曹哲 陳東寧 趙廣勛 安君輝 王玉剛 武波

（河北鋼鐵集團(tuán)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(xué)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(jìn)行了石灰石代替部分石灰造渣冶煉工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)石灰石消耗為 14.8kg／t時(shí)，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(duì)終渣堿度基本無影響；使用石灰石的終點(diǎn) Ｐ比未使用石灰石的平均略低 0.02％，終點(diǎn)溫度與 C含量波動(dòng)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(jì)效益是企業(yè)賴以生存的根本，隨著鋼材市場(chǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)大，煉鋼原材料價(jià)格普遍上漲，各個(gè)鋼鐵企業(yè)內(nèi)部對(duì)降本提出了更高的要求，節(jié)能降耗已成為當(dāng)前鋼鐵企業(yè)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，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(duì)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：

CaCO_3（s） ＝CaO_（s） ＋CO_2（g） 

ΔG^θ＝169120－144.6T

由上面反應(yīng)式及熱力學(xué)數(shù)值可以看出，在煉鋼溫度下，石灰石分解反應(yīng)有ΔG^θ ＜0，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)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(yuǎn)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(jìn)脫磷反應(yīng)的進(jìn)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(shí)，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?cái)嚢枘芰?。普通冶煉前期使用石灰造渣的過程中，常常因?yàn)樵?SiO₂浸入石灰內(nèi)部生成高熔點(diǎn)的 2CaO·SiO₂而影響化渣，石灰石的這種效果有效避免了高熔點(diǎn) 2CaO·SiO₂的生成，促進(jìn)了爐內(nèi)反應(yīng)的順利進(jìn)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：

CO_2（g） ＋Fe_（l） ＝CO_（g） ＋FeO_（s） 

ΔG^θ＝4343－13.653T

由上式可以看出，在煉鋼溫度下，ΔG^θ＜0，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)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(xiàn)^［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(duì)比，具體見表1。

顯然，石灰石的單價(jià)相對(duì)比較便宜，其作為冷卻劑加入轉(zhuǎn)爐有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）分解時(shí)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?cái)嚢瑁龠M(jìn)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(dāng)，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(bǔ)充石灰以保證終點(diǎn)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(yàn)

2.1 工業(yè)試驗(yàn)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(jìn)行冶煉試驗(yàn)，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(yàn)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(duì)未加石灰石和加入石灰石的爐次進(jìn)行終點(diǎn) P、堿度等情況的對(duì)比。采用的石灰石化學(xué)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(shí)機(jī)。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(shí)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(diǎn)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(yàn)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(diǎn)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(jìn)行；吹煉時(shí)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(jìn)行，在這個(gè)過程中根據(jù)化渣效果適當(dāng)調(diào)整槍位。副槍動(dòng)態(tài)控制測(cè)定時(shí)機(jī)與正常爐次相同，動(dòng)態(tài)控制命中目標(biāo)后進(jìn)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(duì)槍位控制要求嚴(yán)格?？傮w采用高—低—高—低槍位，點(diǎn)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(jìn)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(dāng)調(diào)整槍位，CO濃度曲線變化趨勢(shì)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(shì)時(shí)，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(dāng) CO濃度低于 30％并且有急劇下降的趨勢(shì)時(shí)，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(duì)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(duì)處于一個(gè)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(shí)，石灰石基本完全分解，逐步進(jìn)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(shí)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(shí)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(hù)爐的作用。

3 試驗(yàn)效果

3.1 冷卻劑用量對(duì)比

試驗(yàn)冷卻劑平均消耗量如圖 1所示。

從圖 1可以看出，當(dāng)石灰石消耗 14.8kg／t時(shí)，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(duì)比

試驗(yàn)終渣TFe及堿度對(duì)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(duì)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(diǎn) C含量、終點(diǎn) P含量和溫度情況

對(duì)未加入石灰石與加入石灰石兩種冶煉工藝終點(diǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，兩種工藝終點(diǎn) C含量、終點(diǎn) 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(diǎn)控制成分相當(dāng)，使用石灰石的終點(diǎn) P比未使用石灰石的平均值低0.002％，終點(diǎn)溫度與C含量波動(dòng)很小，因此使用石灰石造渣同樣可以使終點(diǎn)成分和溫度達(dá)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(jì)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(xué)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(shí)，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(shí)機(jī)；

（3）使用石灰石代替部分石灰后，對(duì)吹煉終點(diǎn)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(xiàn)

［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．