基于石灰石在转炉中的热分解特性和结渣机理，分析了石灰石替代部分结渣工艺在50t转炉中的应用，介绍了50t转炉工业试验情况、存在的问题和取得的效果，并提出了改进措施。利用转炉余热，用石灰石代替部分活性石灰和冷却剂炼钢，既降低了生产成本，又节能减排。
关键词:石灰岩；石灰；转换器；造渣；节能减排
1导言
随着国家对钢铁企业采取节能减排政策，钢铁企业作为炼钢工业的中心环节，如何更好地承担低能耗、低污染的任务成为人们关注的焦点[1]。
北京科技大学李红基于节能减排的理念，提出了“转炉石灰石代替石灰造渣炼钢”的方法，正好满足了低成本、低能耗、低排放的冶炼需求[2-3]。国内已有数十家钢铁公司采用这种方法炼钢，取得了良好的冶炼效果和经济效益[4-8]。
目前国内同行业转炉平均石灰消耗为45 kg /t，同行业先进水平为35 kg /t，某钢厂转炉为45 kg /t，远远落后于国内同行业先进水平。在氧气转炉炼钢中用石灰石代替部分活性石灰，充分利用石灰石在分解过程中的物理化学特性，使石灰石既可作为造渣剂，又可作为冷却剂。该方法可以减少大量资源，降低炼钢生产成本，满足炼钢生产要求，减少粉尘和CO2排放，给企业带来经济效益，减少环境污染，对提高钢铁企业的市场竞争力具有重要意义。
2生产状况和工艺流程
目前，某钢厂粗钢年产量250万吨，拥有年处理能力200万吨的脱硫站2座，600吨混铁炉2座，50吨氧气顶吹转炉3座，60吨带电极臂旋转双加热站LF炉3座，四机四流全弧方坯连铸机3座，板坯连铸机2座。
炼钢过程如下:
(1)铁水脱硫→混铁炉→转炉冶炼→吹氩→精炼→连铸机。
(2)铁水脱硫→混铁炉→转炉冶炼→吹氩→连铸机。
炉内铁水的温度和成分如表1所示。转炉使用石灰作为造渣材料，转炉石灰用量为45 ~ 50 kg/t，石灰和石灰石的主要成分见表2。
3石灰石造渣炼钢机理
现代转炉炼钢广泛使用活性石灰作为造渣材料，而石灰是由石灰石煅烧而成。石灰石的主要成分是CaCO3。CaCO3的标准自由能在900-1200K之间的变化与温度的关系如下[9]:
由公式2计算，碳酸钙的分解温度约为896℃ [10]。如果直接将石灰石加入转炉造渣，相当于将石灰石的煅烧过程放到了转炉炉内。转炉吹炼后，熔池温度在1200 ~ 1400℃之间，石灰石加入转炉后瞬间受到1200 ~ 1400℃的高温，表面碳酸钙分解剧烈。转炉冶炼时需要炉外煅烧3 ~ 5 h的石灰石分解反应，只需几分钟即可分解。由于石灰石分解，会产生大量的CO2气体，提高炉内炉渣的发泡程度，有利于增加石灰与炉渣反应的表面积。同时，CO2气体的逸出会在石灰石煅烧生成的石灰表面形成许多孔隙，生成的石灰具有极高的活性，有效地促进了石灰的快速熔化，有利于高碱度转炉快速成渣。
吹炼前期Si和Mn的快速氧化导致石灰中SiO2和cao表面形成高熔点物质2cao SiO2，进一步影响石灰的熔化速度。石灰石作为造渣材料，在煅烧过程中不断有CO2气体产生和逸出，可以有效限制SiO2进入石灰，避免高熔点物质2cao SiO2的形成，有利于石灰的熔融。CO2的排放和石灰的快速熔化是相互促进的。从化学反应动力学的角度来看，这两种产物的排出和熔化促进了石灰煅烧反应。因此，在保证转炉内温度的前提下，石灰石的热分解和熔化速度不低于石灰在转炉内的熔化速度。
石灰石加入到转炉中进行分解反应，产生的CO2气体与C反应，反应式如下:
CO2+[C]→2CO(g)⑶
石灰石分解和CO2气体与C的反应是吸热反应，石灰石的密度为2.7~2.95 g /cm3，可作为炼钢的“压喷剂”，能抑制泡沫喷雾的产生。
4石灰石代替部分石灰炼钢试验
