轉(zhuǎn)爐煉鋼石灰石替代石灰比率研究

周寶　李宏　朱榮　李晨曉

(北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院)

轉(zhuǎn)爐煉鋼石灰石替代石灰比率研究

周寶李宏朱榮李晨曉

(北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院)

摘要選取國內(nèi)一般的轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝參數(shù)條件，對石灰石替代石灰可能達到的比率進行了研究。由于石灰石替代石灰的比例隨許多因素而變，計算中引入變量X作為替代比討論了物料平衡和熱平衡。結(jié)果表明：硅含量對替代比的影響存在一個臨界值，當(dāng)鐵水硅含量低于臨界值時，硅含量提高，替代比隨之提高；硅含量高于臨界值時，硅含量提高，替代比隨之降低。當(dāng)鐵水比為94%、渣堿度R=3.5時，石灰石替代比X等于1.02，熱量略有富余。隨著鐵水碳含量、錳含量、鐵水溫度、鐵水比的提高，石灰石替代比不斷提高；隨著鐵水硅含量、堿度、鋼水溫度提高，石灰石替代比不斷降低。

關(guān)鍵詞石灰石替代比

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

傳統(tǒng)的石灰造渣煉鋼工藝存在能量浪費、CO2過度排放、粉塵污染等問題。北京科技大學(xué)提出了石灰石代替石灰造渣煉鋼的方法，縮短了傳統(tǒng)的“石灰煅燒—轉(zhuǎn)爐冶煉”工業(yè)鏈，石灰石直接在轉(zhuǎn)爐內(nèi)分解，減少了燃料消耗和污染物排放，有利于鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排和降低成本[1-2〗，目前已在國內(nèi)幾十家鋼鐵公司應(yīng)用[3-6〗。石灰石造渣煉鋼工藝已經(jīng)日漸成熟，但是還有些操作相關(guān)問題沒有定量討論，為了對生產(chǎn)過程有所指導(dǎo)，選擇石灰石代替石灰的替代比問題進行了研究。

1研究方法

石灰石投入轉(zhuǎn)爐后碳酸鈣即發(fā)生分解反應(yīng)，由于吸熱降溫和吹氧升溫，所以該分解過程的環(huán)境溫度在一個范圍內(nèi)變化而難以確定。過去的研究中曾把分解反應(yīng)定為1400 ℃去計算熱平衡，而根據(jù)工業(yè)試驗數(shù)據(jù)分析得知，吹煉開始前冷鐵料熔清時的熔池溫度只有1100 ℃左右，如把這個溫度定為分解溫度計算，可不計CO2升溫到1400 ℃的熱耗，應(yīng)該更接近實際情況，所以本文把分解定為1100 ℃進行計算。另外，過去的研究中已經(jīng)確認(rèn)鐵水中[Si〗大約有10%～20%會生成SiO(g)通過氣化的方式脫除，所以本文在考慮熱平衡時假設(shè)Si生成SiO(g)比例為15%討論了其影響，生成SiO(g)脫除的過程延續(xù)以前的說法，也稱為“硅揮發(fā)”[7〗。

在進行物料平衡和熱平衡計算時，采用國內(nèi)多個鋼鐵廠的平均的鐵水和鋼水成分、溫度和原料加入量以及渣料成分分別見表1、表2、表3、表4。根據(jù)鐵水成分(碳、硅、錳含量)、鐵水溫度、鐵水比、堿度對石灰石替代比影響的研究，求出了各工藝因素與替代比的關(guān)系表達式。

表1　鐵水和鋼水成分和溫度

表2　原料加入量

表3　輕燒白云石成分表

表4　石灰石成分表

另外根據(jù)實驗結(jié)果和已發(fā)表的資料對計算做了一些假設(shè)：1)爐襯侵蝕為鐵水量的0.5%；2)石灰石分解產(chǎn)生的CO2與鐵水元素反應(yīng)比例為50% 。

2結(jié)果和討論

2.1石灰石添加和硅反應(yīng)熱效應(yīng)

石灰石造渣煉鋼工藝與石灰造渣煉鋼工藝主要不同在于石灰石分解吸熱、石灰石分解產(chǎn)生的CO2參與熔池反應(yīng)以及硅揮發(fā)現(xiàn)象。本節(jié)對石灰石添加以及考慮硅揮發(fā)的硅反應(yīng)熱效應(yīng)進行計算，作為下節(jié)石灰石造渣煉鋼物料平衡和熱平衡計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1.1石灰石添加熱效應(yīng)

