专利名称：利用气－渣－金平衡技术测定五元渣系磷容量的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用气-渣-金平衡技术测定CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO渣系磷容量的方法，属物化测试技术领域。
背景技术：
随着钢铁工业的迅速扩展，高品位铁矿石日益贫乏，高质量焦炭的连续供应也不足，而且钢铁工业正在向低污染、零排放的方向发展，因此短流程工艺日益受到人们的重视。其中，以COREX法为代表的熔融还原炼铁技术已引起钢铁工作者的极大兴趣。
迄今为止，对于熔融还原反应机理的研究主要集中在铁氧化物还原的热力学和动力学方面，目前对熔融还原法反应器中特殊炉渣的热力学性能研究还未见报道。COREX熔融还原法的渣系组成为CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FeO，这既不同于高炉型CaO-SiO2-Al2O3-MgO系炉渣，也不同于炼钢型CaO-SiO2-MgO-FeO系炉渣。熔融还原炼铁过程中Fe、Si、S、P等元素的终还原主要在渣中和渣一金属间完成，因此，炉渣的热力学性质对熔融还原生产的铁水产量和质量起着决定性的作用。磷容量是一个表示炉渣自身性能的参数，磷容量的值一般的通过实验测定。而对于含FetO的渣系，由于FetO在炉渣中的特殊性，增加了磷容量高温实验的复杂性和难度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种操作简单、重现性好的利用气-渣-金平衡技术测定五元渣系磷容量的方法。
本发明所称问题是由以下技术方案解决的一种利用气-渣-金平衡技术测定五元渣系磷容量的方法，特别之处是所述方法包括下列步骤a.制备渣样按照质量百分比分别为33.3～40.5％，27.7～40.5％，8.0～12.0％，5.0～15％的比例称取CaO、SiO2、Al2O3、MgO渣样放入坩埚，将其加热熔融，搅拌混合后取出，冷却、粉碎；称取渣样总量6.0～12.0％的FetO粉末，将上述渣样混合均匀形成CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO渣备用；b.制备试验用银样按照质量比为7∶5～7∶6的比例分别称取纯银和P2O5，在惰性气体保护下，将其放入炉温为1223～1323K的实验用加热炉内，加热至混合物熔化后，充分搅拌，使P2O5被银吸收，25～30min后取出即为高磷银，再按质量百分比把高磷银和纯银混合在一起配制成含P为0.15-0.2％的Ag-P试验用银样；c.磷容量的测定按照渣样与Ag-P试验用银样的比例2∶1将渣样与Ag-P置入坩埚中，在惰性气体保护下，将其放入温度为1723-1823K恒温的实验用加热炉内，再向炉内通入总流量为500mL/min的CO、CO2和Ar混合气体，经12-14h取出试样，冷却后制备化学分析样，分析反应后渣中的磷含量，计算体系的氧分压、磷分压和磷容量。
上述利用气-渣-金平衡技术测定五元渣系磷容量的方法，所述磷容量的测定步骤中CO、CO2和Ar混合气体各自的流量分别为CO 196-256ml/min；CO249-135ml/min；Ar135-240ml/min。
上述利用气-渣-金平衡技术测定五元渣系磷容量的方法，在制备渣样步骤中，放入坩埚前的CaO、SiO2、Al2O3、MgO均由纯化学试剂配制，每种纯化学试剂经1173-1273K高温培烧12-14h。
上述利用气-渣-金平衡技术测定五元渣系磷容量的方法，所述制备渣样步骤中渣样加热熔融温度为1673-1773K。
上述利用气-渣-金平衡技术测定五元渣系磷容量的方法，所述制备渣样步骤中，FetO是在1553-1573K温度下，把盛有Fe2O3纯化学试剂的铁坩埚放入二硅化钼电阻炉刚玉管内，从炉子底部通入流量为80-90ml/min的CO气体，恒温22-26小时后，冷却后粉碎而成。
上述利用气-渣-金平衡技术测定五元渣系磷容量的方法，所述体系的磷容量依据公式CPO43-=3.06(%P)/(PO25/4PP21/2)]]>计算。
本发明根据熔融还原炼铁技术的发展现状，针对由于FetO在炉渣中的特殊性增加了磷容量高温实验的复杂性和难度而提供了一种测定CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO渣系磷容量的方法。该方法采用气-渣-金平衡技术，利用钼坩埚做反应容器，Ag-P合金作金属浴，CO-CO2-Ar混合气体来控制体系一定的氧分压，在MoSi2高温电阻炉中测定不同条件下CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO渣系的磷容量。本发明实验方法简便，重现性好，特别适合测定含FetO渣系的热力学性质，能够准确测定含FetO炉渣的磷容量，可为CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO渣系提供可靠的热力学数据。
