曹哲 陳東寧 趙廣勛 安君輝 王玉剛 武波
（河北鋼鐵集團邯鋼公司）
摘要：以石灰石分解反應(yīng)為基礎(chǔ)，理論分析了石灰石在轉(zhuǎn)爐內(nèi)的化學變化與冷卻效果，說明了石灰石造渣在轉(zhuǎn)爐冶煉中的可行性，以此分析為依據(jù)進行了石灰石代替部分石灰造渣冶煉工業(yè)試驗。試驗結(jié)果表明：當石灰石消耗為 14.8kg／t時，石灰消耗由 37.5kg／t降低至 28.4kg／t，氧化鐵皮球消耗由 22.5kg／t降低至 10.5kg／t；未使用石灰石與使用石灰石后的終渣堿度平均值分別為 3.15、3.08，終渣 TFe含量平均值分別為 18.5％、17.4％，對終渣堿度基本無影響；使用石灰石的終點 Ｐ比未使用石灰石的平均略低 0.02％，終點溫度與 C含量波動很小，取得了較好的效果，噸鋼成本降低約5.82元／ｔ。
關(guān)鍵詞：石灰石造渣；冷卻效應(yīng)；轉(zhuǎn)爐冶煉；噴濺
0 前言
經(jīng)濟效益是企業(yè)賴以生存的根本，隨著鋼材市場的進一步擴大，煉鋼原材料價格普遍上漲，各個鋼鐵企業(yè)內(nèi)部對降本提出了更高的要求，節(jié)能降耗已成為當前鋼鐵企業(yè)普遍關(guān)注的焦點，是鋼鐵企業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，如何在煉鋼生產(chǎn)中既能滿足冶煉工藝要求，又能降低煉鋼成本是鋼鐵企業(yè)亟需解決的問題。針對這一問題，邯鋼一煉鋼廠不斷探索，采用石灰石造渣的措施來降低白灰等渣料消耗，取得了較好的效果。
1 石灰石造渣的理論基礎(chǔ)與冷卻效應(yīng)分析
1.1 石灰石造渣的理論分析
石灰石在一定溫度下發(fā)生分解反應(yīng)［1］，其反應(yīng)式為：
CaCO3（s） ＝CaO（s） ＋CO2（g）
ΔGθ＝169120－144.6T
由上面反應(yīng)式及熱力學數(shù)值可以看出，在煉鋼溫度下，石灰石分解反應(yīng)有ΔGθ ＜0，反應(yīng)能自發(fā)進行，分解溫度為900℃左右，石灰石在爐外煅燒一般需要 3～5h，其外表面與內(nèi)部的溫度差遠沒有在轉(zhuǎn)爐內(nèi)煅燒那么大。石灰石加入轉(zhuǎn)爐內(nèi)后，由于其外表面與內(nèi)部的溫度差較大，使得石灰石立刻由表及里發(fā)生分解反應(yīng)，石灰石在爐內(nèi)分解大約在 3～4min［2］內(nèi)完成，反應(yīng)是吸熱的，并且分解產(chǎn)物還有一定量的CaO，所以從另一方面來說，能間接促進脫磷反應(yīng)的進行。因此，在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中使用石灰石，不僅可以代替部分石灰提供終渣所需要的堿度，還可以作為降溫材料平衡熔池富裕熱量，減少石灰、氧化鐵皮等冷卻劑的消耗。
同時，石灰石層層分解產(chǎn)生的 CO2 氣體不斷溢出，使其產(chǎn)物CaO具有較高的比表面積和氣孔率，加速了熔池攪拌能力。普通冶煉前期使用石灰造渣的過程中，常常因為渣中 SiO2浸入石灰內(nèi)部生成高熔點的 2CaO·SiO2而影響化渣，石灰石的這種效果有效避免了高熔點 2CaO·SiO2的生成，促進了爐內(nèi)反應(yīng)的順利進行。
不僅如此，分解產(chǎn)生的CO2氣體還具有一定的氧化性，能與熔池中金屬發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)式為：
CO2（g） ＋Fe（l） ＝CO（g） ＋FeO（s）
ΔGθ＝4343－13.653T
