF精炼前期（即加入钙系合金脱砷剂之前） 要任务是充分利用脱砷热力学和动力学条件，采 有效控制硫含量；(2)在之前的基础上，稳定和提 用钙系合金脱砷剂降低钢液中的砷含量 高所加入钙系合金脱砷剂的利用率，提高其溶解 (2)初始砷的质量分数在0.01%~0.02%的钢 钙含量，减少其在钢液中的损失量；(3)保证LF精 液，硫的质量分数控制在0.008%~0.01%范围之间 炼阶段良好的动力学条件 才具备脱砷的前提条件，加入钙系合金脱砷剂后 实验室热态脱砷试验初始硫含量一般较低)， 钙的质量分数高于0.0055%才能有效脱砷 满足脱砷所需热力学条件.若将工业生产中的硫 (3)应从精确控制硫含量、提高钙系合金收得 含量控制在此范围，对其相关的生产操作水平要 率和溶解钙含量以及保证良好动力学条件三方面 求较高.而工业试验结果表明，硫的质量分数控制 着手实现钢液的有效脱砷 在0.008%~0.010%范围或低于此范围，此时加入 钙系合金脱砷剂能够降低砷含量.因此在进行脱 参考文献 砷反应之前能否将硫含量控制在此范围并促进脱 ) Cheng R J,Ni H W,Zhang H,et al.Thermodynamics of arsenic 砷热力学条件形成是实现工业条件下钢液脱砷的 removal from arsenic-bearing iron ores with sintering process and 限制条件之一，另一方面，在实际生产过程中钢液 dust ash by roasting.Iron Steel,2017,52(6):26 (成日金，倪红卫张华，等.含砷铁矿石烧结及除尘灰焙烧脱砷 内部环境复杂，存在大量不稳定因素影响脱砷反 热力学.钢铁，2017,52(6)：26) 应的进行，硫含量的降低有利于减少这些不稳定 21 Nakazawa S,Yazawa A,Jorgensen F R A.Simulation of the 因素，为脱砷提供有利反应条件，由钙合金反应脱 removal of arsenic during the roasting of copper concentrate. 砷机理可知阿，钙系合金在钢液中首先熔化分解形 Metall Mater Trans B.1999,30(3):393 成钙气泡，形成的钙气泡在上浮过程中一方面与 31 Wu Z,Li J,Shi C B,et al.Effect of magnesium addition on 钢液接触，另一方面溶解于钢液形成溶解钙.形成 inclusions in H13 die steel.Int J Miner Metall Mater,2014. 的钙气泡与砷反应所占比例较小，砷的脱除主要 21(11:1062 依靠溶解钙与砷接触反应.在吨钢钙系合金用量 [4]Yin Z L,Lu W H.Xiao H.Arsenic removal from copper-silver 相同的情况下，溶解钙含量较高的钢液（即加入脱 iron ore by roasting in vacuum.Vacuum,2014,101:350 [5] Kor G J W.Residual elements in steelmaking.Chem Inform,1997. 砷剂后钙含量高于0.0055%)具备将砷含量进一步 28(50):477 降低的能力.而相关实验结果表明阿，钢液中溶解 [6]Lv Q,Zhang S H,Hu X.Experimental study on removal arsenic in 钙含量越高其利用率也越高.从热力学角度而言， iron ore with arsenic sintering process.Iron Steel,2010,45(6):7 溶解钙含量越高，钙在钢液中的活度也越高，反应 (吕庆，张淑会，胡晓.含砷铁矿石烧结脱砷的试验研究.钢铁， 式(1)越容易向右进行，脱砷越彻底 2010,45(6):7) [Ca+2/3[As]=1/3(Ca3As2) (1) [7]Jiang T,Huang Y F,Zhang Y B,et al.Behavior of arsenic in 此外较佳脱砷效果很大程度上与其良好动力 arsenic-bearing iron concentrate pellets by preoxidizing-weak 学条件有关，砷的传质速率远低于硫的传质速率山， reduction roasting process.J Cent South Univ Nat Sci,2010 41(1):1 单纯依靠砷在钢液中扩散与钙接触很难实现脱砷 (姜涛，黄艳芳，张元波，等.含砷铁精矿球团预氧化-弱还原培烧 效果.实验室钢液脱砷良好动力学条件是通过 过程中砷的挥发行为.中南大学学报：自然科学版，2010， A12O3棒不断搅拌钢液而获得的，而在LF精炼生 41(1):1)力学驱动力均优于未能有效脱砷炉次. 因此，以该厂现有生产技术水平，砷的质量分 数在 0.010%～0.051% 范围内时，经过 LF 精炼前 期后 ，将钢液中硫的质量分数控制在 0.008%～ 0.010% 范围之间，是实现钢液脱砷的必要条件，在 此基础上加入 Al–Mg–Ca 合金脱砷剂后，控制钙 的质量分数高于 0.0055% 以上能够实现工业条件 下的脱砷. 3.4    脱砷工艺限制环节判定 对比工业试验结果以及以往研究结果[11] ，认 为工业条件下实现钢液脱砷存在 3 个限制环节： （1）在 LF 精炼前期（即加入钙系合金脱砷剂之前） 有效控制硫含量；（2）在之前的基础上，稳定和提 高所加入钙系合金脱砷剂的利用率，提高其溶解 钙含量，减少其在钢液中的损失量；（3）保证 LF 精 炼阶段良好的动力学条件. 