朱青德，魏國立，慕進文

( 酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅嘉峪關735100)

摘要: 從石灰石在轉(zhuǎn)爐熱分解特性和渣化機理，分析50 t 轉(zhuǎn)爐應用石灰石代替部分造渣工藝，并介紹在50 t 轉(zhuǎn)爐開展工業(yè)試驗情況、存在問題及取得的效果，并就存在的問題提出改進措施; 利用轉(zhuǎn)爐的富余熱量，石灰石代替部分活性石灰和冷卻劑煉鋼，既降低生產(chǎn)成本，同時節(jié)能減排。

關鍵詞: 石灰石; 石灰; 轉(zhuǎn)爐; 造渣; 節(jié)能減排

1 引言

隨著國家對鋼鐵企業(yè)采取節(jié)能減排政策，作為煉鋼產(chǎn)業(yè)中心環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)爐工序，如何更好地擔負低能耗和低污染任務成為人們逐漸關注的焦點^［1］。

基于節(jié)能減排理念，北京科技大學李宏提出的“轉(zhuǎn)爐石灰石替代石灰造渣煉鋼”的方法則正好滿足了低成本、低能耗、低排放的冶煉訴求^［2－3］。國內(nèi)已有數(shù)十家鋼鐵公司應用此方法煉鋼，并取得了良好冶煉效果和經(jīng)濟效益^［4－8］。

目前國內(nèi)同行業(yè)轉(zhuǎn)爐平均石灰消耗為45 kg /t，同行業(yè)先進水平石灰消耗為35 kg /t，某鋼廠轉(zhuǎn)爐石灰消耗為45 kg /t，距國內(nèi)同行業(yè)先進水平相比，還存在一定的差距。通過在氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼中用石灰石代替部分活性石灰煉鋼，充分利用石灰石分解過程中的物理化學特性，則石灰石既能用作造渣劑，又能用作冷卻劑，該方法可以減少大量的資源，降低煉鋼生產(chǎn)成本，滿足煉鋼生產(chǎn)需求，減排粉塵和CO₂，在給企業(yè)帶來經(jīng)濟效益的同時，又能減輕環(huán)境污染，對提高鋼鐵企業(yè)市場競爭力有著重要意義。

2 生產(chǎn)現(xiàn)狀及工藝流程

某鋼廠目前粗鋼年產(chǎn)量250 萬t，現(xiàn)有年處理能力200 萬t 脫硫站、2 座600 t 混鐵爐、3 座50 t 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐、3 座60 t 電極臂旋轉(zhuǎn)雙加熱工位LF 爐、3臺四機四流全弧形方坯連鑄機、2 臺板坯連鑄機。

煉鋼工藝流程如下:

⑴鐵水脫硫→混鐵爐→轉(zhuǎn)爐冶煉→吹氬→精煉→連鑄機。

⑵鐵水脫硫→混鐵爐→轉(zhuǎn)爐冶煉→吹氬→連鑄機。

入爐鐵水溫度及鐵水成分見表1，轉(zhuǎn)爐使用石灰作為造渣料，轉(zhuǎn)爐石灰消耗45～50 kg /t，石灰及石灰石主要成分見表2。

3 石灰石造渣煉鋼機理

現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐煉鋼普遍采用活性石灰作為造渣材料，而石灰則是由石灰石煅燒而來。石灰石的主要成分為CaCO3，CaCO3在900～1 200 K 之間標準自由能的變化與溫度的關系如下^［9］:

由式⑵計算，碳酸鈣的分解溫度在896 ℃ 左右^［10］。如果在轉(zhuǎn)爐內(nèi)直接加入石灰石造渣相當于將石灰石的煅燒過程放在了轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)集中進行，轉(zhuǎn)爐開吹后熔池溫度在1 200 ～ 1 400 ℃之間，石灰石在加入轉(zhuǎn)爐后瞬間承受1 200 ～ 1 400 ℃的高溫，表層碳酸鈣的分解激烈進行。原本在爐外需要煅燒3～5 h 的石灰石分解反應在轉(zhuǎn)爐冶煉過程，只需要幾分鐘便可分解完成。由于石灰石分解會生成大量的CO₂氣體，使得爐內(nèi)熔渣泡沫化程度提高，有利于增加石灰與熔渣反應的表面積，同時CO₂氣體的逸出會在石灰石煅燒生成的石灰表面形成諸多氣孔，生成的石灰具有極高的活性，有效地促進了石灰的快速熔化，有利于高堿度轉(zhuǎn)爐熔渣的快速形成。

