对石灰石在炼钢中应用的几点思考

郭 慧

（山东钢铁集团日照有限公司，山东 日照 276800）

钢铁是一种应用及其广泛的材料。根据世界钢铁协会的统计，全球2021年钢铁需量预计达到17.17亿吨，其中中国钢铁需求量最大。同时，我国还是世界上钢铁生产量最大的国家。钢铁生产作为高污染、高能耗的工业产业，生产排放的污染物类型较多，污染量巨大。平均每年产生的二氧化硫占全国总量的7%，烟尘占全国总量的8%，粉尘占全国总量的15%，固废占全国总量的13%，废水占全国总量的8%。此外，还包括烧结所产生的N2、CO2、CO、自由氧等。这些污染物给生态环境造成了负担，加剧了全球温室效应的发展。在全球钢铁需求背景下，中国作为世界上最大的钢铁生产国和消耗国，其生产工艺节能优化迫在眉睫。研究石灰石在炼钢中的应用及其应用效果对促进国内传统炼钢行业向绿色化转型有着重要的意义。

1 石灰石炼钢工艺及概述

1.1 石灰石炼钢工艺

石灰石炼钢工艺是从以传统的石灰为造渣材料的炼钢工艺升级而来。传统石灰需要对石灰石经过锻造，先产生石灰，再利用石灰降温吸热进行炼钢。石灰石炼钢工艺是指直接将石灰石投入转炉内集中反应，利用石灰石表层碳酸钙分解作用吸收转炉内温度并对转炉内外进行降温，辅助炼钢生产的过程。石灰石在转炉内的分解反应式如下式1→式2。炼钢开吹时转炉内温度约为1300℃～1400℃，石灰石表层碳酸钙在高温环境下发生剧烈的分解反应，迅速产生大量的二氧化碳。在二氧化碳作用下，转炉内生成大量熔渣，且熔渣泡沫化面积与体积相比传统的锻造石灰增加。大量溢出的二氧化碳在生产石灰的石灰石表明形成气孔率较高的企口，促进高监督转炉熔渣的产生。在转炉内，石灰石分解反应持续进行，二氧化碳其他不断收到分解释放，加速了石灰的融化。转炉内石灰石煅烧反应的过程相比石灰造渣更加剧烈，有利于促进二氧化碳气体排除和石灰层的融化。一般在保证转炉内温度适应的情况下，石灰石热分解与融化的速度明显大于石灰造渣的融化速率。

1.2 石灰与石灰石炼钢工艺吸热分析

氧化钙与碳酸钙分别作为炼钢溶剂时，二者的吸热情况不同。我们将钢铁冶炼工艺过程中的吸热划分为四部分：①CaCO3升温吸热（分解温度以下）Q1；②CaCO3分解吸热Q2；③CaO成渣熔化吸热（近似以熔化热替代）Q3；④CO2及CaO的升温吸热Q4。二者在造渣融化前后的容差相近，将钢铁冶炼过程中升温吸热与融化吸热用Q1＇与Q2＇表示。通过对不同燃料热熔与熔化热的计算，得到钢铁冶炼过程中氧化钙与碳酸钙造渣吸热值，其中根据之前的数值可以看出，碳酸钙在钢铁冶炼过程汇中发生的热量消耗与升温吸热值存在差别。碳酸热热量消耗0.08%，冶铁过程中发生了碳酸钙与二氧化碳的双向升温吸热。碳酸钙吸热值较高及产生额外热量的原因在于二氧化碳的存在。这使得氧化钙与碳酸钙在冶铁过程中造渣吸热值相差1摩尔CO2。假设冶炼1吨钢铁石灰需要消耗25-60kg，按照平均40千克/吨钢铁计算，采用石灰石替代石灰的热量变化差值为63190.95kJ/t钢。这个差值达到了钢铁冶炼过程中总热量的3.16%。用相同质量的40kg石灰石替代石灰，后的热量变化高达15638.75kJ/t钢，该热量站钢铁冶炼热量指出的0.78%。可见石灰石在炼钢中的应用有利于提高废钢的熔化率，减少固体废物的产出量。

