石灰石代替部分石灰转炉造渣实践
摘要:从石灰石在转炉热分解特性和渣化机理，分析50t转炉应用石灰石代替部分造渣工艺，并介绍在50t转炉开展工业试验情况、存在问题及取得的效果，并就存在的问题提出改进措施; 利用转炉的富余热量，石灰石代替部分活性石灰和冷却剂炼钢，既降低生产成本，同时节能减排。
关键词:石灰石; 石灰; 转炉; 造渣; 节能减排
1 引言
随着国家对钢铁企业采取节能减排政策，作为炼钢产业中心环节的转炉工序，如何更好地担负低能耗和低污染任务成为人们逐渐关注的焦点［1］。
基于节能减排理念，北京科技大学李宏提出的“转炉石灰石替代石灰造渣炼钢”的方法则正好满足了低成本、低能耗、低排放的冶炼诉求［2－3］。国内已有数十家钢铁公司应用此方法炼钢，并取得了良好冶炼效果和经济效益［4－8］。
目前国内同行业转炉平均石灰消耗为45 kg /t，同行业先进水平石灰消耗为35 kg /t，某钢厂转炉石灰消耗为45 kg /t，距国内同行业先进水平相比，还存在一定的差距。通过在氧气转炉炼钢中用石灰石代替部分活性石灰炼钢，充分利用石灰石分解过程中的物理化学特性，则石灰石既能用作造渣剂，又能用作冷却剂，该方法可以减少大量的资源，降低炼钢生产成本，满足炼钢生产需求，减排粉尘和CO2，在给企业带来经济效益的同时，又能减轻环境污染，对提高钢铁企业市场竞争力有着重要意义。
2 生产现状及工艺流程
某钢厂目前粗钢年产量250 万t，现有年处理能力200 万t 脱硫站、2 座600 t 混铁炉、3 座50 t 氧气顶吹转炉、3 座60 t 电极臂旋转双加热工位LF 炉、3台四机四流全弧形方坯连铸机、2 台板坯连铸机。
炼钢工艺流程如下:
⑴铁水脱硫→混铁炉→转炉冶炼→吹氩→精炼→连铸机。
⑵铁水脱硫→混铁炉→转炉冶炼→吹氩→连铸机。
入炉铁水温度及铁水成分见表1，转炉使用石灰作为造渣料，转炉石灰消耗45～50 kg /t，石灰及石灰石主要成分见表2。
3 石灰石造渣炼钢机理
现代转炉炼钢普遍采用活性石灰作为造渣材料，而石灰则是由石灰石煅烧而来。石灰石的主要成分为CaCO3，CaCO3在900～1 200 K 之间标准自由能的变化与温度的关系如下［9］:
由式⑵计算，碳酸钙的分解温度在896 ℃ 左右［10］。如果在转炉内直接加入石灰石造渣相当于将石灰石的煅烧过程放在了转炉炉内集中进行，转炉开吹后熔池温度在1 200 ～ 1 400 ℃之间，石灰石在加入转炉后瞬间承受1 200 ～ 1 400 ℃的高温，表层碳酸钙的分解激烈进行。原本在炉外需要煅烧3～5 h 的石灰石分解反应在转炉冶炼过程，只需要几分钟便可分解完成。由于石灰石分解会生成大量的CO2气体，使得炉内熔渣泡沫化程度提高，有利于增加石灰与熔渣反应的表面积，同时CO2气体的逸出会在石灰石煅烧生成的石灰表面形成诸多气孔，生成的石灰具有极高的活性，有效地促进了石灰的快速熔化，有利于高碱度转炉熔渣的快速形成。
吹炼初期Si、Mn 的快速氧化，产生的SiO2与石灰中CaO 在其表面形成高熔点物质2CaO·SiO2进而影响石灰的熔化速度，采用石灰石作为造渣材料，煅烧过程不断生成CO2气体并逸出，可有效限制SiO2进入石灰内部，避免高熔点物质2CaO·SiO2的生成，从而有利于石灰的熔化。CO2气体的排出以及石灰的快速熔化是相互促进的，从化学反应动力学角度分析，这两种生成物的排出和熔化促进石灰煅烧反应的进行。因此在保证了转炉炉内温度的前提下，石灰石的热分解熔化速度并不低于石灰在转炉的熔化速度。
石灰石加入转炉炉内发生分解反应，所产生的CO2气体与C 发生反应，反应式如下:
CO2+［C］→2CO(g)⑶
石灰石分解和CO2气体与C 反应均为吸热反应，石灰石的密度在2.7～2.95 g /cm3，具备作为炼钢“压喷剂”的条件，可抑制泡沫型喷溅的产生。