吹煉初期Si、Mn 的快速氧化，產(chǎn)生的SiO₂與石灰中CaO 在其表面形成高熔點物質(zhì)2CaO·SiO₂進而影響石灰的熔化速度，采用石灰石作為造渣材料，煅燒過程不斷生成CO₂氣體并逸出，可有效限制SiO₂進入石灰內(nèi)部，避免高熔點物質(zhì)2CaO·SiO₂的生成，從而有利于石灰的熔化。CO₂氣體的排出以及石灰的快速熔化是相互促進的，從化學反應動力學角度分析，這兩種生成物的排出和熔化促進石灰煅燒反應的進行。因此在保證了轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)溫度的前提下，石灰石的熱分解熔化速度并不低于石灰在轉(zhuǎn)爐的熔化速度。

石灰石加入轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)發(fā)生分解反應，所產(chǎn)生的CO2氣體與C 發(fā)生反應，反應式如下:

CO₂+［C］→2CO_(g)                           ⑶

石灰石分解和CO₂氣體與C 反應均為吸熱反應，石灰石的密度在2．7～2．95 g /cm³，具備作為煉鋼“壓噴劑”的條件，可抑制泡沫型噴濺的產(chǎn)生。

4 石灰石代替部分石灰煉鋼試驗

4．1 試驗方法

試驗在50 t 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐進行，試驗鋼種及工藝路線: 方坯普碳、低合金鋼進LF 爐爐次。石灰石分多批加入，由于鐵耗控制較低，考慮到熱量并不富裕，石灰石加入總量按500 ～ 600 kg /爐控制，吹氧開始時加入第一批料，第一批料石灰石加入量為總量的2 /3，開吹采用大氧壓操作，促進轉(zhuǎn)爐初期渣的快速生成;吹煉至3～4 min 時，適當提高槍位加強化渣，碳氧反應開始后加入二批料繼續(xù)吹煉，渣料使用石灰石、白云石和氧化鐵皮，終渣堿度目標3．0。試驗爐次采取倒爐等樣出鋼，終點溫度、成分不滿足出鋼要求時，進行點補吹處理，保證出鋼符合要點要求。

4．2 試驗結果與討論

4．2．1 對轉(zhuǎn)爐入爐料的影響

石灰石在轉(zhuǎn)爐內(nèi)完成房分解和造渣，比石灰吸熱量大，為此要對燒結礦、氧化鐵皮及塊礦等冷卻劑加入量做適當調(diào)整。將1 月至5 月試驗過程冶煉數(shù)據(jù)進行歸類，并對比石灰造渣和加入石灰石替代部分石灰造渣的入爐料消耗，結果見圖1。

由圖1 可知，加入石灰石替代部分石灰造渣，轉(zhuǎn)爐入爐料消耗有所變化，當石灰石加入量10 kg /t時，白云石加入量降低2 kg /t 左右，氧化鐵皮消耗降低7 kg /t 左右，通過調(diào)節(jié)入爐料結構可以維持轉(zhuǎn)爐熱平衡，滿足正常冶煉需求，試驗過程未出現(xiàn)熱量不足問題。

4．2．2 對石灰消耗的影響

使用石灰石代替部分石灰以來，各月份石灰消耗明顯降低，各月石灰與石灰石消耗對比見圖2。

通過石灰石代替部分石灰在轉(zhuǎn)爐煉鋼中造渣的生產(chǎn)工藝，2018 年上半年轉(zhuǎn)爐石灰消耗在2017 年45．01 kg /t的基礎上降低5．42 kg /t，同比2017 年上半年降低了6．5 kg /t，石灰消耗達到歷史最好水平。

4．2．3 對終渣成分的影響

對試驗過程中終渣堿度及終渣成分的數(shù)據(jù)進行采集，并與未加石灰石時的轉(zhuǎn)爐終渣堿度及終渣成分對比見表3。

從表3 可知，未加石灰石時轉(zhuǎn)爐終渣堿度2．82～3．37，加入石灰石替代部分石灰后終渣堿度2．68 ～3．49，兩種工藝終點渣樣堿度基本相當，終渣成分也基本相當。