具体实施例方式
本发明方法分两步测定CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO渣系的磷容量。以下结合具体实施例将本发明方法予以详述第一步原料的制备(1)由纯化学试剂配制渣样中的CaO、SiO2、Al2O3、MgO。为了提高实验的准确性，要先预熔实验渣样，使之形成均相渣。每种纯化学试剂都要经1173-1273K高温培烧12～14小时。再按质量百分比分别为33.3～40.5％，27.7～40.5％，8.0～12.0％，5.0～15％称量经过处理的CaO、SiO2、Al2O3、MgO四种氧化物混合后放入石墨坩埚，然后把石墨坩埚放入二硅化钼电阻炉内，在1673-1773K下混合物熔融，充分搅拌后取出，冷却、粉碎后备用。
(2)渣样中的FetO由Fe2O3经CO还原制得。在1553-1573K下，把盛有Fe2O3纯化学试剂的铁坩埚放入二硅化钼电阻炉刚玉管内，同时从炉子底部通入流量为80-90ml/min CO气体，恒温22～26小时后，取出、冷却后粉碎成FetO粉末，FetO要采用重铬酸钾滴定法分析试验用FetO所含的Fe2+、Fe3+和TFe，以保证其中无单质铁存在。FetO占渣样总量的6.0～12.0％，将FetO与其它渣样混合均匀形成CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO渣。
(3)试验用Ag-P金属相的制备。Ag-P合金是在二硅化鉬炉内用纯Ag(99.99％)和P2O5纯化学试剂配制的。当炉温升至1223～1323K时，在Ar气氛下，把纯银和P2O5按照质量比为7∶5～7∶6的比例置入石墨坩埚放入二硅化鉬炉内，混合物熔化后，充分搅拌，使P2O5被银吸收，25～30min后取出银样，称之为高磷银。使用时，按质量百分比把高磷银和纯银混合在一起配制成含P为0.015～0.2％的试验用银样。
第二步磷容量的测定。以第一步制备的渣样为基础，在二硅化鉬炉中进行磷容量的测定。当炉温升至1723-1823K时，由计算机自动控制恒温。先从刚玉管底部通入Ar以排除炉内的空气，然后按照渣样与Ag-P银样2∶1的比例在钼坩埚中置入渣样与Ag-P，钼坩埚放入二硅化鉬炉内。当炉温恢复到恒温状态时，再从刚玉管底部通入经净化处理的总流量为500mL/min的CO、CO2和Ar混合气体，通入的混合气体应使氧分压保持在0.36-7.2×10-4Pa内，12-14h后试验结束。同时迅速取出试样，冷却后制备化学分析样。分析反应后渣中的磷含量，计算体系的氧分压和磷分压，其中氧分压按下式计算
CO+12O2=CO2---(1)]]>K1=PCO2PO21/2·PCO]]> 体系的磷分压用下面的方法计算12P2=P(Ag)······..···(2)]]> 当Ag中磷的质量百分含量低于0.2％时，体系遵循亨利定律，结合以上两式，体系中磷的分压可表示为， 式中，XPAg表示Ag中磷的摩尔分数。
根据公式CPO43-=3.06(%P)/(PO25/4PP21/2)]]>计算实验渣样的磷容量。式中各符号的含义为PO2-体系的氧分压，PaPP2-体系的磷分压，Pa(％P)-渣中的磷含量平衡气氛所用的CO气体由甲酸滴入热浓硫酸脱水制得后通入储气罐保存，使用时经浓氢氧化钠溶液，无水氯化钙和无水五氧化二磷净化。反应方程式为采用本发明方法测定CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO渣系不同条件下的磷容量值在5.09×105-22.84×105之间。炉渣成分一定，体系CO、CO2、Ar气氛组成及流量一定，温度由1723K增加到1823K时，CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO五元渣系中磷容量随着温度的升高而减。温度在1773K恒定，当气氛中氧分压由0.36×10-4Pa增大到7.2×10-4Pa时，CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO五元渣系中磷容量随着氧分压的增大而增大。
