转炉炼钢石灰石替代石灰比率研究

2015-03-08周宝李宏朱荣李晨晓

河南冶金 2015年5期

关键词：造渣炼钢碱度

周宝　李宏　朱荣　李晨晓

(北京科技大学冶金与生态工程学院)

转炉炼钢石灰石替代石灰比率研究

周宝李宏朱荣李晨晓

(北京科技大学冶金与生态工程学院)

摘要选取国内一般的转炉炼钢工艺参数条件，对石灰石替代石灰可能达到的比率进行了研究。由于石灰石替代石灰的比例随许多因素而变，计算中引入变量X作为替代比讨论了物料平衡和热平衡。结果表明：硅含量对替代比的影响存在一个临界值，当铁水硅含量低于临界值时，硅含量提高，替代比随之提高；硅含量高于临界值时，硅含量提高，替代比随之降低。当铁水比为94%、渣碱度R=3.5时，石灰石替代比X等于1.02，热量略有富余。随着铁水碳含量、锰含量、铁水温度、铁水比的提高，石灰石替代比不断提高；随着铁水硅含量、碱度、钢水温度提高，石灰石替代比不断降低。

关键词石灰石替代比

RESEARCH ON PROPORTION OF LIME SUBSTITUTED BY LIMESTONE IN USING LIMESTONE INSTEAD OF LIME FOR BOF SLAGGING

Zhou BaoLi HongZhu RongLi Chenxiao

(School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing)

ABSTRACTGeneral domestic process parameters of BOF steelmaking were used in this paper to research on possible substitution proportion of lime by limestone. The results shows, as the substitution proportion changes with many factors, a variable X is introduced into calculation to discuss mass and heat balance. There is a critical value of relationship between silicon content and substitution proportion; when silicon content is below the critical value, substitution proportion increases with silicon content；when silicon content is above the critical value, substitution proportion decreases with silicon content；When hot metal ratio reaches 94%, slag basicity reaches 3.5, substitution proportion equals 1.02, which means there is surplus heat. Substitution proportion increases with content of carbon and manganese of hot metal, iron temperature and hot metal ratio; substitution proportion decreases with silicon content, slag basicity and steel temperature.

KEYWORDlimestonesubstitution proportion

0前言

传统的石灰造渣炼钢工艺存在能量浪费、CO2过度排放、粉尘污染等问题。北京科技大学提出了石灰石代替石灰造渣炼钢的方法，缩短了传统的“石灰煅烧—转炉冶炼”工业链，石灰石直接在转炉内分解，减少了燃料消耗和污染物排放，有利于钢铁行业节能减排和降低成本[1-2〗，目前已在国内几十家钢铁公司应用[3-6〗。石灰石造渣炼钢工艺已经日渐成熟，但是还有些操作相关问题没有定量讨论，为了对生产过程有所指导，选择石灰石代替石灰的替代比问题进行了研究。

1研究方法

石灰石投入转炉后碳酸钙即发生分解反应，由于吸热降温和吹氧升温，所以该分解过程的环境温度在一个范围内变化而难以确定。过去的研究中曾把分解反应定为1400 ℃去计算热平衡，而根据工业试验数据分析得知，吹炼开始前冷铁料熔清时的熔池温度只有1100 ℃左右，如把这个温度定为分解温度计算，可不计CO2升温到1400 ℃的热耗，应该更接近实际情况，所以本文把分解定为1100 ℃进行计算。另外，过去的研究中已经确认铁水中[Si〗大约有10%～20%会生成SiO(g)通过气化的方式脱除，所以本文在考虑热平衡时假设Si生成SiO(g)比例为15%讨论了其影响，生成SiO(g)脱除的过程延续以前的说法，也称为“硅挥发”[7〗。

在进行物料平衡和热平衡计算时，采用国内多个钢铁厂的平均的铁水和钢水成分、温度和原料加入量以及渣料成分分别见表1、表2、表3、表4。根据铁水成分(碳、硅、锰含量)、铁水温度、铁水比、碱度对石灰石替代比影响的研究，求出了各工艺因素与替代比的关系表达式。