石灰石加入轉(zhuǎn)爐后的產(chǎn)生的熱效應(yīng)Q石灰石主要包括石灰石分解吸熱(△H分解吸熱)，石灰石分解產(chǎn)生的CaO升溫吸熱(△HCaO)，石灰石分解產(chǎn)生的CO2升溫吸熱(△HCO2)以及CO2參與熔池反應(yīng)所產(chǎn)生的化學(xué)熱△H反應(yīng)，因此Q石灰石如(1)式所示。

Q石灰石=△H分解吸熱+△HCO2,298k→1398k

+△HCaO,298k→1923k△H反應(yīng)

(1)

式(1)中，△H分解吸熱可由手冊查到=1790 kJ/kg[8]；△H反應(yīng)由實驗室實驗結(jié)果得知，參與鐵水反應(yīng)的CO2中，與C反應(yīng)的比例約占90%左右[9-10]，與其他元素反應(yīng)比例很低，因此忽略不計，假設(shè)CO2全部與C反應(yīng)。則1 kg石灰石分解產(chǎn)生的CO2與[C]反應(yīng)所 吸收的熱量△H反應(yīng)=820.98 kJ。

△HCaO可由(2)式進行計算，計算時假定分解產(chǎn)生的石灰由25 ℃升溫至1650 ℃；

(2)

(3) 將△H分解吸熱、△HCaO、△HCO2以及△H反應(yīng)代入(1)式，可得1 kg的石灰石添加的吸熱量為4296 kJ/kg。

2.1.2 [Si]反應(yīng)熱效應(yīng)

按照[Si]中15%生成SiO(g)，85%生成(SiO2)計算，1 kg[Si]氧化反應(yīng)的熱效應(yīng)見表4。0.85 kg [Si]生成SiO2放熱24067kJ，0.15 kg [Si]生成SiO(g)放熱581.66 kJ。因此，1 kg[Si]氧化放熱24648.5 kJ/kg。

表4　硅氧化反應(yīng)熱

2.2考慮了替代比的物料平衡和熱平衡計算

由于石灰石替代石灰的比例隨許多因素而變，為計算方便，設(shè)這一變量為X。根據(jù)石灰石代替石灰的效果，按1.6 kg石灰石代替1 kg石灰計算，可得石灰石、石灰加入量如下式所示：

(4)

(5)

在考慮CO2參與熔池反應(yīng)以及硅揮發(fā)條件下進行了物料平衡計算，由于物料平衡表所占篇幅較大，故省略。與物料平衡表相對應(yīng)的熱平衡表見表5。

表6　熱平衡表

根據(jù)表5計算得到，鐵水比為94%時，X等于1.02，即石灰石替代比可達100%，熱量略有富余，在表1、表2原料條件下，造渣堿度R≤3.5，轉(zhuǎn)爐熱量都能夠滿足生產(chǎn)要求。

2.3冶煉過程各因素對石灰石替代比的影響

熱平衡的變化與轉(zhuǎn)爐冶煉過程各因素的變化有關(guān)，下面討論鐵水成分(ω[C]、ω[Si]、ω[Mn])、鐵水溫度、鐵水比、堿度、出鋼溫度對石灰石替代比的影響。

2.3.1終渣堿度R和ω[Si]對石灰石替代比的綜合影響

為保證終渣堿度R達到要求，就要根據(jù)[Si]的初始含量調(diào)整CaO加入量，從而影響到爐內(nèi)熱平衡，亦影響石灰石替代比。[Si]的存在一方面會氧化放熱，增加轉(zhuǎn)爐熱收入，另一方面需要加入相應(yīng)質(zhì)量的CaO，石灰石升溫、分解以及爐渣升溫要吸收大量熱量，增加轉(zhuǎn)爐熱支出。因此硅含量對替代比的影響存在一個臨界值，當(dāng)鐵水硅含量低于臨界值時，硅含量提高，替代比隨之提高；硅含量高于臨界值時，硅含量提高，替代比隨之降低。下面將依據(jù)熱平衡來計算此臨界硅含量。

(6)

依據(jù)熱平衡可以建立下式：

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

(7)

其中，上式右邊第一項表示石灰石吸熱量，右邊第二項表示爐渣帶走物理熱，左邊項表示硅氧化放熱量。△HSi為硅元素的化學(xué)反應(yīng)熱，kJ/kg；Cp為轉(zhuǎn)爐終點渣的比熱容，kJ/(kg·K)；△fusHmθ為爐渣熔化潛熱，kJ/kg。

