中國高鈣石灰石資源在鋼鐵行業(yè)的應用研究

段衛(wèi)彬 陜西龍門鋼鐵有限責任公司

在傳統(tǒng)的煉鋼領(lǐng)域中，除了轉(zhuǎn)爐煉鋼過程較長問題之外，還存在降溫材料資源較少而且材料成本較高的問題，這同樣嚴重阻礙了轉(zhuǎn)爐煉鋼工作的正常開展，各煉鋼企業(yè)都在迫切尋求尋找成本較低、來源豐富且降溫作用明顯的新型材料，以解決現(xiàn)有的降溫材料問題。

一、高鈣石灰石相關(guān)概念分析

（一）石灰石代替石灰。高鈣石灰石的主要組成是CaCO3，經(jīng)過煅燒后石灰石會排出CO2氣體并生成石灰（即CaO）。石灰石在高溫煅燒后會吸熱分解，而生成的CO2氣體對鋼液具有氧化作用。然而近年來，石灰石已替代石灰成為煉鋼的主要材料，其原因是采用石灰石煉鋼的成渣速度很快，可以提高煉鋼反應效果從而抵消了石灰石加熱分解過程對煉鋼的不利影響。從理論角度來講，石灰石在投入轉(zhuǎn)爐后，會在高溫煅燒情況下產(chǎn)生化學反應，生產(chǎn)氧化鈣和大量的二氧化碳，在這過程中，會消耗大量的熱能。由此可見，將石灰石應用到轉(zhuǎn)爐煉鋼中，不但能夠取代石灰滿足轉(zhuǎn)爐的堿性需求，另外還能夠有效消耗轉(zhuǎn)爐內(nèi)多余的熱能，起到降溫材料所應當發(fā)揮的效果，進而降低用于降溫的金屬材料的用量，不但能夠為企業(yè)大幅壓縮用于降溫材料的生產(chǎn)成本，還能夠有效環(huán)節(jié)能源短缺問題，具有可靠的應用可行性。

（二）采用高鈣石灰石造成的吸熱變化。高鈣石灰石作為熔劑加入鋼水后，其主要具有4個吸熱過程，分別是：CaCO3吸取熱量Q1但還未到分解溫度；CaCO3開始分解吸取熱量Q2；CaO成渣吸熱Q3；CO2及CaO升溫吸熱Q4。對于這4個吸熱過程，有分析研究根據(jù)各組分的熔化熱計算出了其吸取熱量的值，CaCO3分解吸熱僅占0.08%，為全部吸收熱量中的極小一部分，而絕大部分熱量損失是在升溫過程中，包含CaCO3和CaO升溫。如果取40kg/t鋼進行計算，采用高鈣石灰石進行煉鋼需要吸收熱量為115967.45kJ，而采用石灰進行煉鋼需要吸收100328.7kJ，吸收熱量差別僅為0.78%，故采用石灰石煉鋼對熱量損失影響不大，但是采用石灰石煉鋼由于需要的是高溫高質(zhì)熱量，因此更有利于廢鋼的熔化過程。

（三）采用高鈣石灰石造成的成本變化。在轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)實踐階段，應用石灰石代替石灰投入到轉(zhuǎn)爐中，終渣堿度并未受到較大影響，鋼水化學性質(zhì)比較穩(wěn)定，而且起到了比較顯著的脫磷效果，雖然在反應前段會出現(xiàn)小幅的溢渣情況，但是整個過程中的供養(yǎng)時間和氧氣消耗量并未受到干擾，而且終渣大部分轉(zhuǎn)化為泡沫。由此可以得知，這是因為石灰石在轉(zhuǎn)爐內(nèi)受到高溫煅燒，產(chǎn)生化學反應，生成大量二氧化碳氣體，二氧化碳向外溢出，提高了熔渣泡沫化程度，進而引發(fā)溢渣情況。另一方面，應用石灰石代替降溫材料，因為石灰石在化學反應過程中，需要消耗大量的熱能，有效的平衡掉了轉(zhuǎn)入內(nèi)的多余熱量，進而減少了生產(chǎn)過程中所需的降溫金屬材料的用量。結(jié)合當前鋼鐵行業(yè)的市場價格，對煉鋼成本進行統(tǒng)計如表1所示。

表1 煉鋼成本

從表1可以看出，采用石灰石煉鋼可以有效地減少煉鋼的成本，和采用石灰轉(zhuǎn)爐煉鋼相比其對鋼鐵行業(yè)的經(jīng)濟效益更強。

二、高鈣石灰石在鋼鐵行業(yè)中的具體應用

（一）在鐵水預處理過程中的應用。鐵水預處理主要采用加渣機械攪拌和噴射冶金的方式，其中噴射冶金的渣料配比中有不少添加石灰石粉劑的應用案例。通過這些案例可以發(fā)現(xiàn)：1）分別采用CaCO3和CaO時，引起的鐵水溫降差別不明顯；2）當噴吹鈣消耗量相同的情況下，采用CaCO3噴吹脫硫效率明顯高于CaO，CaCO3在急劇加熱過程中會發(fā)生自破碎，從而使其尺寸大大減小，比表面積明顯增大，這進而表明CaCO3分解造成的強烈攪拌和自破碎是CaCO3脫硫效果明顯的重要原因。

（二）在頂?shù)讖秃洗禑掃^程中的應用。在頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐上，除了噴吹燃料及石灰粉之外，還可以噴吹石灰石粉。 某鋼鐵廠采用一種底吹石灰石粉的新工藝生產(chǎn)低氫高純鋼，可以做到：1）CaCO3在爐內(nèi)分解產(chǎn)生的CO2可強化對爐內(nèi)鋼水的攪拌；2）噴吹CaCO3粉可防止底吹噴嘴在低氣流量噴吹時易發(fā)生的堵塞；3）噴吹CaCO3粉可對噴嘴附近耐火材料起保護作用，主要原因是其分解具有適當?shù)睦鋮s作用。

三、加強石灰石在煉鋼過程中應用的展望

為了石灰石更好地在煉鋼過程中應用，應該從石灰石效能的有效發(fā)揮方面著手，盡可能將其加入渣子和金屬溶液深處。在轉(zhuǎn)爐或電弧爐冶煉中，應該開發(fā)從爐底加入、并能實現(xiàn)有效調(diào)控的技術(shù)，石灰石粉底吹就是很好的一個選擇。如果熱量平衡、底吹噴嘴壽命允許，可以采用濃相噴吹減少載氣量，最大限度地利用石灰石分解釋放出的CO2的攪拌能力，并促進CaO的脫磷、脫硫反應。

結(jié)論：根據(jù)本文所述，高鈣石灰石在煉鋼過程中具有非常明顯的優(yōu)勢，采用石灰石既有CaO提供又可以生成CO2，比采用石灰煉鋼具有更好的綜合節(jié)能效果。本文的綜合研究所得結(jié)論可以為鋼鐵行業(yè)提供全新的思路，重點關(guān)注高鈣石灰石在煉鋼過程中的進一步工藝優(yōu)化和發(fā)展，促進相關(guān)企業(yè)降低成本、持續(xù)進步。