郭 慧

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東 日照 276800）

鋼鐵是一種應(yīng)用及其廣泛的材料。根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會的統(tǒng)計，全球2021年鋼鐵需量預(yù)計達(dá)到17.17億噸，其中中國鋼鐵需求量最大。同時，我國還是世界上鋼鐵生產(chǎn)量最大的國家。鋼鐵生產(chǎn)作為高污染、高能耗的工業(yè)產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)排放的污染物類型較多，污染量巨大。平均每年產(chǎn)生的二氧化硫占全國總量的7%，煙塵占全國總量的8%，粉塵占全國總量的15%，固廢占全國總量的13%，廢水占全國總量的8%。此外，還包括燒結(jié)所產(chǎn)生的N2、CO2、CO、自由氧等。這些污染物給生態(tài)環(huán)境造成了負(fù)擔(dān)，加劇了全球溫室效應(yīng)的發(fā)展。在全球鋼鐵需求背景下，中國作為世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國和消耗國，其生產(chǎn)工藝節(jié)能優(yōu)化迫在眉睫。研究石灰石在煉鋼中的應(yīng)用及其應(yīng)用效果對促進(jìn)國內(nèi)傳統(tǒng)煉鋼行業(yè)向綠色化轉(zhuǎn)型有著重要的意義。

1 石灰石煉鋼工藝及概述

1.1 石灰石煉鋼工藝

石灰石煉鋼工藝是從以傳統(tǒng)的石灰為造渣材料的煉鋼工藝升級而來。傳統(tǒng)石灰需要對石灰石經(jīng)過鍛造，先產(chǎn)生石灰，再利用石灰降溫吸熱進(jìn)行煉鋼。石灰石煉鋼工藝是指直接將石灰石投入轉(zhuǎn)爐內(nèi)集中反應(yīng)，利用石灰石表層碳酸鈣分解作用吸收轉(zhuǎn)爐內(nèi)溫度并對轉(zhuǎn)爐內(nèi)外進(jìn)行降溫，輔助煉鋼生產(chǎn)的過程。石灰石在轉(zhuǎn)爐內(nèi)的分解反應(yīng)式如下式1→式2。煉鋼開吹時轉(zhuǎn)爐內(nèi)溫度約為1300℃～1400℃，石灰石表層碳酸鈣在高溫環(huán)境下發(fā)生劇烈的分解反應(yīng)，迅速產(chǎn)生大量的二氧化碳。在二氧化碳作用下，轉(zhuǎn)爐內(nèi)生成大量熔渣，且熔渣泡沫化面積與體積相比傳統(tǒng)的鍛造石灰增加。大量溢出的二氧化碳在生產(chǎn)石灰的石灰石表明形成氣孔率較高的企口，促進(jìn)高監(jiān)督轉(zhuǎn)爐熔渣的產(chǎn)生。在轉(zhuǎn)爐內(nèi)，石灰石分解反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，二氧化碳其他不斷收到分解釋放，加速了石灰的融化。轉(zhuǎn)爐內(nèi)石灰石煅燒反應(yīng)的過程相比石灰造渣更加劇烈，有利于促進(jìn)二氧化碳?xì)怏w排除和石灰層的融化。一般在保證轉(zhuǎn)爐內(nèi)溫度適應(yīng)的情況下，石灰石熱分解與融化的速度明顯大于石灰造渣的融化速率。

1.2 石灰與石灰石煉鋼工藝吸熱分析

氧化鈣與碳酸鈣分別作為煉鋼溶劑時，二者的吸熱情況不同。我們將鋼鐵冶煉工藝過程中的吸熱劃分為四部分：①CaCO3升溫吸熱（分解溫度以下）Q1；②CaCO3分解吸熱Q2；③CaO成渣熔化吸熱（近似以熔化熱替代）Q3；④CO2及CaO的升溫吸熱Q4。二者在造渣融化前后的容差相近，將鋼鐵冶煉過程中升溫吸熱與融化吸熱用Q1＇與Q2＇表示。通過對不同燃料熱熔與熔化熱的計算，得到鋼鐵冶煉過程中氧化鈣與碳酸鈣造渣吸熱值，其中根據(jù)之前的數(shù)值可以看出，碳酸鈣在鋼鐵冶煉過程匯中發(fā)生的熱量消耗與升溫吸熱值存在差別。碳酸熱熱量消耗0.08%，冶鐵過程中發(fā)生了碳酸鈣與二氧化碳的雙向升溫吸熱。碳酸鈣吸熱值較高及產(chǎn)生額外熱量的原因在于二氧化碳的存在。這使得氧化鈣與碳酸鈣在冶鐵過程中造渣吸熱值相差1摩爾CO2。假設(shè)冶煉1噸鋼鐵石灰需要消耗25-60kg，按照平均40千克/噸鋼鐵計算，采用石灰石替代石灰的熱量變化差值為63190.95kJ/t鋼。這個差值達(dá)到了鋼鐵冶煉過程中總熱量的3.16%。用相同質(zhì)量的40kg石灰石替代石灰，后的熱量變化高達(dá)15638.75kJ/t鋼，該熱量站鋼鐵冶煉熱量指出的0.78%?？梢娛沂跓掍撝械膽?yīng)用有利于提高廢鋼的熔化率，減少固體廢物的產(chǎn)出量。