由上式可以看出，在煉鋼溫度下，ΔGθ＜0，反應(yīng)能自發(fā)進行，其產(chǎn)物使渣中 FeO含量增加，有利于前期提早化渣去磷。
1.2 石灰石作為冷卻劑的冷卻效應(yīng)
冷卻效應(yīng)是指在一定條件下，加入 1kg冷卻劑所消耗的熱量。設(shè)定出鋼溫度為 1650℃，1kg廢鋼在冶煉過程中所吸收的熱量為 1426.95KJ／kg。根據(jù)文獻［3］，石灰石在冶煉過程中的吸收的熱量包含四部分，分別是石灰石分解吸熱，石灰石分解產(chǎn)生的 CaO升溫吸熱，石灰石分解產(chǎn)生的CO2升溫吸熱以及與爐內(nèi) C參與的吸熱反應(yīng)，1kg石灰石在冶煉過程中所吸收的熱量為 4296KJ／kg。
假定廢鋼的冷卻效應(yīng)為1，則石灰石的冷卻效應(yīng)為4296 ÷1426.95＝3.0。同理，得出石灰石與其他冷卻劑的冷卻效應(yīng)對比，具體見表1。
顯然，石灰石的單價相對比較便宜，其作為冷卻劑加入轉(zhuǎn)爐有以下優(yōu)點：（1）分解時吸收大量熱量，吸收轉(zhuǎn)爐富裕熱量，降低轉(zhuǎn)爐冷料消耗；（2）分解產(chǎn)物含有 CaO，可以代替部分石灰，降低白灰消耗；（3）分解產(chǎn)物含有 CO2氣體，可以增加熔池攪拌，促進化渣，并且促使分解出的 CaO具有高氣孔率、高活性，有利于脫磷；（4）其冷卻效應(yīng)與氧化鐵皮球、礦石相當，是石灰、廢鋼冷卻效應(yīng)的3倍，作為冷卻劑可以避免由于加入大量含氧化鐵物質(zhì)造成吹煉過程的劇烈噴濺；（5）由于礦石等含有一定量 SiO2 等雜質(zhì)，需要補充石灰以保證終點堿度，所以石灰石作為冷卻劑加入轉(zhuǎn)爐可以降低渣量。
2 石灰石代替部分石灰造渣冶煉工業(yè)試驗
2.1 工業(yè)試驗過程
根據(jù)以上理論基礎(chǔ)，邯鋼一煉鋼廠使用石灰石代替部分石灰進行冶煉試驗，根據(jù)鐵水硅含量確定石灰石加入量，石灰石參考加入量見表2。試驗鋼種為U75V －T，C：0.72％ ～0.79％，P：≤0.025％，S：≤15％，平均裝入量為155t，其中鐵水130t，廢鋼25t，對未加石灰石和加入石灰石的爐次進行終點 P、堿度等情況的對比。采用的石灰石化學成分見表 3，粒度為10～50mm，鐵水平均成分及溫度見表 4。
（1）石灰石加入時機。由于石灰石在轉(zhuǎn)爐內(nèi)要經(jīng)過煅燒，分解需要幾分鐘時間，因此石灰石要在吹煉前期加完。如果石灰石加入量較大，上爐鋼濺渣結(jié)束后可以先把一部分石灰石（一般為 1t）作為底灰加入爐內(nèi)，開吹點火成功后 100s左右加入剩余石灰石和其他渣料，使石灰石快速煅燒分解，保證前期堿度脫磷。
（2）試驗操作步驟。上爐鋼濺渣結(jié)束后，投入部分石灰石（一般為 1t）作為底料，前后搖爐，將石灰石鋪平于爐底，然后裝入廢鋼、兌鐵水；點火成功后，吹煉 100s左右第一批批料投入剩余石灰石、全部輕燒白云石以及 50％石灰，控制熔池溫度均衡上升，脫碳反應(yīng)穩(wěn)定進行；吹煉時間 250s左右將剩余的 50％石灰投入；吹煉 10min前將氧化鐵皮投入完畢，控制熔池溫度均衡上升和脫碳反應(yīng)穩(wěn)定進行，在這個過程中根據(jù)化渣效果適當調(diào)整槍位。副槍動態(tài)控制測定時機與正常爐次相同，動態(tài)控制命中目標后進行出鋼作業(yè)。
