轉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

（河鋼集團唐鋼新區，河北 石家莊 050000）

在我國傳統的石灰結渣和煉鋼工藝中，首先將石灰石在石灰窯中破碎，并以生產出活性石灰，然后將活性石灰裝入造渣和煉鋼轉爐內，這種鉆孔過程增加了石灰窯的基礎設施。而且這種石灰石的生產成本較高，同時會使周圍的空氣受到嚴重的污染，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，很多企業開始利用石灰石代替石灰完成造渣煉鋼，不管是生產成本還是生態環境保護上，都得到了巨大的收益。

目前關于石灰石在轉爐煉鋼中的應用有很多的相關研究資料。很多冶金企業對這一工藝模式進行了大量的生產實踐。在煉鋼過程中使用純氧后，在轉爐中會產生大量熱量，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，很少考慮到節能環保問題，為此有很多的專家學者提出了氧氣轉爐煉鋼過程中，利用石灰石代替石灰造渣的煉鋼工藝模式，同時也將其應用到冶金的實踐當中，但由于不同的冶金企業所用的轉爐不同原輔料和生產模式也具有不同的優勢，因此，在這一工藝模式的利用效果中，也不盡相同。

1 生產實踐研究

本文所研究的轉爐工稱容量為80t，在整個金屬冶煉的過程當中，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（質量分數，%）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 生產實踐數據

在使用石灰石代替石灰的轉爐煉鋼過程中，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。在早期的金屬冶煉過程中，中頻感應爐用于評估40%，60%和80%石灰石替代率對轉爐脫磷效果的影響。當替換率為40%時，發現該效果是最為理想的。如果置換率過高，則會發生爐渣溢出。整個時間生產數據如表1 所示。

2 生產實踐數據分析討論

2.1 脫磷效果理論分析

石灰石投入轉爐中首先發生的是分解反應，如式（1）所示。

在一定的標準條件下，在溫度高于1170K 時，石灰石分解反應可以能夠順利進行，但在實際生產過程中，所產生的出Cao會參與到造渣過程中，并且會使Co2的分壓遠小于標準大氣壓，進而降低了分解溫度。在轉爐煉鋼的整個過程中，熔池的溫度保持在1573K 以上，以確保轉爐中石灰石分解的順利進行。由于反應而形成的Cao 參與形成轉爐渣的反應，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，如式（2）所示。

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

表2 反應條件參數

從以上分析過程中可以看出，冶金轉爐整個煉鋼過程中，都會發生石灰石分解，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 個爐子的生產實踐，加入了石灰石代替生石灰進行造渣冶煉，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行了對比分析。原方案進行演練時，終點磷控制在0.03%上下浮動。各種生產實踐數據如表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以外，其余各爐，冶煉過程中，終點磷含量均滿足要求，隨著取代度的增加，最終的磷含量不規則地變化。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，這表明在轉爐鋼生產中使用石灰石代替石灰可以達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降低了鋼水的局部溫度，并為整個脫磷反應創造了良好的熱力學氣氛。其次，將石灰石添加到轉爐中，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更快，從而促進了脫磷反應。第三，石灰石分解產生的Co2氣體與鋼水中的C 反應，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，促進了整個鋼渣界面的反應。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

轉爐煤氣回收是冶金企業實現節能減排的重要措施之一，回收的煤氣可以再次進行煉鋼或者烤包等工藝生產需求。回收的煤氣熱值主要取決于煤氣當中的Co 含量。因此在整個轉爐煉鋼過程中，Co 含量達到，回收條件越早，則能大幅提升煤氣的回收量，節約資源，這也符合整個鋼鐵冶金企業降低生產成本的要求。圖2 為石灰石代替石灰后，轉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，并在轉爐生產的后期階段進行鋼混合。在生產實踐過程中，發現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生強烈的沖擊，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。在目前我國大多數鋼鐵冶金企業中，在整個BoF過程中，氧氣噴槍用于將氧氣供應到鋼水浴中，以完成脫碳和脫磷。氧氣射流與熔池接觸時會產生強烈的沖擊，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，加入石灰石可增強爐渣的發泡，并且在冶煉過程中會發生劇烈的碳-氧反應。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象。

圖3 冶煉時氧槍槍位隨時間的變化情況

3 結論

通過前期試驗摸索,從操作上解決了轉爐化渣、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，能夠更好平衡轉爐冶煉過程熱量平衡，能夠對節能減排、降低輔料成本起到非常重要的作用。

（1）通過熱力學計算表明，在轉爐煉鋼過程中利用石灰石代替石灰進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行氧化。

（2）通過大量的生產數據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，可以讓終點的磷含量降低至0.016%附近。

（3）在轉爐煉鋼過程中，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，大幅的提升了轉爐煉鋼的效率。