2 石灰石轉(zhuǎn)爐造渣的機(jī)理

2.1 CaCO3分解時鋼液的攪拌作用

煉鋼過程中需要通過攪拌來加速渣鋼的反應(yīng)，改善夾雜物上浮問題。采用石灰石替代石灰作為溶劑煉鋼，石灰石表層的碳酸鈣在分解過程中強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w能夠形成氣體攪拌作用，并利用鋼水注六保護(hù)技術(shù)及惰性氣體的原理保護(hù)鋼水吸氣，有效地預(yù)防了鋼水的二次氧化。原本使用氬作為攪拌氣體的，就可以用二氧化碳代替氬氣攪拌鐵水。因氬氣價格較高，石灰石替代石灰煉鋼有利于降低煉鋼成本的作用。

2.2 石灰分解生成活性CaO的精煉作用

煉鋼過程中石灰石生成石灰是通過高溫加熱后表層形成高孔隙率的氣孔，生產(chǎn)具有高度活性的氧化鈣。氧化鈣再次被加熱，活性就會降低。為了預(yù)防該問題，將煅燒石灰石的溫度升高到高于石灰石分解的溫度來提升氧化鈣的活性。氧化鈣始終保持較高的活性狀態(tài)下，新產(chǎn)生的氧化鈣就會是厚重暴露在反應(yīng)最前端，在較短的時間內(nèi)快速地完成石灰溶解造渣，實現(xiàn)鋼鐵精煉和脫硫的作用。這也是石灰石在煉鋼中能夠減少了廢渣的排量的重要因素之一。

2.3 CaCO3分解生成CO2對CaO參與反應(yīng)的促進(jìn)作用

以石灰石作為溶劑煉鋼，石灰石表層碳酸鈣分解產(chǎn)生高活躍性的氧化鈣，同時生產(chǎn)大量二氧化碳?xì)怏w。二氧化碳?xì)怏w具有使碳酸鈣氣泡炸裂的作用。這個過程中的“爆炸”行為會使石灰石顆粒炸裂在鐵水中，利用氣泡破裂的行俄日對鐵水形成攪拌作用，增大了鐵水與強(qiáng)化粉劑的接觸面積。氣泡炸裂釋放出脫硫劑可以對鋼液進(jìn)行脫硫，增強(qiáng)脫硫效果，從而來降低煉鋼過程中排放其他中含硫污染物的排除。

3 石灰石在煉鋼中的應(yīng)用實踐

3.1 電弧爐煉鋼中的應(yīng)用實踐

石灰石在電弧爐煉鋼中作為爐底的墊襯作用，可以加速熔氧期石灰石分解作用。在高溫作用下，電弧爐底部在煉鋼整個過程中都發(fā)生強(qiáng)烈的分解作用，并什邡市二氧化碳?xì)怏w與高活性氧化鈣。它們共同參與鋼液的物理化學(xué)反應(yīng)。該工藝有利于加速鋼業(yè)物理化學(xué)反應(yīng)的時間，縮短精煉時間，同時還能降低煉鋼過程中的能耗。精煉也能從一定程度上減少煉鋼過程中污染物的排放。姜若堯?qū)﹄娀t煉鋼的成本試驗中，確定石灰石在電弧爐煉鋼工藝減少了石灰石、鋼石的能耗，相應(yīng)增加了氧氣的消耗。綜合成本顯著低于石灰煉鋼工藝，實現(xiàn)了煉鋼增效及節(jié)能環(huán)保的目的。

3.2 在頂?shù)讖?fù)合吹煉中的應(yīng)用實踐

石灰石在鋼鐵中的應(yīng)用優(yōu)勢顯著。不少煉鋼企業(yè)在煉鋼全過程中都采用了石灰石轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)。石灰石加入采用頂?shù)讖?fù)合的方式。秦登平等對頂?shù)讖?fù)合方式加入石灰煉鋼初期石灰石造渣及轉(zhuǎn)爐熱平衡進(jìn)行計算，頂?shù)讖?fù)合加入石灰石煉鋼能加速鐵水的消耗，有效地控制了轉(zhuǎn)爐廢鋼的消耗量。通過試驗確定石灰石造渣煉鋼轉(zhuǎn)爐終點堿度、終點溫度、終點命中率與石灰造渣煉鋼工藝相同的條件下，確保脫磷率合格的前提下能夠減少28.6%的氧化鈣投入量。平均每噸鋼造渣物料及轉(zhuǎn)爐造渣的總量都相應(yīng)減少?？梢娛沂?shù)准尤霃?fù)合吹煉鋼水有助于實現(xiàn)煉鋼工藝的節(jié)能減排，降低煉鋼總成本，提升煉鋼的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益。

