0 前言

砷元素对于钢铁冶炼弊大于利，尤其表现在炼钢及轧制过程中.当砷超过一定含量时，会出现冷脆现象，严重降低钢材的塑性、韧性及焊接性能^{[1, 2]}.对于长流程钢铁冶炼，砷主要是以氧化砷、硫化砷及砷酸根等形式随矿石进入高炉^[3]，随后被高温还原后以FeAs形式存在于生铁中.与P相似，砷进入高炉后绝大部分进入铁水中，但其在炼钢中的去除方法却与P、S大相径庭，S、P主要在转炉及铁水预处理中氧势较高环境中脱除^{[4, 5]}，而脱除As的氧砷势要求很低，常在铁水预处理及精炼中脱除^{[6, 7]}.目前，钢液和矿石脱砷的研究较多，而高炉因其脱砷量有限，一直少有人研究.钢液脱砷主要采用Ca-Fe合金和CaO-CaF₂做脱砷剂.罗林根等通过实验发现^[8]，钢液的脱砷率与其含氧量成反比；与加入的Ca-Fe合金量和钢液原始砷含量成正比.付兵等发现^[9]，高的铁水温度，良好的熔池搅拌和较长的反应时间有利于脱砷.矿石脱砷主要方法有氧化法^[10]、氯化法^[11]、反浮选法^[12]等.尽管矿石可以脱除大量的砷，但仍有少量的砷残留，这是钢液中砷的最主要来源.为进一步降低钢水脱砷的难度，减少需脱砷钢水数量，本文研究了少量砷在高炉内的去除方法，针对江西某高炉冶炼实践展开研究，分析高炉配矿及冶炼参数对铁水含砷量的影响.

1 高炉的基本情况

该高炉有效容积为2 500 m³，采用了砖壁合一薄内衬、无料钟炉顶及软水密闭循环冷却结构.入炉原燃料主要为烧结矿、自产球团矿、国内块矿、6 m干熄焦、4.3 m干熄焦及部分外购焦.主要参数分别见表 1，表 2，表3.

2 实验方法

实验考察入炉砷负荷、铁水温度、炉顶压力、炉渣碱度、渣比对高炉脱砷率的影响，实验中稳定其中4个因素，分别考察其中一个因素不同水平对高炉脱砷率的影响.其中入炉砷负荷、炉渣碱度、渣比均通过改变炉料配比实现，而铁水温度及炉顶压力则通过高炉操作控制.实验中，在打开铁口来渣后30 min取样，每个水平取3炉铁样送公司检测中心做荧光分析，然后取平均值.另外，原燃料的化学成分分析也均由检测中心完成.

3 结果与讨论 3.1 入炉砷负荷

为了研究入炉砷负荷对铁水砷含量的影响，试验研究了铁水含硅量、炉顶压力、R₂、渣比分别控制在0.40 %、200 kPa、1.20、400 kg/t条件下，入炉全铁含砷量（指入炉的原燃料中，砷总量与铁总量的质量比）分别为：0.015 %、0.020 %、0.025 %、0.030 %、0.035 %、0.040 %、0.045 %、0.050 %、0.055 %、0.060 %时，对高炉脱砷率的影响，结果如图 1.

由图 1可知，铁水含砷量均小于入炉全铁含砷量，这说明砷在高炉冶炼过程中能够得到一定程度的脱除.但脱砷率随入炉砷量的增加逐渐下降，砷脱除的绝对量约在0.016 %.当入炉全铁含砷量为0.015 %时，高炉脱砷率最高，达67 %，铁水含砷量仅为0.007 %.入炉全铁砷含量大于0.04 %时，铁水含砷量＞0.025 %，高炉脱砷意义不大.

3.2 铁水温度

铁水温度间接反应了炉缸内的温度变化情况，它的高低直接影响到炉缸内渣铁间的化学反应和铁水成分.因此考察了入炉全铁含砷量在0.03 %，铁水含硅量、炉顶压力、R₂、渣比分别控制在0.40 %、200 kPa、1.20、400 kg/t条件下，铁水温度分别为：1 460 ℃、1 470 ℃、1 480 ℃、1 490 ℃、1 500 ℃、1 510 ℃、1 520 ℃时，对高炉脱砷率的影响，结果如图 2.

从图 2不难看出铁水温度与脱砷率显相反关系，即：随着铁水温度的升高，高炉脱砷率逐渐下降.这主要是因为随着铁水温度的升高，铁水含C量增加，使得其在铁水中的溶解度下降所致，同时由于铁水温度过低不利于渣铁的接触、分解及渣铁间化学反应的进行，从而导致部分砷在未充分与铁水接触即随炉渣流出高炉，达到较高的高炉脱砷率.试验表明，在该试验条件下，当铁水温度为1 460 ℃时，高炉脱砷率最高达57 %；铁水温度为1 520 ℃时，高炉脱砷率很低，仅为17 %.