以下提供几个具体的实施例实施例1将经过高温焙烧处理的CaO、SiO2、Al2O3、MgO氧化物，按照比例为40.5％，40.5％，8.0％，5.0％混合后放入石墨坩埚，在1723K下混合熔融，充分搅拌后取出，冷却、粉碎；按质量百分比6.0％称取由Fe2O3经CO还原制得粉末FetO，将上述物质混合均匀形成CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO渣备用。加热二硅化鉬炉，当炉温升至1273K时，在Ar气氛下，把盛有70g纯Ag和50g P2O5混合物的石墨坩埚放入二硅化鉬炉内，混合物熔化后，充分搅拌，30min后取出即为高磷银，用原子吸收光谱分析法分析此银样的含磷量为1.23％。再按质量百分比把高磷银与纯银混合在一起配制成含P为0.2％的Ag-0.2％P试验用银样。按照渣样与Ag-0.2％P的比例2∶1在钼坩埚中置入渣样与Ag-0.2％P，加热二硅化鉬炉，当炉温升至1823K温度时，控制恒温，由刚玉管底部通入Ar排除炉内的空气，然后把盛有渣Ag-0.2％P合金的钼坩埚放入炉内，待炉温恢复到恒温状态时，从刚玉管底部通入经净化处理的CO、CO2和Ar流量分别为256mL/min，49mL/min，195mL/min，总流量为500mL/min，经12h取出试样，冷却后制备化学分析样，分析反应后渣中的磷含量，计算体系的氧分压和磷分压，根据公式CPO43-=3.06(%P)/(PO25/4PP21/2)]]>计算出实验渣样的磷容量。该实例的气氛条件下计算体系的氧分压和磷分压分别为2.2×10-4和3.83×10-5，反应后渣和金属浴中的磷含量分别为0.0276％和0.0465％，计算其磷容量为5.09×105。
实施例2将经过高温焙烧处理的CaO、SiO2、Al2O3、MgO氧化物，按照比例为37.2％，33.8％，10.0％，10.0％，混合后放入石墨坩埚，在1673K下混合熔融，充分搅拌后取出，冷却、粉碎；按质量百分比9.0％称取由Fe2O3经CO还原制得FetO粉末，将上述物质混合均匀形成CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO渣备用。加热二硅化鉬炉，当炉温升至1223K时，在Ar气氛下，把盛有70g纯Ag和55g P2O5混合物的石墨坩埚放入二硅化鉬炉内，混合物熔化后，充分搅拌，25min后取出即为高磷银。再按质量百分比含P量为0.15％的比例把高磷银和纯银混合在一起配制成含P为0.15％的Ag-0.15％P试验用银样。按照渣样与Ag-0.15％P的比例2∶1在钼坩埚中置入渣样与Ag-0.15％P，加热二硅化鉬炉，当炉温升至1773K温度时，控制恒温，由刚玉管底部通入Ar排除炉内的空气，然后把盛有渣Ag-0.15％P合金的钼坩埚放入炉内，待炉温恢复到恒温状态时，从刚玉管底部通入经净化处理的流量分别为235mL/min，130mL/min，135mL/min，总流量为500mL/min的CO、CO2和Ar混合气体，经13h取出试样，冷却后制备化学分析样，分析反应后渣中的磷含量，计算体系的氧分压和磷分压，根据公式CPO43-=3.06(%P)/(PO25/4PP21/2)]]>计算出实验渣样的磷容量。该实施例的气氛条件下计算体系的氧分压和磷分压分别为7.2×10-4和0.11×10-5，反应后渣和金属浴中的磷含量分别为0.0576％和0.0068％，计算其磷容量为14.03×105。
实施例3将经过高温焙烧处理的CaO、SiO2、Al2O3、MgO氧化物，按照比例为33.3％，27.7％，12.0％，15.0％混合后放入石墨坩埚，在1773K下混合熔融，充分搅拌后取出，冷却、粉碎；按质量百分比12.0％称取由Fe2O3经CO还原制得FetO粉末，将上述物质混合均匀形成CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO渣备用。加热二硅化鉬炉，当炉温升至1323K时，在Ar气氛下，把盛有70g纯Ag和60g P2O5混合物的石墨坩埚放入二硅化鉬炉内，混合物熔化后，充分搅拌，27min后取出即为高磷银。再按质量百分比含P量为0.17％的比例把高磷银和纯银混合在一起配制成含P为0.17％的Ag-0.17％P试验用银样。按照渣样与Ag-0.17％P的比例2∶1在钼坩埚中置入渣样与Ag-0.17％P，加热二硅化鉬炉，当炉温升至1723K温度时，控制恒温，由刚玉管底部通入Ar排除炉内的空气，然后把盛有渣Ag-0.17％P合金的钼坩埚放入炉内，待炉温恢复到恒温状态时，从刚玉管底部通入经净化处理的CO、CO2和Ar混合气体，混合气体的流量分别为196mL/min，135mL/min，169mL/min，总流量为500mL/min，经14h取出试样，冷却后制备化学分析样，分析反应后渣中的磷含量，计算体系的氧分压和磷分压，根据公式CPO43-=3.06(%P)/(PO25/4PP21/2)]]>计算出实验渣样的磷容量。该实例的气氛条件下计算体系的氧分压和磷分压分别为2.2×10-4和0.40×10-5，反应后渣和金属浴中的磷含量分别为0.0128％和0.0400％，计算其磷容量为22.84×105。
