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: 從石灰石在轉爐熱分解特性和渣化機理，分析50 t 轉爐應用石灰石代替部分造渣工藝，并介紹在50 t 轉爐開展工業試驗情況、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，既降低生產成本，同時節能減排。

關鍵詞: 石灰石; 石灰; 轉爐; 造渣; 節能減排

1 引言

隨著國家對鋼鐵企業采取節能減排政策，作為煉鋼產業中心環節的轉爐工序，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］。

基于節能減排理念，北京科技大學李宏提出的“轉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］。國內已有數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濟效益^［4－8］。

目前國內同行業轉爐平均石灰消耗為45 kg /t，同行業先進水平石灰消耗為35 kg /t，某鋼廠轉爐石灰消耗為45 kg /t，距國內同行業先進水平相比，還存在一定的差距。通過在氧氣轉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，降低煉鋼生產成本，滿足煉鋼生產需求，減排粉塵和CO₂，在給企業帶來經濟效益的同時，又能減輕環境污染，對提高鋼鐵企業市場競爭力有著重要意義。

2 生產現狀及工藝流程

某鋼廠目前粗鋼年產量250 萬t，現有年處理能力200 萬t 脫硫站、2 座600 t 混鐵爐、3 座50 t 氧氣頂吹轉爐、3 座60 t 電極臂旋轉雙加熱工位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→轉爐冶煉→吹氬→精煉→連鑄機。

⑵鐵水脫硫→混鐵爐→轉爐冶煉→吹氬→連鑄機。

入爐鐵水溫度及鐵水成分見表1，轉爐使用石灰作為造渣料，轉爐石灰消耗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

現代轉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］。如果在轉爐內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爐爐內集中進行，轉爐開吹后熔池溫度在1 200 ～ 1 400 ℃之間，石灰石在加入轉爐后瞬間承受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，有利于高堿度轉爐熔渣的快速形成。

吹煉初期Si、Mn 的快速氧化，產生的SiO₂與石灰中CaO 在其表面形成高熔點物質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進入石灰內部，避免高熔點物質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。因此在保證了轉爐爐內溫度的前提下，石灰石的熱分解熔化速度并不低于石灰在轉爐的熔化速度。

石灰石加入轉爐爐內發生分解反應，所產生的CO2氣體與C 發生反應，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 對轉爐入爐料的影響

石灰石在轉爐內完成房分解和造渣，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整。將1 月至5 月試驗過程冶煉數據進行歸類，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，通過調節入爐料結構可以維持轉爐熱平衡，滿足正常冶煉需求，試驗過程未出現熱量不足問題。

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爐煉鋼中造渣的生產工藝，2018 年上半年轉爐石灰消耗在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據進行采集，并與未加石灰石時的轉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 對轉爐煤氣回收的影響

石灰石替代部分石灰煉鋼，在轉爐冶煉過程中加入的石灰石分解產生的CO₂可以與鐵水中的碳硅、和錳等發生反應產生CO 進入爐氣^［11］，從而增加轉爐煤氣回收。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

上半年轉爐石灰消耗降低3．39 kg /t，按活性石灰價格為286 元/t，鋼產量88．57 萬t，創效84．07 萬元; 石灰石直接加入轉爐造渣，分解產生的CO₂氣體，部分在轉爐煉鋼過程中還原為CO，增加轉爐煤氣回收; 在氧氣轉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爐，在爐內燒成石灰做造渣劑，能夠緩解生產活性石灰的壓力，節省工序費用，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，符合節能減排及綠色工業的政策。

5 結語

石灰石在轉爐應用理論上具有可行性，石灰石在轉爐的應用必須建立在轉爐熱量比較富裕的基礎上，石灰石在轉爐可替代部分甚至全部石灰造渣，以重量50%的比例轉換為石灰，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，石灰石在轉爐的應用能達到節能減排的作用，具有良好的社會、環境和經濟效益。

參考文獻:

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