2 石灰石转炉造渣的机理

2.1 CaCO3分解时钢液的搅拌作用

炼钢过程中需要通过搅拌来加速渣钢的反应，改善夹杂物上浮问题。采用石灰石替代石灰作为溶剂炼钢，石灰石表层的碳酸钙在分解过程中强烈的化学反应产生的二氧化碳气体能够形成气体搅拌作用，并利用钢水注六保护技术及惰性气体的原理保护钢水吸气，有效地预防了钢水的二次氧化。原本使用氩作为搅拌气体的，就可以用二氧化碳代替氩气搅拌铁水。因氩气价格较高，石灰石替代石灰炼钢有利于降低炼钢成本的作用。

2.2 石灰分解生成活性CaO的精炼作用

炼钢过程中石灰石生成石灰是通过高温加热后表层形成高孔隙率的气孔，生产具有高度活性的氧化钙。氧化钙再次被加热，活性就会降低。为了预防该问题，将煅烧石灰石的温度升高到高于石灰石分解的温度来提升氧化钙的活性。氧化钙始终保持较高的活性状态下，新产生的氧化钙就会是厚重暴露在反应最前端，在较短的时间内快速地完成石灰溶解造渣，实现钢铁精炼和脱硫的作用。这也是石灰石在炼钢中能够减少了废渣的排量的重要因素之一。

2.3 CaCO3分解生成CO2对CaO参与反应的促进作用

以石灰石作为溶剂炼钢，石灰石表层碳酸钙分解产生高活跃性的氧化钙，同时生产大量二氧化碳气体。二氧化碳气体具有使碳酸钙气泡炸裂的作用。这个过程中的“爆炸”行为会使石灰石颗粒炸裂在铁水中，利用气泡破裂的行俄日对铁水形成搅拌作用，增大了铁水与强化粉剂的接触面积。气泡炸裂释放出脱硫剂可以对钢液进行脱硫，增强脱硫效果，从而来降低炼钢过程中排放其他中含硫污染物的排除。

3 石灰石在炼钢中的应用实践

3.1 电弧炉炼钢中的应用实践

石灰石在电弧炉炼钢中作为炉底的垫衬作用，可以加速熔氧期石灰石分解作用。在高温作用下，电弧炉底部在炼钢整个过程中都发生强烈的分解作用，并什邡市二氧化碳气体与高活性氧化钙。它们共同参与钢液的物理化学反应。该工艺有利于加速钢业物理化学反应的时间，缩短精炼时间，同时还能降低炼钢过程中的能耗。精炼也能从一定程度上减少炼钢过程中污染物的排放。姜若尧对电弧炉炼钢的成本试验中，确定石灰石在电弧炉炼钢工艺减少了石灰石、钢石的能耗，相应增加了氧气的消耗。综合成本显著低于石灰炼钢工艺，实现了炼钢增效及节能环保的目的。

3.2 在顶底复合吹炼中的应用实践

石灰石在钢铁中的应用优势显著。不少炼钢企业在炼钢全过程中都采用了石灰石转炉炼钢技术。石灰石加入采用顶底复合的方式。秦登平等对顶底复合方式加入石灰炼钢初期石灰石造渣及转炉热平衡进行计算，顶底复合加入石灰石炼钢能加速铁水的消耗，有效地控制了转炉废钢的消耗量。通过试验确定石灰石造渣炼钢转炉终点碱度、终点温度、终点命中率与石灰造渣炼钢工艺相同的条件下，确保脱磷率合格的前提下能够减少28.6%的氧化钙投入量。平均每吨钢造渣物料及转炉造渣的总量都相应减少。可见石灰石顶底加入复合吹炼钢水有助于实现炼钢工艺的节能减排，降低炼钢总成本，提升炼钢的经济效益、环保效益。

