轉(zhuǎn)爐中石灰石替代石灰對脫磷、爐氣成分及氧槍槍位的影響

白志坤，張文祥，張萬慶，馮 帥

（河鋼集團(tuán)唐鋼新區(qū)，河北 石家莊 050000）

在我國傳統(tǒng)的石灰結(jié)渣和煉鋼工藝中，首先將石灰石在石灰窯中破碎，并以生產(chǎn)出活性石灰，然后將活性石灰裝入造渣和煉鋼轉(zhuǎn)爐內(nèi)，這種鉆孔過程增加了石灰窯的基礎(chǔ)設(shè)施。而且這種石灰石的生產(chǎn)成本較高，同時會使周圍的空氣受到嚴(yán)重的污染，顯然不是最理想的煉鋼方式。隨著我國煉鋼工藝的不斷提升，很多企業(yè)開始利用石灰石代替石灰完成造渣煉鋼，不管是生產(chǎn)成本還是生態(tài)環(huán)境保護(hù)上，都得到了巨大的收益。

目前關(guān)于石灰石在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用有很多的相關(guān)研究資料。很多冶金企業(yè)對這一工藝模式進(jìn)行了大量的生產(chǎn)實踐。在煉鋼過程中使用純氧后，在轉(zhuǎn)爐中會產(chǎn)生大量熱量，因此，必須添加石灰石或白云石以在冶煉的后期完成吸熱冷卻過程。但在整個工藝研究過程中，很少考慮到節(jié)能環(huán)保問題，為此有很多的專家學(xué)者提出了氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，利用石灰石代替石灰造渣的煉鋼工藝模式，同時也將其應(yīng)用到冶金的實踐當(dāng)中，但由于不同的冶金企業(yè)所用的轉(zhuǎn)爐不同原輔料和生產(chǎn)模式也具有不同的優(yōu)勢，因此，在這一工藝模式的利用效果中，也不盡相同。

1 生產(chǎn)實踐研究

本文所研究的轉(zhuǎn)爐工稱容量為80t，在整個金屬冶煉的過程當(dāng)中，鐵水、生鐵和渣鋼的比例為78:8:4，最終出鋼量約為88噸。入爐鐵水成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為C 4.35、Si 0.36、Mn 0.28、P 0.16、S 0.03，氧槍的工作氧壓為0.8 MPa，氧氣流量為18000 m3／h，其基本控制槍位為1.7 m。

表1 生產(chǎn)實踐數(shù)據(jù)

在使用石灰石代替石灰的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，必須要消耗大量的熱量。因此，為了確保整個煉鋼過程中的熱量滿足要求，有必要減少冷量的供應(yīng)。在早期的金屬冶煉過程中，中頻感應(yīng)爐用于評估40%，60%和80%石灰石替代率對轉(zhuǎn)爐脫磷效果的影響。當(dāng)替換率為40%時，發(fā)現(xiàn)該效果是最為理想的。如果置換率過高，則會發(fā)生爐渣溢出。整個時間生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

2 生產(chǎn)實踐數(shù)據(jù)分析討論

2.1 脫磷效果理論分析

石灰石投入轉(zhuǎn)爐中首先發(fā)生的是分解反應(yīng)，如式（1）所示。

在一定的標(biāo)準(zhǔn)條件下，在溫度高于1170K 時，石灰石分解反應(yīng)可以能夠順利進(jìn)行，但在實際生產(chǎn)過程中，所產(chǎn)生的出Cao會參與到造渣過程中，并且會使Co2的分壓遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，進(jìn)而降低了分解溫度。在轉(zhuǎn)爐煉鋼的整個過程中，熔池的溫度保持在1573K 以上，以確保轉(zhuǎn)爐中石灰石分解的順利進(jìn)行。由于反應(yīng)而形成的Cao 參與形成轉(zhuǎn)爐渣的反應(yīng)，同時將作為氧化劑形成的Co2參與鋼水中各種元素的氧化反應(yīng)，如式（2）所示。

如果要想該反應(yīng)能夠順利進(jìn)行，顯然需要熔池溫度達(dá)到11503K 以上。這樣的溫度在標(biāo)況情況下是無法實現(xiàn)的，所以在實際演練過程中會生成大量的P2o5進(jìn)入渣中，與Cao 等堿性氧化物發(fā)生反應(yīng)，從而生成磷酸三鈣。伴隨著整個冶煉過程的不斷發(fā)展，P2o5的活度會逐漸降低。磷的活度系數(shù)會伴隨著碳元素對磷元素的相互作用而發(fā)生變化。冶煉過程的反應(yīng)條件參數(shù)如表2 所示。

表2 反應(yīng)條件參數(shù)

從以上分析過程中可以看出，冶金轉(zhuǎn)爐整個煉鋼過程中，都會發(fā)生石灰石分解，在分解后會形成大量的Cao，取代了添加石灰分解爐渣時生成的Co2氣體，作為氧化液體中磷的氧化劑。成為。因此，在分離過程中應(yīng)使用石灰石代替石灰，在煉鋼過程中從理論上是可行的。

2.2 脫磷效果實踐分析

通過對8 個爐子的生產(chǎn)實踐，加入了石灰石代替生石灰進(jìn)行造渣冶煉，以便研究整個脫磷效果的影響，并且與原有工藝在不加入石灰石情況下進(jìn)行了對比分析。原方案進(jìn)行演練時，終點(diǎn)磷控制在0.03%上下浮動。各種生產(chǎn)實踐數(shù)據(jù)如表3 與圖1 所示。