由于實際生產(chǎn)過程中白云石加入量為鐵水量2.5%～3.5%左右，因此根據(jù)式(6)計算石灰石加入量時，取白云石加入量為鐵水量3%。聯(lián)合式(6)、式(7)計算得到到如下結(jié)果：

在R=3.5條件下，求解(7)式，可得臨界硅含量為0.24%，即當(dāng)ω[Si]<0.24%時，ω[Si]與替代比X成正相關(guān)；ω[Si]>0.24%時，ω[Si]與替代比X成負(fù)相關(guān)。

由上述計算可知，ω[Si]在一定范圍內(nèi)與替代比成正相關(guān)，但是對一般的鐵水成分來說，ω[Si]一般在0.4%～1.0%之間，ω[Si]在正常鐵水成分范圍內(nèi)與替代比成負(fù)相關(guān)。因此，下節(jié)在研究各工藝因素與石灰石替代比的關(guān)系時，就不再考慮臨界硅含量對石灰石替代比的影響。

2.3.2石灰石替代比與各工藝因素的關(guān)系

由于各工藝因素與石灰石替代比的關(guān)系比較復(fù)雜，下面通過回歸分析得到替代比與各工藝因素的關(guān)系式。 首先對鐵水成分(ω[C]、ω[Si]、ω[Mn])、鐵水溫度、鐵水比、堿度、出鋼溫度在冶煉條件范圍內(nèi)各取三個值，具體取值見表6。

表6　各因素取值表

對各因素進行排列組合，總共得到37即2187種冶煉條件，采用2.2節(jié)的方法計算每種冶煉條件下石灰石替代比X。然后對得到的2187組數(shù)據(jù)進行線性回歸，得到替代比與各工藝因素的關(guān)系如下式所示：

- 0.0074T出鋼+12.3α+7.1R-1-12.24

(8)

其中，ω[C]—鐵水碳含量，%；ω[Si]—鐵水硅含量，%；ω[Mn]—鐵水錳含量，%；T鐵水—鐵水溫度，℃；T出鋼—出鋼溫度，℃；α鐵水比；R：堿度。X為石灰石替代比。 當(dāng)X>1時，表明轉(zhuǎn)爐熱量充足，石灰石替代比達到100%的同時還可以利用部分冷料。

式(8)的相關(guān)系數(shù)R2=0.97，擬合值與理論模型計算值的比較如圖1所示。

圖1　擬合值與理論模型計算值的比較

從圖1可以看出，擬合值和理論模型計算值基本相同，可以認(rèn)為擬合結(jié)果可靠，反映了各工藝因素與石灰石替代比的關(guān)系。

由式(8)可以看出，ω[C]、ω[Mn]、T鐵水，鐵水比的提高與石灰石替代比正相關(guān)，ω[Si]、T出鋼、堿度與石灰石替代比負(fù)相關(guān)。 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%；鐵水溫度每提高1 ℃，替代比提高0.58%；鐵水比提高1%，替代比提高12.3%。與石灰石替代比負(fù)相關(guān)的方面，鋼水溫度每提高1 ℃，替代比降低0.74%；ω[Si]與堿度跟石灰石替代比之間關(guān)系呈曲線下降趨勢。ω[Si]從0.4%提高至0.5%時，石灰石替代比降低10.5%，并且隨著硅含量提高，硅含量對替代比影響逐漸降低；堿度從3提高至3.1時，替代比降低7.63%。 并且隨著堿度提高，堿度對替代比影響也逐漸降低。

3結(jié)論

(1)由于石灰石替代石灰的比例隨許多因素而變，本計算引入變量X作為替代比討論了物料平衡和熱平衡。硅含量對替代比的影響存在一個臨界值，當(dāng)鐵水硅含量低于臨界值時，硅含量提高，替代比隨之提高；硅含量高于臨界值時，硅含量提高，替代比隨之降低。當(dāng)鐵水比為94%、渣堿度R=3.5時，石灰石替代比X等于1.02，熱量略有富余。

(2)在表7參數(shù)范圍內(nèi)，隨著鐵水碳含量、錳含量、鐵水溫度、鐵水比的提高，石灰石替代比不斷提高；隨著鐵水硅含量、堿度和鋼水溫度的提高，石灰石替代比不斷降低。

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收稿日期：聯(lián)系人：周寶，碩士研究生，北京(100083)，北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院；2015—9—3

基金項目：國家科技支撐計劃(2012BAC27B02)