实验室热态脱砷试验初始硫含量一般较低[5] ， 满足脱砷所需热力学条件. 若将工业生产中的硫 含量控制在此范围，对其相关的生产操作水平要 求较高. 而工业试验结果表明，硫的质量分数控制 在 0.008%～0.010% 范围或低于此范围，此时加入 钙系合金脱砷剂能够降低砷含量. 因此在进行脱 砷反应之前能否将硫含量控制在此范围并促进脱 砷热力学条件形成是实现工业条件下钢液脱砷的 限制条件之一. 另一方面，在实际生产过程中钢液 内部环境复杂，存在大量不稳定因素影响脱砷反 应的进行，硫含量的降低有利于减少这些不稳定 因素，为脱砷提供有利反应条件. 由钙合金反应脱 砷机理可知[5] ，钙系合金在钢液中首先熔化分解形 成钙气泡，形成的钙气泡在上浮过程中一方面与 钢液接触，另一方面溶解于钢液形成溶解钙. 形成 的钙气泡与砷反应所占比例较小，砷的脱除主要 依靠溶解钙与砷接触反应. 在吨钢钙系合金用量 相同的情况下，溶解钙含量较高的钢液（即加入脱 砷剂后钙含量高于 0.0055%）具备将砷含量进一步 降低的能力. 而相关实验结果表明[5] ，钢液中溶解 钙含量越高其利用率也越高. 从热力学角度而言， 溶解钙含量越高，钙在钢液中的活度也越高，反应 式（1）越容易向右进行，脱砷越彻底. [Ca]+2/3[As] = 1/3(Ca3As2) （1） 此外较佳脱砷效果很大程度上与其良好动力 学条件有关，砷的传质速率远低于硫的传质速率[11] ， 单纯依靠砷在钢液中扩散与钙接触很难实现脱砷 效果. 实验室钢液脱砷良好动力学条件是通过 Al2O3 棒不断搅拌钢液而获得的，而在 LF 精炼生 产中钢液搅拌是通过底吹氩来完成的，且其搅拌 强度远不如实验室热态试验搅拌强度. 因此，加入 钙系合金脱砷剂后，必须增大底吹氩搅拌强度. 只 有在达成精确控制脱砷所要求的硫与钙含量基础 上，并确保钢液具备良好动力学条件，三者共同作 用下，钙与砷的接触反应的脱除概率才能增大，最 终才能实现工业条件下的钢液脱砷. 4    结论 （1）LF 精炼前期阶段主要任务是快速降低硫 含量，促进脱砷热力学条件的形成. LF 中、后期主 要任务是充分利用脱砷热力学和动力学条件，采 用钙系合金脱砷剂降低钢液中的砷含量. （2）初始砷的质量分数在 0.01%～0.02% 的钢 液，硫的质量分数控制在 0.008%～0.01% 范围之间 才具备脱砷的前提条件，加入钙系合金脱砷剂后 钙的质量分数高于 0.0055% 才能有效脱砷. （3）应从精确控制硫含量、提高钙系合金收得 率和溶解钙含量以及保证良好动力学条件三方面 着手实现钢液的有效脱砷. 参    考    文    献 Cheng R J, Ni H W, Zhang H, et al. Thermodynamics of arsenic removal from arsenic-bearing iron ores with sintering process and dust ash by roasting. Iron Steel, 2017, 52（6）: 26 （成日金, 倪红卫, 张华, 等. 含砷铁矿石烧结及除尘灰焙烧脱砷 热力学. 钢铁, 2017, 52（6）：26） [1] Nakazawa S, Yazawa A, Jorgensen F R A. Simulation of the removal of arsenic during the roasting of copper concentrate. Metall Mater Trans B, 1999, 30（3）: 393 [2] Wu Z, Li J, Shi C B, et al. Effect of magnesium addition on inclusions in H13 die steel. Int J Miner Metall Mater, 2014, 21（11）: 1062 [3] Yin Z L, Lu W H, Xiao H. Arsenic removal from copper-silver iron ore by roasting in vacuum. Vacuum, 2014, 101: 350 [4] Kor G J W. Residual elements in steelmaking. Chem Inform, 1997, 28（50）: 477 [5] Lv Q, Zhang S H, Hu X. Experimental study on removal arsenic in iron ore with arsenic sintering process. Iron Steel, 2010, 45（6）: 7 （吕庆, 张淑会, 胡晓. 含砷铁矿石烧结脱砷的试验研究. 钢铁, 2010, 45（6）：7） [6] Jiang T, Huang Y F, Zhang Y B, et al. Behavior of arsenic in arsenic-bearing iron concentrate pellets by preoxidizing-weak reduction roasting process. J Cent South Univ Nat Sci, 2010, 41（1）: 1 （姜涛, 黄艳芳, 张元波, 等. 含砷铁精矿球团预氧化-弱还原焙烧 过程中砷的挥发行为. 中南大学学报: 自然科学版, 2010, 41（1）：1） [7] 李文博等： LF 精炼过程砷脱除的工业试验 · 87 ·