表1　铁水和钢水成分和温度

表2　原料加入量

表3　轻烧白云石成分表

表4　石灰石成分表

另外根据实验结果和已发表的资料对计算做了一些假设：1)炉衬侵蚀为铁水量的0.5%；2)石灰石分解产生的CO2与铁水元素反应比例为50% 。

2结果和讨论

2.1石灰石添加和硅反应热效应

石灰石造渣炼钢工艺与石灰造渣炼钢工艺主要不同在于石灰石分解吸热、石灰石分解产生的CO2参与熔池反应以及硅挥发现象。本节对石灰石添加以及考虑硅挥发的硅反应热效应进行计算，作为下节石灰石造渣炼钢物料平衡和热平衡计算的基础数据。

2.1.1石灰石添加热效应

石灰石加入转炉后的产生的热效应Q石灰石主要包括石灰石分解吸热(△H分解吸热)，石灰石分解产生的CaO升温吸热(△HCaO)，石灰石分解产生的CO2升温吸热(△HCO2)以及CO2参与熔池反应所产生的化学热△H反应，因此Q石灰石如(1)式所示。

Q石灰石=△H分解吸热+△HCO2,298k→1398k

+△HCaO,298k→1923k△H反应

(1)

式(1)中，△H分解吸热可由手册查到=1790 kJ/kg[8]；△H反应由实验室实验结果得知，参与铁水反应的CO2中，与C反应的比例约占90%左右[9-10]，与其他元素反应比例很低，因此忽略不计，假设CO2全部与C反应。则1 kg石灰石分解产生的CO2与[C]反应所吸收的热量△H反应=820.98 kJ。

△HCaO可由(2)式进行计算，计算时假定分解产生的石灰由25 ℃升温至1650 ℃；

(2)

(3) 将△H分解吸热、△HCaO、△HCO2以及△H反应代入(1)式，可得1 kg的石灰石添加的吸热量为4296 kJ/kg。

2.1.2 [Si]反应热效应

按照[Si]中15%生成SiO(g)，85%生成(SiO2)计算，1 kg[Si]氧化反应的热效应见表4。0.85 kg [Si]生成SiO2放热24067kJ，0.15 kg [Si]生成SiO(g)放热581.66 kJ。因此，1 kg[Si]氧化放热24648.5 kJ/kg。

表4　硅氧化反应热

2.2考虑了替代比的物料平衡和热平衡计算

由于石灰石替代石灰的比例随许多因素而变，为计算方便，设这一变量为X。根据石灰石代替石灰的效果，按1.6 kg石灰石代替1 kg石灰计算，可得石灰石、石灰加入量如下式所示：

(4)

(5)

在考虑CO2参与熔池反应以及硅挥发条件下进行了物料平衡计算，由于物料平衡表所占篇幅较大，故省略。与物料平衡表相对应的热平衡表见表5。

表6　热平衡表

根据表5计算得到，铁水比为94%时，X等于1.02，即石灰石替代比可达100%，热量略有富余，在表1、表2原料条件下，造渣碱度R≤3.5，转炉热量都能够满足生产要求。

2.3冶炼过程各因素对石灰石替代比的影响

热平衡的变化与转炉冶炼过程各因素的变化有关，下面讨论铁水成分(ω[C]、ω[Si]、ω[Mn])、铁水温度、铁水比、碱度、出钢温度对石灰石替代比的影响。

2.3.1终渣碱度R和ω[Si]对石灰石替代比的综合影响

为保证终渣碱度R达到要求，就要根据[Si]的初始含量调整CaO加入量，从而影响到炉内热平衡，亦影响石灰石替代比。[Si]的存在一方面会氧化放热，增加转炉热收入，另一方面需要加入相应质量的CaO，石灰石升温、分解以及炉渣升温要吸收大量热量，增加转炉热支出。因此硅含量对替代比的影响存在一个临界值，当铁水硅含量低于临界值时，硅含量提高，替代比随之提高；硅含量高于临界值时，硅含量提高，替代比随之降低。下面将依据热平衡来计算此临界硅含量。

(6)

依据热平衡可以建立下式：

△Hsi×ω[si]× M铁水=4276× M石灰石+M铁水×ω[si]×2.14×(Cp×(T出钢-25)+ △fusHθm)