表3 試驗各爐次石灰石加料總時間

圖1 石灰石替代比對終點(diǎn)磷含量的影響

從上述的圖中可以看出，石灰石替代比為18%～41%時，除67 兩爐爐次磷含量超標(biāo)以外，其余各爐，冶煉過程中，終點(diǎn)磷含量均滿足要求，隨著取代度的增加，最終的磷含量不規(guī)則地變化。其中，第二窯和第五窯中石灰石的替代率分別為18%和25%，但終點(diǎn)的磷含量分別降至0.021%和0.016%。脫磷效果比原始工藝要好得多，這表明在轉(zhuǎn)爐鋼生產(chǎn)中使用石灰石代替石灰可以達(dá)到相對理想的分離效果。該制造實踐主要具有以下原因：第一吸熱石灰石分解反應(yīng)降低了鋼水的局部溫度，并為整個脫磷反應(yīng)創(chuàng)造了良好的熱力學(xué)氣氛。其次，將石灰石添加到轉(zhuǎn)爐中，然后迅速分解成Cao 和Co2。此時，分解的氧化鈣比在石灰窯中煅燒的石灰更具活性，并且與鋼水中的磷反應(yīng)更快，從而促進(jìn)了脫磷反應(yīng)。第三，石灰石分解產(chǎn)生的Co2氣體與鋼水中的C 反應(yīng)，生成大量的Co，增加了整個煤氣的回收量，同時由于氣體的溢出攪動缸液，促進(jìn)了整個鋼渣界面的反應(yīng)。所以說利用石灰石代替石灰后的脫離效果更佳。

2.3 爐氣成分分析

轉(zhuǎn)爐煤氣回收是冶金企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一，回收的煤氣可以再次進(jìn)行煉鋼或者烤包等工藝生產(chǎn)需求?；厥盏拿簹鉄嶂抵饕Q于煤氣當(dāng)中的Co 含量。因此在整個轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，Co 含量達(dá)到，回收條件越早，則能大幅提升煤氣的回收量，節(jié)約資源，這也符合整個鋼鐵冶金企業(yè)降低生產(chǎn)成本的要求。圖2 為石灰石代替石灰后，轉(zhuǎn)爐煤氣回收變化曲線圖。

圖2 各個爐次爐氣中CO 含量隨時間的變化情況

2.4 氧槍槍位分析

在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中利用氧槍位置的改變，在整個煉鋼過程中提早提渣，中期脫碳和提溫，并在轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的后期階段進(jìn)行鋼混合。在生產(chǎn)實踐過程中，發(fā)現(xiàn)氧氣噴槍的較低位置更有利于增加射流沖擊的深度以及在熔池表面上鋼水的加速。具有高噴槍位置的氧氣噴槍更有利于增加噴射面積，并有助于氧氣在鋼水的徑向分布，同時增強(qiáng)了熔池底部的攪拌作用。在整個BoF 過程中，氧氣噴槍用于將氧氣供應(yīng)到鋼水浴中，以完成脫碳和脫磷。氧氣射流與熔池接觸時會產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，在煉鋼過程中，爐渣氣體和熔融金屬的流動可改善氧氣與熔池中各種元素之間的接觸面積。在目前我國大多數(shù)鋼鐵冶金企業(yè)中，在整個BoF過程中，氧氣噴槍用于將氧氣供應(yīng)到鋼水浴中，以完成脫碳和脫磷。氧氣射流與熔池接觸時會產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，在煉鋼過程中，爐渣氣體和熔融金屬的流動可改善氧氣與熔池中各種元素之間的接觸面積。圖3為冶煉過程中替代比分別為18%、19%、25%、39%時氧槍槍位隨時間的變化情況。從圖中容易看出，加入石灰石可增強(qiáng)爐渣的發(fā)泡，并且在冶煉過程中會發(fā)生劇烈的碳-氧反應(yīng)。為了解決這個問題，有必要增加噴槍的位置來控制爐渣的溢出現(xiàn)象，因此，在第二爐熔煉過程中，噴槍的初始位置從1.7m 增加到1.8m，有效地控制了爐渣的溢出現(xiàn)象。

圖3 冶煉時氧槍槍位隨時間的變化情況

3 結(jié)論

通過前期試驗摸索,從操作上解決了轉(zhuǎn)爐化渣、脫磷率、熱平衡、氧槍粘槍等問題,石灰單耗最低降到了21.8kg/t.在轉(zhuǎn)爐入爐鐵水熱量富余的條件下，采用石灰石替代部分石灰煉鋼，能夠更好平衡轉(zhuǎn)爐冶煉過程熱量平衡，能夠?qū)?jié)能減排、降低輔料成本起到非常重要的作用。

（1）通過熱力學(xué)計算表明，在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中利用石灰石代替石灰進(jìn)行脫磷是完全可行的，同時，石灰石分解出的大量Co2氣體可以對鋼水中的磷元素進(jìn)行氧化。

（2）通過大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明石灰石替代比范圍控制在18%～47%時用石灰石代替石灰脫離效果最佳，可以讓終點(diǎn)的磷含量降低至0.016%附近。

（3）在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，利用石灰石可以增加煤氣中一氧化碳含量，同時可以提高煤氣回收時間，大約1～2min。

（4）利用石灰石在脫磷過程中有效的提高了氧槍操作槍位，大幅的提升了轉(zhuǎn)爐煉鋼的效率。