3.3 在铁水预处理中的应用实践

石灰石在钢铁冶炼铁水与处理环节中可以作为脱硫剂应用。一般采用加渣机械搅拌和喷射冶金的方式对钢水中的流物质喷吹脱硫。原义明等采用碳酸钙在混铁车上进行喷吹脱硫实验，研究发现采用等量等质的碳酸钙与氧化钙对铁水降温处理，喷吹碳酸钙脱硫的效果优于氧化钙的效果。碳酸钙在高温加热环境下发生气泡自碎，尺寸与体积分解变小的过程中，比表面积在增大，脱硫接触面积也在增大，脱硫效果明显得到优化。其实现这一效果的关键在于碳酸钙在高温剧烈分解作用下产生的二氧化碳气体对铁水形成的强烈搅拌作用与碳酸气泡自破碎作用。

4 石灰石在炼钢中的应用效果及其价值

4.1 应用效果

某炼钢厂采用优质石灰石替代石灰炼钢，转炉开吹采用了高枪为来加速氧化铁生成，来满足转炉内部温度及着火要求。着火条件准备好后将3吨优质石灰石及适量的轻烧白云石、石灰、化渣剂加入转炉内，再迅速调整氧枪的枪位，加氧促进初渣快速形成。再根据铁水与转炉内反应情况适时加入第二次石灰。继续调整氧气枪位，确保氧气射流有足够的搅拌力满足转炉内供火。密切关注转炉内火焰及降温情况，适时加入石灰石来降低转炉内的温度。但转炉内发生返干时停止加入石灰石，转而加入铁矿石等金属材料降温。降温的过程中药加速碳酸钙造渣，来缩短返干时间，确保熔池温度与脱碳速度相适应。持续关注炉口火焰，采用副枪技术测取炼钢全过程的温度与终点温度，并分别取样化验出钢情况。

4.2 应用价值

根据之前的研究对该炼钢厂对石灰石在炼钢中的应用前后实践可以看出，石灰石应用于炼钢后减少了转炉炼钢过程中活性石灰、铁矿石的使用。3吨石灰石在炼钢过程中的降温效果相当于2吨石灰石+1吨铁矿石+1吨活性石灰降温的效果。从造渣效果来看，加入一定量的铁矿石降温，在石灰石降温作用下，有效保证了终渣的黏度，综合造渣效果较好。通过分析，我认为石灰石在炼钢中的应用实现了资源最大化利用及节能减排的双重价值。在石灰石转炉降温、循环利用二氧化碳环节等方面均体现了节能环保的效果。综合分析，石灰石在炼钢中的应用实现了经济效益、环保效益的双赢，有利于提升炼钢企业的市场竞争优势。

5 结语

综上所述，石灰石在炼钢过程中的用途较多。它同时承担着氧化钙提供者与二氧化碳携带者的角色。如果对炼钢工艺加以优化改造，使二者功能同时在同一套工艺流程中体现，就能使石灰石发挥双重作用，实现石灰石炼钢节能减排的效果。相对于煅烧石灰石得到石灰后进行炼钢操作，采用石灰石直接炼钢，在石灰石快速分解作用下产生二氧化碳，二氧化碳在强搅拌工艺下生产石灰溶解，有利于增强分解吸热和脱磷作用，还能是炼钢过程中的二氧化碳通过工艺循环得到循环利用，减少了二氧化碳排放问题。炼钢过程中生成的碳酸钙被用作吸热及二氧化碳的氧化，又解决了氧化钙吸水的问题。通过石灰石炼钢工艺优化，使炼钢过程中资源得到最大化及合理地利用，在实现节能减排目标的同时还提升了炼钢的经济效益。因此我建议炼钢企业可以采用石灰石代替石灰炼钢，优化钢厂炼钢工艺。