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：以石灰石分解反應為基礎，理論分析了石灰石在轉爐內的化學變化與冷卻效果，說明了石灰石造渣在轉爐冶煉中的可行性，以此分析為依據進行了石灰石代替部分石灰造渣冶煉工業試驗。試驗結果表明：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。
關鍵詞：石灰石造渣；冷卻效應；轉爐冶煉；噴濺
0 前言
經濟效益是企業賴以生存的根本，隨著鋼材市場的進一步擴大，煉鋼原材料價格普遍上漲，各個鋼鐵企業內部對降本提出了更高的要求，節能降耗已成為當前鋼鐵企業普遍關注的焦點，是鋼鐵企業面臨的巨大挑戰之一，如何在煉鋼生產中既能滿足冶煉工藝要求，又能降低煉鋼成本是鋼鐵企業亟需解決的問題。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與冷卻效應分析
1.1 石灰石造渣的理論分析
石灰石在一定溫度下發生分解反應［1］，其反應式為：
CaCO3（s） ＝CaO（s） ＋CO2（g）
ΔGθ＝169120－144.6T
由上面反應式及熱力學數值可以看出，在煉鋼溫度下，石灰石分解反應有ΔGθ ＜0，反應能自發進行，分解溫度為900℃左右，石灰石在爐外煅燒一般需要 3～5h，其外表面與內部的溫度差遠沒有在轉爐內煅燒那么大。石灰石加入轉爐內后，由于其外表面與內部的溫度差較大，使得石灰石立刻由表及里發生分解反應，石灰石在爐內分解大約在 3～4min［2］內完成，反應是吸熱的，并且分解產物還有一定量的CaO，所以從另一方面來說，能間接促進脫磷反應的進行。因此，在轉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，石灰石層層分解產生的 CO2 氣體不斷溢出，使其產物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，促進了爐內反應的順利進行。
不僅如此，分解產生的CO2氣體還具有一定的氧化性，能與熔池中金屬發生反應，反應式為：
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，反應能自發進行，其產物使渣中 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
冷卻效應是指在一定條件下，加入 1kg冷卻劑所消耗的熱量。設定出鋼溫度為 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，石灰石分解產生的 CaO升溫吸熱，石灰石分解產生的CO2升溫吸熱以及與爐內 C參與的吸熱反應，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為1，則石灰石的冷卻效應為4296 ÷1426.95＝3.0。同理，得出石灰石與其他冷卻劑的冷卻效應對比，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爐有以下優點：（1）分解時吸收大量熱量，吸收轉爐富裕熱量，降低轉爐冷料消耗；（2）分解產物含有 CaO，可以代替部分石灰，降低白灰消耗；（3）分解產物含有 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）其冷卻效應與氧化鐵皮球、礦石相當，是石灰、廢鋼冷卻效應的3倍，作為冷卻劑可以避免由于加入大量含氧化鐵物質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，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爐可以降低渣量。
2 石灰石代替部分石灰造渣冶煉工業試驗
2.1 工業試驗過程
根據以上理論基礎，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。由于石灰石在轉爐內要經過煅燒，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，上爐鋼濺渣結束后可以先把一部分石灰石（一般為 1t）作為底灰加入爐內，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，脫碳反應穩定進行；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穩定進行，在這個過程中根據化渣效果適當調整槍位。副槍動態控制測定時機與正常爐次相同，動態控制命中目標后進行出鋼作業。
（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。總體采用高—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，氧氣流量設置為 400Nm3／min；加入第一批料后槍位再提升 100mm，氧氣流量設置為385Nm3／min，促進前期化渣并且防止噴濺；中期可以根據煤氣分析儀 CO濃度曲線來適當調整槍位，CO濃度曲線變化趨勢反映出爐內碳氧反應的劇烈程度。如果吹煉過程爐口未甩渣片或者火焰有力發硬，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。控制過程 CO濃度在30％左右，保證吹煉穩定。
2.2 石灰石加入后對轉爐過程溫度的影響
吹煉開始后，轉爐熔池溫度一般在 1200～ 1300℃，石灰石加入后，隨著石灰石的吸熱分解，轉爐熔池相對處于一個較低的溫度環境，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，逐步進入碳氧反應期，常規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 結論
（1）以石灰石分解為理論基礎，分析了石灰石在轉爐內的化學變化與冷卻效果，說明了石灰石造渣的可行性與優越性；
（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合 CO濃度曲線來調整槍位與加料時機；
（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，李宏，郭洛方，等．石灰石加入轉爐造渣的行為初探［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．轉爐煉鋼石灰石替代石灰比率研究［J］．河南冶金，2015，23（5）：4－6．