3.3 炉顶压力

由于砷常以硫化物及氧化物形式随矿石进入炉内，这些物质在高炉内较低的温度就容易被煤气还原，同时由于高炉内煤气流速大，生成的砷或其氧化物很有可能随瓦斯灰带出高炉.同时，提高炉顶压力后，高炉铁水成分发生变化，将改变As在铁水中的活度.因此试验考察了入炉全铁含砷量在0.03 %，铁水含硅量、R₂、渣比分别控制在0.40 %、1.20、400 kg/t条件下，炉顶压力分别为：180 kPa、190 kPa、200 kPa、210 kPa、220 kPa、230 kPa时，对高炉脱砷率的影响，结果如图 3.

图 3反映了炉顶压力与高炉脱砷率的关系，不难看出随着炉顶压力的提高，铁水含砷量不断下降，高炉脱砷率也逐步提高，因此可以认为：由于高炉料层厚，透气性差，尽管高炉内煤气流速较大，但砷在上升过程中还是被料层所吸收，进入瓦斯灰的砷是可以忽略.而提高炉顶压力后，铁水含碳量增加，从而导致铁水含砷量的下降.

3.4 炉渣碱度

与P、S不同，一般条件下，砷在氧化性气氛中是不可能被脱除的.因此炼钢预处理脱As常采用CaC₂或CaO在还原性气氛中进行^{[13, 14]}.其化学反应如下：

$3\left( {CaO} \right) + 2\left[ {As} \right] + 3C = \left( {C{a_3}A{s_2}} \right) + 3CO\left( g \right)$

$3\left( {Ca{C_2}} \right) + 2\left[ {As} \right] = \left( {C{a_3}A{s_2}} \right) + 6C$

高炉与此有相同的反应环境，即高温、还原性气氛.因此试验考察入炉全铁含砷量为0.03 %，铁水含硅量、炉顶压力、渣比分别控制在0.40 %、200 kPa、400 kg/t条件下，R₂分别为1.05、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30时，对高炉脱砷率的影响，结果如图 4.

从图 4可知，炉渣碱度对高炉脱砷率显正相关关系，但当碱度≤1.20时，高炉脱砷率受碱度的影响较小.但碱度＞1.20时，高炉脱砷率有较大的提高.R₂=1.30时，铁水含砷量为0.014 %，高炉脱砷率达53 %.这主要是因为高炉内渣中CaO与渣铁中的As反应与高炉脱S反应相似，需要高温、高碱度及还原性气氛，但是相比高炉脱S，仅依靠高炉渣脱As仍效率较低，原因在于高炉内碱度仍然相对较低^[15]，且其流动性远不及转炉内.

3.5 渣比

入炉全铁含砷量为0.03 %，铁水含硅量、炉顶压力、碱度分别控制在0.40 %、200 kPa、1.20条件下，渣比分别为：320 kg/t、360 kg/t、400 kg/t、440 kg/t、475 kg/t时，对高炉脱砷率的影响，见图 5.

从图 5可知，在一定条件下，高炉渣比越高，其脱砷率越高.当渣比为475 kg/t时，铁水含砷量为0.013 %，脱砷率达56 %.但由于过高的渣比极不利于高炉冶炼，且依靠提高渣比而脱去的砷其绝对量并不多，所以通过提高渣比的方式来提高脱砷效率并不可取.

4 结论

（1）试验表明，高炉能够脱除一定量的砷.当入炉全铁砷含量、铁水含硅量、R₂、渣比、铁水温度、炉顶压力分别在0.015 %、0.4 %、1.20、400 kg/t、1490℃、220 kPa时，铁水脱砷率最高达67 %，铁水含砷量仅为0.007 %.

（2）随着入炉全铁砷含量的增加，高炉脱砷率大幅下降，脱砷绝对量趋向稳定，约为0.016 %，当入炉全铁砷含量＜0.04 %时，通过高炉脱砷能得到砷含量合格的一般铁水（＜0.025 %）.

（3）高顶压、高碱度、高渣比及低铁水温度均有利于高炉脱砷，但必须结合高炉生产情况和经济技术指标选择合理值，以牺牲生产指标来提高脱砷率是不可取得.故高炉选择入炉全铁砷含量为0.03%～0.04 %、R₂为1.20～1.25、渣比为360～400 kg/t、铁水温度为1 480～1 490 ℃、炉顶压力为220～230 kPa条件下冶炼最佳.

（4）降低铁水砷含量，主要仍依靠原燃料脱砷，入炉砷含量过高时（＞0.01 %），高炉脱砷的效果可以忽略，仅在原燃料砷含量较低水平时，采用高炉脱砷能够产生较好的效果.