含砷铁矿石脱砷研究现状

随着钢铁工业的快速发展，目前铁矿石资源日趋紧张，一些复杂铁矿资源正在被大力的开发利用。我国储藏有大量的含砷铁矿，截至1990年国内探明的含砷铁矿储量达18.8亿t。砷作为钢材中的有害元素，对钢材性能产生一系列不良影响。例如，含砷钢在正常轧制的工艺条件下，即氧化气氛中长时间的高温加热，会出现表面富集层，造成热加工表面龟裂。它在钢中偏析严重，促进钢材带状组织的发展，降低钢的冲击韧性，易使钢在热加工过程中开裂。有特殊用途的钢，如石油钻杆钢、大型发电机转子钢、核工业用钢等，甚至要求不含砷。此外，砷及其化合物大都为剧毒物质，对含砷矿石的处理会带来严重的环境问题。进行含砷铁矿石脱砷研究，对于降低砷在冶炼系统中的危害，实现含砷矿产资源的综合利用有着十分重要的意义。

理论分析及实验研究表明，高炉炉渣及炼钢过程氧化均无法实现脱砷。铁水预处理脱砷成本较高，适合作为深度脱砷手段，当铁水砷含量较高时，该方法显得并不经济，单纯依靠预处理脱砷无法实现含砷铁矿有效利用。矿石中含砷化合物在高温下易分解气化，国内外冶金工作者利用这一特性，采用焙烧和烧结的方法做了大量矿石预处理脱砷的研究，矿石中的砷含量得到了有效控制。与铁水预处理脱砷相比，气化脱砷具有成本低廉、处理规模大、工艺简单等特点，是开发利用含砷铁矿资源、降低钢材中砷含量的有效途径。

铁矿石气化脱砷工艺主要有球团脱砷、烧结脱砷、氯化脱砷。

球团脱砷：球团矿生产以煤为发热剂，生产温度较高，属弱氧化-还原性气氛，具备气化脱砷的基本条件，在合理的生产工艺条件下，能够获得较高的脱砷率。但是，矿石脱砷率与球团矿抗压强度之间却存在一些矛盾。例如，球团矿抗强度随氧体积分数增加而上升，矿石脱砷率却与氧体积分数成反比关系；球团矿抗强度与配煤量成正比，但若配煤量过大而导致还原性气氛太强，脱砷率反而下降。因此，如何实现最大化脱砷同时又保证球团矿质量是该工艺的关键所在。

烧结脱砷：烧结矿生产规模较大，能够大量处理含砷铁矿石；燃烧层及冷却层料温很高，料层高温区停留时间较长，含砷化合物能够充分的分解；烧结机底部设有抽风装置，负压操作工艺更有利于砷化物分解气化。此外，烧结生产可采用不同矿石及原料搭配使用，可供调节手段较多。然而，烧结脱砷除了上述优势外也具备一些缺点。例如，目前烧结工艺普遍采用高碱度烧结，这将大大抑制烧结脱砷；烧结过程伴随着一系列复杂的物理化学变化，各个工艺参数联系紧密、相互影响，模拟实验及工业试验都很难准确获得每个工艺参数对烧结脱砷的具体影响；此外，烧结过程属于“黑箱”模型，对于烧结脱砷机理的深入研究存在很大难度。

氯化脱砷是在一定温度和气氛条件下，用氯化剂使矿物原料中的目的组分转为气相或凝聚相的氯化物，以使目的组分分离富集的工艺过程。砷将以低沸点化合物氯化砷(AsCl₃)形式气化，AsCl₃在温度121.4℃时，蒸汽压即为105Pa，而As₄O₆分压达到105Pa，需要温度478.8℃，因此AsCl₃在焙烧过程中更容易挥发。此外，AsCl₃在高温下不易被氧化，能够有效防止砷酸钙、砷酸铁等固态砷化物的生成，理论上具备大幅提高脱砷率的可能性。

影响铁矿石气化脱砷的因素有反应温度、反应气氛、矿石中的碱性氧化物和反应时间等。

单质As熔点为300～320℃，沸点为550～600℃。As₂S₂等硫化砷熔点为300～320℃，沸点为550～600℃。FeAsS分解温度为510～530℃，FeAsO₄分解温度为980～1050℃。随着温度升高，As₂S₂、FeAsS、FeAsO₄、As₂O₅等固相砷化物都将逐渐分解。而Fe₂As、FeAs、FeAs₂稳定性则随温度升高而加强，但其仅在低硫势、低氧势的条件下存在。As₂S₂O气相体系，随着温度升高，As₂S₂、As₂S₃稳定性大大降低，容易发生反应生成As₄O₆及SO₂。

在氧化性气氛下砷化物将以As₄O₆形式气化，但若氧势过高则容易发生反应，形成As₂O₅、FeAsO₄固相产物而降低脱砷率。

在氧化性气氛下，As₄O₆能够与CaO等碱性氧化物发生反应生成稳定的砷酸盐而降低脱砷率。

在混合气体流量为200L/h(空气∶氮气=1∶1)、焦粉配入量6%、反应温度1100℃的条件下，反应进行到3min时脱砷率已达90%以上，随时间的延长脱砷率继续增加；恒温时间在8～15min内，脱砷率均达95%以上，且15min时脱砷率达到最大；恒温时间大于15min后脱砷率增加不明显或反而降低。

随着矿石的日趋贫化及资源的日渐枯竭，加大对我国含砷铁矿的开发和利用符合我国国情和钢铁发展的需要，具有重要的现实意义。目前，通过采用合理的脱砷工艺，铁矿石中的砷质量分数得到一定控制，基本能够满足高炉生产要求。但进一步提高铁矿石脱砷率必须研究各个工艺条件下的脱砷机理，建立热力学、动力学理论，特别是进行含砷化合物在不同条件下固态-气态-固态转化机制相关研究。此外，氧化砷、氯化砷、硫化砷等气化脱砷产物均属剧毒性气体，直接排放将带来严重的环境问题。因此，铁矿石脱砷还应加强含砷废气的无害化处理及回收利用相关研究。