实施例4将经过高温焙烧处理的CaO、SiO2、Al2O3、MgO氧化物，按照比例为40.5％，39.5％，9.0％，5.0％混合后放入石墨坩埚，在1723K下混合熔融，充分搅拌后取出，冷却、粉碎；按质量百分比6.0％称取由Fe2O3经CO还原制得粉末FetO，将上述物质混合均匀形成CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO渣备用。加热二硅化鉬炉，当炉温升至1273K时，在Ar气氛下，把盛有70g纯Ag和50g P2O5混合物的石墨坩埚放入二硅化鉬炉内，混合物熔化后，充分搅拌，27min后取出即为高磷银，用原子吸收光谱分析法分析此银样的含磷量为1.23％。再按质量百分比把高磷银与纯银混合在一起配制成含P为0.2％的Ag-0.2％P试验用银样。按照渣样与Ag-0.2％P的比例2∶1在钼坩埚中置入渣样与Ag-0.2％P，加热二硅化鉬炉，当炉温升至1820K温度时，控制恒温，由刚玉管底部通入Ar排除炉内的空气，然后把盛有渣Ag-0.2％P合金的钼坩埚放入炉内，待炉温恢复到恒温状态时，从刚玉管底部通入经净化处理的CO、CO2和Ar流量分别为200mL/min，60mL/min，240mL/min，总流量为500mL/min，经13h取出试样，冷却后制备化学分析样，分析反应后渣中的磷含量，计算体系的氧分压和磷分压，根据公式CPO43-=3.06(%P)/(PO25/4PP21/2)]]>计算出实验渣样的磷容量。该实例的气氛条件下计算体系的氧分压和磷分压分别为0.36×10-4和3.73×10-5，反应后渣和金属浴中的磷含量分别为0.0028％和0.0402％，计算其磷容量为5.10×105。
权利要求
1.一种利用气-渣-金平衡技术测定五元渣系磷容量的方法，其特征在于所述方法包括下列骤a.制备渣样按照质量百分比分别为33.3～40.5％，27.7～40.5％，8.0～12.0％，5.0～15％的比例称取CaO、SiO2、Al2O3、MgO渣样放入坩埚，将其加热熔融，搅拌混合后取出，冷却、粉碎；称取渣样总量6.0～12.0％的FetO粉末，将上述渣样混合均匀形成CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO渣备用；b.制备试验用银样按照质量比为7∶5～7∶6的比例分别称取纯银和P2O5，在惰性气体保护下，将其放入炉温为1223～1323K的实验用加热炉内，加热至混合物熔化后，充分搅拌，使P2O5被银吸收，25～30min后取出即为高磷银，再按质量百分比把高磷银和纯银混合在一起配制成含P为0.15-0.2％的Ag-P试验用银样；c.磷容量的测定按照渣样与Ag-P试验用银样的比例2∶1将渣样与Ag-P置入坩埚中，在惰性气体保护下，将其放入温度为1723-1823K恒温的实验用加热炉内，再向炉内通入总流量为500mL/min的CO、CO2和Ar混合气体，经12-14h取出试样，冷却后制备化学分析样，分析反应后渣中的磷含量，计算体系的氧分压、磷分压和磷容量。
2.根据权利要求1所述的利用气-渣-金平衡技术测定五元渣系磷容量的方法，其特征在于所述磷容量的测定步骤中CO、CO2和Ar混合气体各自的流量分别为CO196-256ml/min；CO249-135ml/min；Ar 135-240ml/min。
3.根据权利要求1或2所述的利用气-渣-金平衡技术测定五元渣系磷容量的方法，其特征在于所述制备渣样步骤中，放入坩埚前的CaO、SiO2、Al2O3、MgO均由纯化学试剂配制，每种纯化学试剂经1173-1273K高温培烧12-14h。
4.根据权利要求1或2所述的利用气-渣-金平衡技术测定五元渣系磷容量的方法，其特征在于所述制备渣样步骤中渣样加热熔融温度为1673-1773K。
5.根据权利要求1或2所述的利用气-渣-金平衡技术测定五元渣系磷容量的方法，其特征在于所述FetO是在1553-1573K温度下，把盛有Fe2O3纯化学试剂的铁坩埚放入二硅化钼电阻炉刚玉管内，从炉子底部通入流量为80-90ml/min的CO气体，恒温22-26小时后，冷却后粉碎而成。
6.根据权利要求1或2所述的利用气-渣-金平衡技术测定五元渣系磷容量的方法，其特征在于所述体系的磷容量依据公式CPO43-=3.06(%P)/(PO25/4PP21/2)]]>计算。
全文摘要
一种利用气－渣－金平衡技术测定五元渣系磷容量的方法，属物化测试技术领域，用于解决以较为简单的方法测定CaO－SiO
文档编号G01N1/28GK101089622SQ200710062329
公开日2007年12月19日 申请日期2007年7月18日 优先权日2007年7月18日
发明者吕庆, 张淑会, 李福民, 刘增勋, 黄建明, 王竹民, 张振峰 申请人:河北理工大学