4.1测试方法
试验在50 t氧气顶吹转炉上进行，试验钢种和工艺路线为:钢坯碳和低合金钢分多次喂入LF炉。石灰石分批加入。由于铁耗控制较低，考虑到热量不丰富，石灰石总量控制在500 ~ 600公斤/炉。在吹氧开始时加入第一批石灰石，第一批石灰石的量为总量的2 /3。吹炼采用大氧压操作，促进转炉初期快速结渣。吹3 ~ 4 min时，适当提高枪位，加强熔渣。碳氧反应开始后，加入两批物料继续吹。以石灰石、白云石和氧化铁皮为渣料，最终炉渣碱度目标为3.0。在试运行中，应通过反转熔炉进行取样。如果终点温度和成分不满足出钢要求，应进行点补吹，以确保出钢满足关键要求。
4.2测试结果和讨论
4.2.1对转炉充电的影响
石灰石在转炉中分解成渣，转炉比石灰吸收更多的热量。因此，需要适当调整烧结矿、氧化铁皮和块矿等冷却剂的量。对试验过程1-5月份的冶炼数据进行了分类，比较了石灰造渣和添加石灰石替代部分石灰造渣的炉料消耗。结果如图1所示。
从图1可以看出，当加入石灰石代替部分石灰造渣时，转炉的炉料消耗发生变化。石灰石按10 kg /t添加时，白云石用量减少2 kg /t左右，氧化皮消耗减少7 kg /t左右，通过调整炉料结构，可以维持转炉热平衡，满足正常冶炼需求，试验过程不存在热量不足的问题。
4.2.2对石灰消耗的影响
自从用石灰石代替部分石灰后，每月石灰消耗量明显下降。各月石灰和石灰石消耗量对比见图2。
通过转炉炼钢用石灰石替代部分石灰造渣的生产工艺，2018年上半年转炉石灰消耗在2017年45.01公斤/吨的基础上下降5.42公斤/吨，比2017年上半年下降6.5公斤/吨，石灰消耗达到历史最好水平。
4.2.3对最终炉渣成分的影响
收集试验过程中的终渣碱度和终渣成分数据，并与不加石灰石的转炉进行比较，见表3。
从表3可以看出，不加石灰石时转炉终渣的碱度为2.82 ~ 3.37，加石灰石代替部分石灰时为2.68 ~ 3.49。两种工艺终点的渣样碱度基本相同，最终渣的成分也基本相同。
4.2.4对转炉煤气回收的影响
石灰石代替部分石灰炼钢。转炉冶炼过程中石灰石分解产生的CO2会与碳、硅、锰等发生反应。在铁水中产生CO并进入炉气[11]，从而提高转炉煤气的回收率。试验期间的气体回收率与无石灰石时的气体回收率对比见图3。
从图3可以看出，加石灰石后的采气量在2月和3月有增加的趋势，其他月份没有增加的趋势。一方面，石灰石加入量少，影响气体回收的其他因素很多；另一方面，该钢厂煤气回收的条件设定为CO含量大于25%，O2含量小于1.2%，因此添加石灰石提高煤气回收的效果并不明显。
4.2.5效益分析
上半年转炉石灰消耗下降3.39 kg /t，活性石灰价格286元/t，钢产量88.57万t，效益84.07万元。石灰石直接加入转炉造渣，分解产生的CO2气体在转炉炼钢过程中部分还原为CO，增加转炉煤气的回收；氧气转炉用石灰石代替部分石灰造渣，将石灰石直接加入炼钢转炉，石灰作为造渣剂在炉内燃烧，可以缓解生产活性石灰的压力，节约工艺成本，部分消除煅烧石灰时的资源和能源浪费，减少大量粉尘和CO2，获得燃料CO，符合节能减排和绿色产业政策。
5结论
石灰石在转炉中的应用在理论上是可行的，石灰石在转炉中的应用必须以转炉充足的热量为基础。石灰石可以代替转炉中的部分甚至全部石灰造渣，并且可以按50%的重量转化为石灰。作为冷却剂，效果略强于白云石，基本可以等重替代。冷却效果不如铁球和烧结矿。同样的冷却效果，石灰石的用量是铁球和烧结矿的1.5倍左右。石灰石在转炉中的应用可以达到节能减排的效果，具有良好的社会、环境和经济效益。