4．2．4 對轉(zhuǎn)爐煤氣回收的影響

石灰石替代部分石灰煉鋼，在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中加入的石灰石分解產(chǎn)生的CO₂可以與鐵水中的碳硅、和錳等發(fā)生反應產(chǎn)生CO 進入爐氣^［11］，從而增加轉(zhuǎn)爐煤氣回收。試驗期間煤氣回收與未見石灰石時的煤氣回收對比見圖3。

由圖3 可以看出，加入石灰石后的煤氣回收量2 月、3 月有增加趨勢，其余各月無增加趨勢。分析原因一方面石灰石加入量較少且影響煤氣回收的其它因素較多，另一方面該鋼廠煤氣回收條件設定為CO 含量大于25%且O₂含量小于1．2%，加入石灰石增加煤氣回收的效果不明顯。

4．2．5 效益分析

上半年轉(zhuǎn)爐石灰消耗降低3．39 kg /t，按活性石灰價格為286 元/t，鋼產(chǎn)量88．57 萬t，創(chuàng)效84．07 萬元; 石灰石直接加入轉(zhuǎn)爐造渣，分解產(chǎn)生的CO₂氣體，部分在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中還原為CO，增加轉(zhuǎn)爐煤氣回收; 在氧氣轉(zhuǎn)爐中用石灰石代替部分石灰造渣煉鋼，把石灰石直接加入煉鋼轉(zhuǎn)爐，在爐內(nèi)燒成石灰做造渣劑，能夠緩解生產(chǎn)活性石灰的壓力，節(jié)省工序費用，還能部分消除煅燒石灰時的資源能源浪費，并可以減排大量的粉塵和CO₂，獲得燃料CO，符合節(jié)能減排及綠色工業(yè)的政策。

5 結語

石灰石在轉(zhuǎn)爐應用理論上具有可行性，石灰石在轉(zhuǎn)爐的應用必須建立在轉(zhuǎn)爐熱量比較富裕的基礎上，石灰石在轉(zhuǎn)爐可替代部分甚至全部石灰造渣，以重量50%的比例轉(zhuǎn)換為石灰，作為冷卻劑，效果比白云石稍強，基本可以等重替換使用; 冷卻效果比鐵皮球和燒結礦差，同等的冷卻效果，石灰石的使用量大約為鐵皮球和燒結礦的1．5 倍，石灰石在轉(zhuǎn)爐的應用能達到節(jié)能減排的作用，具有良好的社會、環(huán)境和經(jīng)濟效益。

參考文獻:

［1］ 王新華，朱國森，李海波，等．氧氣轉(zhuǎn)爐“留渣+雙渣”煉鋼工藝技術研究［J］．中國冶金，2013，23( 04) : 40．

［2］ 李宏，曲英．一種在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐中用石灰石代替石灰造渣煉鋼的方法: 中國，CN101525678［P］．2009-09-09．

［3］ 李宏，曲英． 氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼用石灰石代替石灰節(jié)能減排初探［J］． 中國冶金，2010，20( 09) : 45．

［4］ 董大西，馮佳．石鋼60 t 轉(zhuǎn)爐采用石灰石替代石灰造渣煉鋼試驗［J］． 中國冶金，2013，23( 11) : 58．

［5］ 秦登平，楊建平．100 t 頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐石灰石造渣煉鋼技術分析和工藝實踐［J］． 特殊鋼，2014，24( 05) : 34．

［6］ 石磊，錢高偉．轉(zhuǎn)爐采用石灰石替代部分石灰的工業(yè)試驗［J］． 武鋼技術，2013( 04) : 23．

［7］ 王鵬飛，張懷軍．石灰石替代石灰煉鋼造渣效果研究［J］． 包鋼科技，2012( 04) : 30．

［8］ 張飛．石灰石在萊鋼120 t 轉(zhuǎn)爐煉鋼中應用實踐［J］．中國冶金，2015，25( 03) : 37．

［9］ 魏寶森． 石灰石在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應用實踐［J］． 冶金能源． 2012，31( 04) : 1-3．

［10］ 田志國，湯偉．氧氣轉(zhuǎn)爐采用石灰石替代部分石灰冶煉的應用分析［J］． 金屬材料與冶金工程，2012，40( 03) ．

［11］ 李晨曉，李宏． 100 t 轉(zhuǎn)爐石灰石代替石灰造渣煉鋼試驗研究［J］． 中國冶金，2015，25( 12) : 22-23．