3.3 在鐵水預(yù)處理中的應(yīng)用實踐

石灰石在鋼鐵冶煉鐵水與處理環(huán)節(jié)中可以作為脫硫劑應(yīng)用。一般采用加渣機(jī)械攪拌和噴射冶金的方式對鋼水中的流物質(zhì)噴吹脫硫。原義明等采用碳酸鈣在混鐵車上進(jìn)行噴吹脫硫?qū)嶒?，研究發(fā)現(xiàn)采用等量等質(zhì)的碳酸鈣與氧化鈣對鐵水降溫處理，噴吹碳酸鈣脫硫的效果優(yōu)于氧化鈣的效果。碳酸鈣在高溫加熱環(huán)境下發(fā)生氣泡自碎，尺寸與體積分解變小的過程中，比表面積在增大，脫硫接觸面積也在增大，脫硫效果明顯得到優(yōu)化。其實現(xiàn)這一效果的關(guān)鍵在于碳酸鈣在高溫劇烈分解作用下產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w對鐵水形成的強(qiáng)烈攪拌作用與碳酸氣泡自破碎作用。

4 石灰石在煉鋼中的應(yīng)用效果及其價值

4.1 應(yīng)用效果

某煉鋼廠采用優(yōu)質(zhì)石灰石替代石灰煉鋼，轉(zhuǎn)爐開吹采用了高槍為來加速氧化鐵生成，來滿足轉(zhuǎn)爐內(nèi)部溫度及著火要求。著火條件準(zhǔn)備好后將3噸優(yōu)質(zhì)石灰石及適量的輕燒白云石、石灰、化渣劑加入轉(zhuǎn)爐內(nèi)，再迅速調(diào)整氧槍的槍位，加氧促進(jìn)初渣快速形成。再根據(jù)鐵水與轉(zhuǎn)爐內(nèi)反應(yīng)情況適時加入第二次石灰。繼續(xù)調(diào)整氧氣槍位，確保氧氣射流有足夠的攪拌力滿足轉(zhuǎn)爐內(nèi)供火。密切關(guān)注轉(zhuǎn)爐內(nèi)火焰及降溫情況，適時加入石灰石來降低轉(zhuǎn)爐內(nèi)的溫度。但轉(zhuǎn)爐內(nèi)發(fā)生返干時停止加入石灰石，轉(zhuǎn)而加入鐵礦石等金屬材料降溫。降溫的過程中藥加速碳酸鈣造渣，來縮短返干時間，確保熔池溫度與脫碳速度相適應(yīng)。持續(xù)關(guān)注爐口火焰，采用副槍技術(shù)測取煉鋼全過程的溫度與終點溫度，并分別取樣化驗出鋼情況。

4.2 應(yīng)用價值

根據(jù)之前的研究對該煉鋼廠對石灰石在煉鋼中的應(yīng)用前后實踐可以看出，石灰石應(yīng)用于煉鋼后減少了轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中活性石灰、鐵礦石的使用。3噸石灰石在煉鋼過程中的降溫效果相當(dāng)于2噸石灰石+1噸鐵礦石+1噸活性石灰降溫的效果。從造渣效果來看，加入一定量的鐵礦石降溫，在石灰石降溫作用下，有效保證了終渣的黏度，綜合造渣效果較好。通過分析，我認(rèn)為石灰石在煉鋼中的應(yīng)用實現(xiàn)了資源最大化利用及節(jié)能減排的雙重價值。在石灰石轉(zhuǎn)爐降溫、循環(huán)利用二氧化碳環(huán)節(jié)等方面均體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的效果。綜合分析，石灰石在煉鋼中的應(yīng)用實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益的雙贏，有利于提升煉鋼企業(yè)的市場競爭優(yōu)勢。

5 結(jié)語

綜上所述，石灰石在煉鋼過程中的用途較多。它同時承擔(dān)著氧化鈣提供者與二氧化碳攜帶者的角色。如果對煉鋼工藝加以優(yōu)化改造，使二者功能同時在同一套工藝流程中體現(xiàn)，就能使石灰石發(fā)揮雙重作用，實現(xiàn)石灰石煉鋼節(jié)能減排的效果。相對于煅燒石灰石得到石灰后進(jìn)行煉鋼操作，采用石灰石直接煉鋼，在石灰石快速分解作用下產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳在強(qiáng)攪拌工藝下生產(chǎn)石灰溶解，有利于增強(qiáng)分解吸熱和脫磷作用，還能是煉鋼過程中的二氧化碳通過工藝循環(huán)得到循環(huán)利用，減少了二氧化碳排放問題。煉鋼過程中生成的碳酸鈣被用作吸熱及二氧化碳的氧化，又解決了氧化鈣吸水的問題。通過石灰石煉鋼工藝優(yōu)化，使煉鋼過程中資源得到最大化及合理地利用，在實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的同時還提升了煉鋼的經(jīng)濟(jì)效益。因此我建議煉鋼企業(yè)可以采用石灰石代替石灰煉鋼，優(yōu)化鋼廠煉鋼工藝。