用于锰铁合金氧化脱磷的含稀土氧化物渣系的开发

Manganese ferroalloy is the most consumed ferroalloy in the production of steel. The impurities in manganese ferroalloy have significant influences on the cleanness of liquid steel. Blast furnace manganese ferroalloy typically has a high content of phosphorous, i.e. 0.4%-0.6%. The phosphorous content should to be reduced to lower than 0.2% for modern steel production. However, conventional Ca- and Ba-based slags cannot obtain desire dephosphorization results. In this project, the idea of dephosphorization of manganese ferroalloy using rare earth (RE) oxide-containing slags is proposed. The phosphates of RE metals are highly stable in natural environment; and RE oxides have higher optical basicity than CaO and BaO. Therefore the thermodynamic conditions for dephosphorization using RE oxide-containing slag are expected to be desire. The thermal physical properties, dephosphorization thermodynamics and dephosphorization performances of Re oxide-containing slags will be investigated in this project. It aims to determine the composition ranges of slag with low liquidus temperature, high phosphorous capacity, and insensitive to compositions change; and determine the optimal parameters for dephosphorization. Jiangxi Province is one of the major producers of manganese ferroalloy in China, and also has abundant rare earth resources. This project provides new ideas for dephosphorization of manganese ferroalloy and utilization of RE oxides. It will effectively promote the development of regional economies.

锰铁是钢铁生产过程中消耗量最大的铁合金品种，其杂质含量对钢水洁净度有很大影响。高炉锰铁通常具有很高的磷含量（0.4%-0.6%），必须将其降低至0.2%以下才能满足现代钢铁生产的要求。传统的Ca基和Ba基渣系难以满足锰铁脱磷的需要，为此本项目提出采用含稀土氧化物渣系对锰铁进行脱磷。稀土金属的磷酸盐在自然界中有很好的稳定性，并且稀土氧化物具有比CaO和BaO更高的光学碱度，预期上稀土氧化物渣系脱磷具有很好的热力学条件。本项目拟通过研究含稀土氧化渣系的热物理性质、脱磷热力学性质、锰铁合金脱磷实验等工作，确定熔点低、磷酸盐容量高、性质受成分波动影响小的含稀土氧化物炉渣的成分范围，并在实验室条件下确定其脱磷的优化工艺条件，为工业应用提供指导。项目申请人所在地区是我国重要的锰铁合金生产基地，并且蕴藏着丰富的稀土资源。项目的研究成果为锰铁脱磷和稀土氧化物的利用提供了新思路，能有效推进地方经济的发展。

本项目通过研究含稀土氧化物渣系的热物理性质、脱磷热力学及脱磷保锰效果，确定了熔点和黏度低，磷酸盐容量高、性质受锰铁成分波动影响小的含稀土氧化物渣系成分。项目首先通过FactSage软件确定低熔点CaO-SiO2-MnO三元基础渣系成分，在基础渣系中添加不同含量的La2O3和CeO2，得到含稀土氧化物渣系。借助于熔点熔速仪及熔体物性仪测定了渣系的熔化温度及黏度随渣中稀土氧化物含量的变化规律，确定了低熔点、低黏度的含稀土氧化物渣系的成分，即添加稀土氧化物含量为6%的渣系。通过对低熔点、低黏度含稀土氧化物渣系进行磷平衡分配实验，研究了温度、渣中稀土氧化物含量、锰铁中硅含量以及氧分压对磷分配比的影响规律，并由磷分配比与炉渣磷酸盐容量之间的关系确立了温度及渣中稀土氧化物含量影响炉渣磷酸盐容量的变化规律，得出了锰铁脱磷合适的热力学条件：温度为1350℃、渣中稀土氧化物含量为6%、锰铁中硅含量小于0.25%。最后，通过对脱磷热力学优化的含稀土氧化物渣系进行锰铁脱磷实验，明确了温度、渣中稀土氧化物含量、锰铁中硅含量以及炉渣量对锰铁合金脱磷保锰的影响，得出了锰铁脱磷过程动力学限制性环节为磷的扩散传质，成功开发了用于锰铁合金脱磷的最优工艺条件及最佳的含稀土氧化物渣系成分，其中最优工艺条件为：温度为1350 ℃，脱磷时间为16 min，渣量为10 %，渣中稀土氧化物含量为6 %，锰铁中初始Si含量小于0.25 %为宜；最优渣系成分为：38.54 %CaO-36.66 %SiO2-18.80 %MnO-6 %RE2O3和34.78 %CaO-35.72 %SiO2-23.50 %MnO-6 %RE2O3。项目资助共发表学术论文8篇，其中SCI论文检索5篇，中文核心期刊3篇；培育优势团队1个，青年教师2名；培养与项目内容相关硕士研究生2名，均已毕业且取得硕士学位，硕士论文均被评为校级优秀硕士学位论文，另有5名硕士研究生参与本项目实验研究工作；授权国家发明专利1项。项目投入经费48.0万元，支出24.7775万元，各项支出基本与预算相符；剩余经费23.2225万元，剩余经费计划用于本项目研究后续支出；项目研究任务按计划完成，成果达到预期目标。