含镁磷酸盐熔融还原制磷的动力学
金 放1，2，裴玉华1，2，田琦峰1，2，吴元欣1，2*
【摘 要】以纯磷酸钙、氧化钙、二氧化硅、氧化铝和氧化镁为原料配矿，固体石墨为还原剂，进行磷矿还原反应。熔渣中五氧化二磷含量用磷钼酸喹啉质量法分析，考查了不同反应时间、不同温度、不同酸度对还原率的影响.结果表明：反应温度越高、反应时间越长，还原率越高；配矿中酸度mk = 1.15时的还原率较mk= 0.85、0.75高，而mk=0.75时的还原率增幅最大.对固体碳还原磷酸盐的反应进行了动力学拟合，得到静置条件下固体碳还原配矿中磷酸盐的表观反应速率常数的表达式，证实了在高温反应条件下，磷矿还原反应为扩散控制过程.
【期刊名称】武汉工程大学学报 【年(卷),期】2014(000)010 【总页数】6
【关键词】热法磷酸；磷酸盐；熔融还原；动力学
0 引 言
热法磷酸工艺可利用中低品位磷矿，具有产品纯度高，杂质含量低的优点，具体工艺可分为两步法和一步法[1-5].该工艺生产成本高的主要原因是消耗大量电能.两步法采用电炉法或高炉法将磷矿还原成磷单质，再通过氧化生产P2O5.而窑法磷酸工艺和新开发的熔融还原技术作为一步法将磷矿还原和磷氧化两个过程耦合利用元素磷燃烧所产生的热能进行还原反应，降低了能耗.窑法磷酸多属于在固态条件或固载液相下进行石墨还原磷酸盐的反应[6].由于固相反应过程传质阻力较大，如能在液相条件下开发磷酸盐制备磷酸的一步反应工艺，可以有
效的降低传质阻力，进而降低反应的温度和能耗.
热法磷酸工艺的关键在于高温和硅石参与下的磷矿热炭还原过程.随着黑色冶金领域中熔融还原技术的研究开发和铅、锌、铜、锡等有色金属熔融还原技术的发展和完善，熔融还原炼磷也成为可能[7-8].张进荣和郭占成等[9-10]对一段熔融还原法制取磷酸的可行性进行了研究，认为在熔融液态条件下有利于促使磷矿在较低温度下进行还原，可以改进热法磷酸工艺，达到节能减耗.但在工艺技术上是否可行还有待于实践.鲍晓军等和郭占成等[11-12]对反射炉熔融还原炼磷进行了数学模拟研究.研究发现降低燃烧火焰温度是反射炉炼磷过程实现的技术关键.郭占成等[13]结合前山西侯马8 m3竖炉炼磷原料条件，对一步法熔融还原热法磷酸的动力学进行了研究.
本工作结合湖北地区磷矿的实际组成，采用CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系，在MgO含量固定在5%的情况下，将磷酸钙、硅石、氧化铝、氧化镁、焦炭按一定比例人工混合配置主要成分接近实际磷矿情况的预熔渣，在高温电炉中测定了磷矿还原的各种因素对还原率的影响，研究Al2O3、SiO2、CaO含量对CaO-SiO2-Al2O3-MgO-P2O5熔渣熔融还原性能的影响，并进行动力学模型的拟合.本研究的目的是通过对主要成分接近工业热法磷酸炉渣组成的含镁预熔渣进行熔融还原动力学的研究，优化实际炉渣熔融反应的条件和反应器设计，为熔融条件下磷矿一步制备磷酸工艺的实现建立基础.
1 实验部分
1.1 实验原料及试剂
磷酸三钙(分析纯)，上海试四赫维化工有限公司生产；氧化钙(分析纯)和氧化铝(分析纯)，天津博迪化二氧化硅(分析纯)和石墨粉(化学纯)，国药集团化学试剂
有限公司生产. 1.2 配料计算及其配比
采用分析纯Ca3(PO4)2、CaO、SiO2、Al2O3和MgO试剂为原料，配制主要成分接近实际磷矿组成的预熔渣.具体化学组成分别见表 1.实验配料以15 g 磷矿为基准，还原剂石墨粉用量分别为理论用量的3倍. 1.3 仪器设备和方法
采用高温试验电炉，加热元件为硅钼棒，最高温度可达1 700 ℃.实验采用的磷矿经过筛分和研磨，粒度小于或等于0.075 mm.实验前化学纯试剂粉末配置的预熔渣加入相应量的石墨粉还原剂混合均匀，然后称量纸包成小团放至石坩埚内.设定实验电炉反应温度分别为1 400、1 500、1 550、1 600 ℃，在升温至反应温度后放入石墨坩埚，开始反应计时，反应时间分别为10、20、30、40、50和60 min.进行熔融反应时，通过添加SiO2和Al2O3化学纯试剂调整预熔渣组成.二元酸度的计算采用mk=SiO2/CaO(0.75,0.85,1.15).反应后取出的渣样快速冷却后捣碎、研磨、筛分、干燥，对所选各个渣样进行成分分析，为了保证预熔渣的纯度，破碎后的渣样在马弗炉中950 ℃下保温3 h，以除去石墨等杂质.
1.4 磷矿还原率的计算
磷矿及反应后熔渣中的P2O5含量的分析采用磷钼酸喹啉质量法[14].根据反应前矿的品位及加入的磷矿量以及反应后熔渣P2O5的残余量可用下式计算磷矿的还原率： (1)
式中α——磷矿的还原率，%；
含镁磷酸盐熔融还原制磷的动力学