(7)

其中，上式右边第一项表示石灰石吸热量，右边第二项表示炉渣带走物理热，左边项表示硅氧化放热量。△HSi为硅元素的化学反应热，kJ/kg；Cp为转炉终点渣的比热容，kJ/(kg·K)；△fusHmθ为炉渣熔化潜热，kJ/kg。

由于实际生产过程中白云石加入量为铁水量2.5%～3.5%左右，因此根据式(6)计算石灰石加入量时，取白云石加入量为铁水量3%。联合式(6)、式(7)计算得到到如下结果：

在R=3.5条件下，求解(7)式，可得临界硅含量为0.24%，即当ω[Si]<0.24%时，ω[Si]与替代比X成正相关；ω[Si]>0.24%时，ω[Si]与替代比X成负相关。

由上述计算可知，ω[Si]在一定范围内与替代比成正相关，但是对一般的铁水成分来说，ω[Si]一般在0.4%～1.0%之间，ω[Si]在正常铁水成分范围内与替代比成负相关。因此，下节在研究各工艺因素与石灰石替代比的关系时，就不再考虑临界硅含量对石灰石替代比的影响。

2.3.2石灰石替代比与各工艺因素的关系

由于各工艺因素与石灰石替代比的关系比较复杂，下面通过回归分析得到替代比与各工艺因素的关系式。首先对铁水成分(ω[C]、ω[Si]、ω[Mn])、铁水温度、铁水比、碱度、出钢温度在冶炼条件范围内各取三个值，具体取值见表6。

表6　各因素取值表

对各因素进行排列组合，总共得到37即2187种冶炼条件，采用2.2节的方法计算每种冶炼条件下石灰石替代比X。然后对得到的2187组数据进行线性回归，得到替代比与各工艺因素的关系如下式所示：

- 0.0074T出钢+12.3α+7.1R-1-12.24

(8)

其中，ω[C]—铁水碳含量，%；ω[Si]—铁水硅含量，%；ω[Mn]—铁水锰含量，%；T铁水—铁水温度，℃；T出钢—出钢温度，℃；α铁水比；R：碱度。X为石灰石替代比。当X>1时，表明转炉热量充足，石灰石替代比达到100%的同时还可以利用部分冷料。

式(8)的相关系数R2=0.97，拟合值与理论模型计算值的比较如图1所示。

图1　拟合值与理论模型计算值的比较

从图1可以看出，拟合值和理论模型计算值基本相同，可以认为拟合结果可靠，反映了各工艺因素与石灰石替代比的关系。

由式(8)可以看出，ω[C]、ω[Mn]、T铁水，铁水比的提高与石灰石替代比正相关，ω[Si]、T出钢、碱度与石灰石替代比负相关。 ω[C]每提高0.1%，石灰石替代比可以提高8.1%；ω[Mn]每提高0.1%，石灰石替代比可以

提高5.11%；铁水温度每提高1 ℃，替代比提高0.58%；铁水比提高1%，替代比提高12.3%。与石灰石替代比负相关的方面，钢水温度每提高1 ℃，替代比降低0.74%；ω[Si]与碱度跟石灰石替代比之间关系呈曲线下降趋势。ω[Si]从0.4%提高至0.5%时，石灰石替代比降低10.5%，并且随着硅含量提高，硅含量对替代比影响逐渐降低；碱度从3提高至3.1时，替代比降低7.63%。并且随着碱度提高，碱度对替代比影响也逐渐降低。

3结论

(1)由于石灰石替代石灰的比例随许多因素而变，本计算引入变量X作为替代比讨论了物料平衡和热平衡。硅含量对替代比的影响存在一个临界值，当铁水硅含量低于临界值时，硅含量提高，替代比随之提高；硅含量高于临界值时，硅含量提高，替代比随之降低。当铁水比为94%、渣碱度R=3.5时，石灰石替代比X等于1.02，热量略有富余。

(2)在表7参数范围内，随着铁水碳含量、锰含量、铁水温度、铁水比的提高，石灰石替代比不断提高；随着铁水硅含量、碱度和钢水温度的提高，石灰石替代比不断降低。

4参考文献

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