隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，目前鐵礦石資源日趨緊張，一些復(fù)雜鐵礦資源正在被大力的開發(fā)利用。我國儲藏有大量的含砷鐵礦，截至1990年國內(nèi)探明的含砷鐵礦儲量達18.8億t。砷作為鋼材中的有害元素，對鋼材性能產(chǎn)生一系列不良影響。例如，含砷鋼在正常軋制的工藝條件下，即氧化氣氛中長時間的高溫加熱，會出現(xiàn)表面富集層，造成熱加工表面龜裂。它在鋼中偏析嚴重，促進鋼材帶狀組織的發(fā)展，降低鋼的沖擊韌性，易使鋼在熱加工過程中開裂。有特殊用途的鋼，如石油鉆桿鋼、大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子鋼、核工業(yè)用鋼等，甚至要求不含砷。此外，砷及其化合物大都為劇毒物質(zhì)，對含砷礦石的處理會帶來嚴重的環(huán)境問題。進行含砷鐵礦石脫砷研究，對于降低砷在冶煉系統(tǒng)中的危害，實現(xiàn)含砷礦產(chǎn)資源的綜合利用有著十分重要的意義。
理論分析及實驗研究表明，高爐爐渣及煉鋼過程氧化均無法實現(xiàn)脫砷。鐵水預(yù)處理脫砷成本較高，適合作為深度脫砷手段，當鐵水砷含量較高時，該方法顯得并不經(jīng)濟，單純依靠預(yù)處理脫砷無法實現(xiàn)含砷鐵礦有效利用。礦石中含砷化合物在高溫下易分解氣化，國內(nèi)外冶金工作者利用這一特性，采用焙燒和燒結(jié)的方法做了大量礦石預(yù)處理脫砷的研究，礦石中的砷含量得到了有效控制。與鐵水預(yù)處理脫砷相比，氣化脫砷具有成本低廉、處理規(guī)模大、工藝簡單等特點，是開發(fā)利用含砷鐵礦資源、降低鋼材中砷含量的有效途徑。
鐵礦石氣化脫砷工藝主要有球團脫砷、燒結(jié)脫砷、氯化脫砷。
球團脫砷：球團礦生產(chǎn)以煤為發(fā)熱劑，生產(chǎn)溫度較高，屬弱氧化-還原性氣氛，具備氣化脫砷的基本條件，在合理的生產(chǎn)工藝條件下，能夠獲得較高的脫砷率。但是，礦石脫砷率與球團礦抗壓強度之間卻存在一些矛盾。例如，球團礦抗強度隨氧體積分數(shù)增加而上升，礦石脫砷率卻與氧體積分數(shù)成反比關(guān)系；球團礦抗強度與配煤量成正比，但若配煤量過大而導(dǎo)致還原性氣氛太強，脫砷率反而下降。因此，如何實現(xiàn)最大化脫砷同時又保證球團礦質(zhì)量是該工藝的關(guān)鍵所在。
燒結(jié)脫砷：燒結(jié)礦生產(chǎn)規(guī)模較大，能夠大量處理含砷鐵礦石；燃燒層及冷卻層料溫很高，料層高溫區(qū)停留時間較長，含砷化合物能夠充分的分解；燒結(jié)機底部設(shè)有抽風裝置，負壓操作工藝更有利于砷化物分解氣化。此外，燒結(jié)生產(chǎn)可采用不同礦石及原料搭配使用，可供調(diào)節(jié)手段較多。然而，燒結(jié)脫砷除了上述優(yōu)勢外也具備一些缺點。例如，目前燒結(jié)工藝普遍采用高堿度燒結(jié)，這將大大抑制燒結(jié)脫砷；燒結(jié)過程伴隨著一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化，各個工藝參數(shù)聯(lián)系緊密、相互影響，模擬實驗及工業(yè)試驗都很難準確獲得每個工藝參數(shù)對燒結(jié)脫砷的具體影響；此外，燒結(jié)過程屬于“黑箱”模型，對于燒結(jié)脫砷機理的深入研究存在很大難度。
氯化脫砷是在一定溫度和氣氛條件下，用氯化劑使礦物原料中的目的組分轉(zhuǎn)為氣相或凝聚相的氯化物，以使目的組分分離富集的工藝過程。砷將以低沸點化合物氯化砷(AsCl3)形式氣化，AsCl3在溫度121.4℃時，蒸汽壓即為105Pa，而As4O6分壓達到105Pa，需要溫度478.8℃，因此AsCl3在焙燒過程中更容易揮發(fā)。此外，AsCl3在高溫下不易被氧化，能夠有效防止砷酸鈣、砷酸鐵等固態(tài)砷化物的生成，理論上具備大幅提高脫砷率的可能性。
影響鐵礦石氣化脫砷的因素有反應(yīng)溫度、反應(yīng)氣氛、礦石中的堿性氧化物和反應(yīng)時間等。
單質(zhì)As熔點為300～320℃，沸點為550～600℃。As2S2等硫化砷熔點為300～320℃，沸點為550～600℃。FeAsS分解溫度為510～530℃，F(xiàn)eAsO4分解溫度為980～1050℃。隨著溫度升高，As2S2、FeAsS、FeAsO4、As2O5等固相砷化物都將逐漸分解。而Fe2As、FeAs、FeAs2穩(wěn)定性則隨溫度升高而加強，但其僅在低硫勢、低氧勢的條件下存在。As2S2O氣相體系，隨著溫度升高，As2S2、As2S3穩(wěn)定性大大降低，容易發(fā)生反應(yīng)生成As4O6及SO2。
在氧化性氣氛下砷化物將以As4O6形式氣化，但若氧勢過高則容易發(fā)生反應(yīng)，形成As2O5、FeAsO4固相產(chǎn)物而降低脫砷率。
在氧化性氣氛下，As4O6能夠與CaO等堿性氧化物發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定的砷酸鹽而降低脫砷率。
在混合氣體流量為200L/h(空氣∶氮氣=1∶1)、焦粉配入量6%、反應(yīng)溫度1100℃的條件下，反應(yīng)進行到3min時脫砷率已達90%以上，隨時間的延長脫砷率繼續(xù)增加；恒溫時間在8～15min內(nèi)，脫砷率均達95%以上，且15min時脫砷率達到最大；恒溫時間大于15min后脫砷率增加不明顯或反而降低。
隨著礦石的日趨貧化及資源的日漸枯竭，加大對我國含砷鐵礦的開發(fā)和利用符合我國國情和鋼鐵發(fā)展的需要，具有重要的現(xiàn)實意義。目前，通過采用合理的脫砷工藝，鐵礦石中的砷質(zhì)量分數(shù)得到一定控制，基本能夠滿足高爐生產(chǎn)要求。但進一步提高鐵礦石脫砷率必須研究各個工藝條件下的脫砷機理，建立熱力學(xué)、動力學(xué)理論，特別是進行含砷化合物在不同條件下固態(tài)-氣態(tài)-固態(tài)轉(zhuǎn)化機制相關(guān)研究。此外，氧化砷、氯化砷、硫化砷等氣化脫砷產(chǎn)物均屬劇毒性氣體，直接排放將帶來嚴重的環(huán)境問題。因此，鐵礦石脫砷還應(yīng)加強含砷廢氣的無害化處理及回收利用相關(guān)研究。（子云）
