基于HIsmelt技术的云南高磷铁矿熔融还原过程中磷行为研究

本项目针对云南省近30亿吨高磷铁矿不能合理利用而进行"基于HIsmelt技术的云南高磷铁矿熔融还原过程中磷行为研究"。系统分析云南省高磷铁矿石中磷的赋存状态和分布特性，对其进行冶金过程相关联的矿相工艺学研究，建立云南省高磷铁矿资源数据库；研究基于HIsmelt的高磷铁矿熔融还原反应体系内多相反应的反应机理、金属和熔渣组元活度对磷容量、磷结构、磷分布及走向的影响规律，建立熔融还原过程中组元活度协同优化模型；对高磷铁矿熔融还原过程进行进行数值模拟，探寻磷在气液固多相流中的协同反应机制，建立熔融还原过程中磷分配数学模型；研究在熔融还原过程中形成的"涌泉"对磷在渣-金-气界面的多相反应平衡机理及磷的走向行为规律，探寻强化传热、传质及化学反应的耦合对磷定向分布的行为机制；揭示磷在熔融还原过程中分解转化的行为机理，构建基于HIsmelt的高磷铁矿熔融还原过程中磷反应及分布行为体系的理论基础。

项目在对云南地区近30亿吨高磷铁矿石资源调研的基础上，采用化学分析、多元素分析、岩相显微镜、X射线衍射、精密阻抗分析、扫描电镜、电子能谱和热重分析仪等测试方法与仪器，系统研究了高磷铁矿冶炼过程相关联的矿相工艺矿物学特性，其原矿石平均Fe含量39.13%，平均磷含量0.967%，且铁矿中铁和磷的都几乎分布在整个矿石区域，集中度教低，粒度较细，难以分离，给选矿降磷带来了很大困难。因此，要想有效利用好高磷铁矿，需要走选冶结合的道路。利用冶金热力学、冶金动力学基本原理，在自行设计并搭建的基于HIsmelt技术的高磷铁矿富氧顶吹熔融还原炼铁高效脱磷的实验平台上进行了试验研究，通过调控高磷铁矿在富氧顶吹熔融还原反应器内不同渣型、不同氧势、不同脱磷剂，揭示高磷铁矿富氧顶吹熔融还原高效脱磷反应体系内多相化学反应、高温强氧化气氛下高效脱磷机理。针对高磷铁矿富氧顶吹熔融还原反应器内复杂的渣-金-气多相间剧烈的搅拌、混合与反应过程产生的涌泉”现象，特别是对氧气顶吹的强化多相混合效果，运用水动力学实验与模型，借助高速CCD的瞬时捕捉和采集，对搅拌混合图像进行处理，再利用代数拓扑学、混沌学理论，对富氧顶吹熔融还原炉内“涌泉”现象造成的渣-金-气多相强化搅拌、剧烈混合程度、混合效果进行数值模拟与仿真研究，构建熔融还原过程中涌泉现象及传热传质的耦合模型。对高磷铁矿熔融还原过程进行进行数值模拟，探寻磷在气液固多相流中的协同反应机制，建立熔融还原过程中磷分配数学模型；研究在熔融还原过程中形成的“涌泉”对磷在渣-金-气界面的多相反应平衡机理及磷的走向行为规律，即当炉渣碱度增大时，炉渣中氧离子活度随之增大，反映为炉渣磷容量增大。金属铁液中溶解氧和溶解碳可增大熔铁中磷的活度系数从而促进磷向渣中分配转移，增大了渣—金属间磷分配比。利用响应曲面优化软件，对实验室规模的富氧顶吹熔融还原冶炼过程工艺参数进行计算与优化，探寻了强化传热、传质及化学反应的耦合对磷定向分布的行为机制，揭示了磷在熔融还原过程中分解转化的行为机理，并成功构建了基于HIsmelt的高磷铁矿熔融还原过程中磷反应及分布行为体系的理论基础。项目已发表相关学术论文24篇，其中SCI、EI 收录12 篇；申请专利2项，授权专利11 项（发明专利5 项）；培养博士毕业生2名，硕士毕业生6 名，在读博士研究生1 人，在读硕士研究生3人。