4 石灰石代替部分石灰炼钢试验
4．1 试验方法
试验在50 t 氧气顶吹转炉进行，试验钢种及工艺路线: 方坯普碳、低合金钢进LF 炉炉次。石灰石分多批加入，由于铁耗控制较低，考虑到热量并不富裕，石灰石加入总量按500 ～ 600 kg /炉控制，吹氧开始时加入第一批料，第一批料石灰石加入量为总量的2 /3，开吹采用大氧压操作，促进转炉初期渣的快速生成;吹炼至3～4 min 时，适当提高枪位加强化渣，碳氧反应开始后加入二批料继续吹炼，渣料使用石灰石、白云石和氧化铁皮，终渣碱度目标3．0。试验炉次采取倒炉等样出钢，终点温度、成分不满足出钢要求时，进行点补吹处理，保证出钢符合要点要求。
4．2 试验结果与讨论
4．2．1 对转炉入炉料的影响
石灰石在转炉内完成房分解和造渣，比石灰吸热量大，为此要对烧结矿、氧化铁皮及块矿等冷却剂加入量做适当调整。将1 月至5 月试验过程冶炼数据进行归类，并对比石灰造渣和加入石灰石替代部分石灰造渣的入炉料消耗，结果见图1。
由图1 可知，加入石灰石替代部分石灰造渣，转炉入炉料消耗有所变化，当石灰石加入量10 kg /t时，白云石加入量降低2 kg /t 左右，氧化铁皮消耗降低7 kg /t 左右，通过调节入炉料结构可以维持转炉热平衡，满足正常冶炼需求，试验过程未出现热量不足问题。
4．2．2 对石灰消耗的影响
使用石灰石代替部分石灰以来，各月份石灰消耗明显降低，各月石灰与石灰石消耗对比见图2。
通过石灰石代替部分石灰在转炉炼钢中造渣的生产工艺，2018 年上半年转炉石灰消耗在2017 年45．01 kg /t的基础上降低5．42 kg /t，同比2017 年上半年降低了6．5 kg /t，石灰消耗达到历史最好水平。
4．2．3 对终渣成分的影响
对试验过程中终渣碱度及终渣成分的数据进行采集，并与未加石灰石时的转炉终渣碱度及终渣成分对比见表3。
从表3 可知，未加石灰石时转炉终渣碱度2．82～3．37，加入石灰石替代部分石灰后终渣碱度2．68 ～3．49，两种工艺终点渣样碱度基本相当，终渣成分也基本相当。
4．2．4 对转炉煤气回收的影响
石灰石替代部分石灰炼钢，在转炉冶炼过程中加入的石灰石分解产生的CO2可以与铁水中的碳硅、和锰等发生反应产生CO 进入炉气［11］，从而增加转炉煤气回收。试验期间煤气回收与未见石灰石时的煤气回收对比见图3。
由图3 可以看出，加入石灰石后的煤气回收量2 月、3 月有增加趋势，其余各月无增加趋势。分析原因一方面石灰石加入量较少且影响煤气回收的其它因素较多，另一方面该钢厂煤气回收条件设定为CO 含量大于25%且O2含量小于1．2%，加入石灰石增加煤气回收的效果不明显。
4．2．5 效益分析
上半年转炉石灰消耗降低3．39 kg /t，按活性石灰价格为286 元/t，钢产量88．57 万t，创效84．07 万元; 石灰石直接加入转炉造渣，分解产生的CO2气体，部分在转炉炼钢过程中还原为CO，增加转炉煤气回收; 在氧气转炉中用石灰石代替部分石灰造渣炼钢，把石灰石直接加入炼钢转炉，在炉内烧成石灰做造渣剂，能够缓解生产活性石灰的压力，节省工序费用，还能部分消除煅烧石灰时的资源能源浪费，并可以减排大量的粉尘和CO2，获得燃料CO，符合节能减排及绿色工业的政策。
5 结语
石灰石在转炉应用理论上具有可行性，石灰石在转炉的应用必须建立在转炉热量比较富裕的基础上，石灰石在转炉可替代部分甚至全部石灰造渣，以重量50%的比例转换为石灰，作为冷却剂，效果比白云石稍强，基本可以等重替换使用; 冷却效果比铁皮球和烧结矿差，同等的冷却效果，石灰石的使用量大约为铁皮球和烧结矿的1．5 倍，石灰石在转炉的应用能达到节能减排的作用，具有良好的社会、环境和经济效益。