（3）石灰石造渣槍位控制。石灰石在吹煉前期分解階段，排出CO2 氣體量大，易造成噴濺，對槍位控制要求嚴格?？傮w采用高—低—高—低槍位，點火成功后，前期開吹槍位比石灰造渣煉鋼槍位高100mm，氧氣流量設(shè)置為 400Nm3／min；加入第一批料后槍位再提升 100mm，氧氣流量設(shè)置為385Nm3／min，促進前期化渣并且防止噴濺；中期可以根據(jù)煤氣分析儀 CO濃度曲線來適當調(diào)整槍位，CO濃度曲線變化趨勢反映出爐內(nèi)碳氧反應(yīng)的劇烈程度。如果吹煉過程爐口未甩渣片或者火焰有力發(fā)硬，CO濃度超過 30％并且有急劇上升的趨勢時，需要加入 500kg左右的氧化鐵皮球或者提高100mm槍位，防止“返干”噴濺；同樣當 CO濃度低于 30％并且有急劇下降的趨勢時，需要降低 100mm槍位，防止泡沫噴濺?？刂七^程 CO濃度在30％左右，保證吹煉穩(wěn)定。
2.2 石灰石加入后對轉(zhuǎn)爐過程溫度的影響
吹煉開始后，轉(zhuǎn)爐熔池溫度一般在 1200～ 1300℃，石灰石加入后，隨著石灰石的吸熱分解，轉(zhuǎn)爐熔池相對處于一個較低的溫度環(huán)境，氧化鐵含量逐漸增多，恰好滿足前期脫磷條件。吹煉大約300s左右時，石灰石基本完全分解，逐步進入碳氧反應(yīng)期，常規(guī)冶煉中由于熱量富裕需要加入一定量的冷卻劑控制溫度，石灰石加入后降低了冷卻劑使用量，減少了入爐渣料，同時也避免了由于冷卻劑加入噴濺造成的溫度損失。如果入爐鐵水溫度較低，石灰石可以作為底灰在濺渣時加入，這樣不僅利用爐溫起到了烘烤石灰石的作用，而且還能降低爐渣表面溫度，起到了護爐的作用。
3 試驗效果
3.1 冷卻劑用量對比
試驗冷卻劑平均消耗量如圖 1所示。
從圖 1可以看出，當石灰石消耗 14.8kg／t時，石灰消耗由37.5kg／t降低至28.4kg／t，石灰消耗降低了9.1kg／t；氧化鐵皮球消耗由 22.5kg／t降低至 10.5kg／t。因此，用石灰石代替部分石灰不僅可以降低石灰消耗，還可以降低氧化鐵皮等冷卻劑的使用量。
3.2 終渣 TFe、堿度對比
試驗終渣TFe及堿度對比見表 5。未使用石灰石的終渣堿度平均值為 3.15，TFe平均含量為18.5％，使用石灰石后的終渣堿度平均值為3.08，TFe平均含量為17.4％。由此可見，使用石灰石替代部分石灰對終渣堿度和TFe含量基本沒有影響，具有相同的造渣效果。
3.3 終點 C含量、終點 P含量和溫度情況
對未加入石灰石與加入石灰石兩種冶煉工藝終點情況進行統(tǒng)計分析，兩種工藝終點 C含量、終點 P含量和溫度情況見表6。
從表 6可以看出，未加入石灰石與加入石灰石兩種工藝終點控制成分相當，使用石灰石的終點 P比未使用石灰石的平均值低0.002％，終點溫度與C含量波動很小，因此使用石灰石造渣同樣可以使終點成分和溫度達到鋼種要求。
使用石灰石冶煉后，白灰消耗平均降低了9kg／t，氧化鐵皮球加入量平均降低了 12kg／t，渣中 TFe平均降低了1.1％，綜合計算噸鋼成本降低約為5.82元／t。
4 結(jié)論
（1）以石灰石分解為理論基礎(chǔ)，分析了石灰石在轉(zhuǎn)爐內(nèi)的化學變化與冷卻效果，說明了石灰石造渣的可行性與優(yōu)越性；
（2）使用石灰石冶煉時，吹煉過程不易控制，可以通過爐口火焰并結(jié)合 CO濃度曲線來調(diào)整槍位與加料時機；
（3）使用石灰石代替部分石灰后，對吹煉終點堿度、C、P等情況基本無影響，白灰消耗平均降低了9kg／t，噸鋼成本降低約5.82元／t。
5 參考文獻
［1］ 李自權(quán)，李宏，郭洛方，等．石灰石加入轉(zhuǎn)爐造渣的行為初探［J］．煉鋼，2011，27（2）：33－35．
［2］ 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，2012，38（4）：30－35．
［3］ 周寶，李宏，朱榮，等．轉(zhuǎn)爐煉鋼石灰石替代石灰比率研究［J］．河南冶金，2015，23（5）：4－6．