1、转炉石灰石代替石灰造渣炼钢研究现状及展望孙华康，李晨晓，王书桓，佟帅，薛月凯，张凯璇（华北理工大学冶金与能源学院，唐山市特种冶金及材料制备重点实验室，河北唐山063009）摘要：系统分析了石灰石代替石灰炼钢造渣工艺的研究现状和发展趋势，通过对比分析可知，目前转炉石灰石造渣炼钢工艺简化了整个造渣工艺流程，提高了化渣脱磷效果，减少了钢渣产生量，增加了吨钢经济效益。综合来看，石灰石炼钢造渣工艺是一种高效、低耗、环保的新型造渣方式，对促进钢铁企业节能减排和可持续发展具有重要意义。但是石灰石分解需要消耗大量的热量，进而影响化渣速率，因此，为了进一步优化石灰石炼钢造渣工艺，提出一种石灰石喷粉造渣技术，该技
2、术能有效解决石灰石直接造渣工艺中因热耗大引起的化渣及 CO2利用率问题。关键词：转炉造渣；石灰石；高效脱磷；少渣；节能减排doi:10.3969/j.issn.1000-6532.2023.01.013中图分类号:TD982文献标志码:A文章编号:1000-6532（2023）01010407近些年来中国粗钢产量与日俱增，钢渣排放量也是大大增多，而在造渣工艺环节对于能源的消耗和环境的污染却日益加重。传统转炉造渣炼钢过程均是采用石灰作为造渣剂化渣，该工艺过程存在着资源浪费、CO2过度排放、环境污染严重等问题。因此，如何优化传统转炉造渣炼钢工艺成为国内外企业及专家学者关注和研究的重点。北京科技大学
3、李宏1-2提出了“转炉石灰石替代石灰造渣炼钢”的方法，该工艺是直接将石灰石加入到转炉内，在炉内经高温直接分解化渣，从而缩短传统的石灰造渣工艺流程，减少了燃料消耗和污染物排放，达到降低能源消耗和减少环境污染的双重目的。近年来转炉炼钢采用石灰石代替石灰造渣是一大热点研究，由于石灰是石灰石在高温环境下烧制而成的，而转炉作为天然的高温容器为石灰石转化成石灰提供了优越条件，采用石灰石造渣的终渣碱度变化不大，冶炼终点钢水成分稳定，脱磷效果良好，减少了石灰用量还均衡了铁水的化学热和物理热，减少了原料消耗。目前，转炉石灰石造渣炼钢工艺还在不断探索过程中，对于石灰石的加入量及颗粒大小，尚需要进一步深入研究。1转
4、炉炼钢石灰石造渣工艺概述石灰石的主要成分为碳酸钙(CaCO3)，通常被用作建筑材料和钢铁工业造渣原料。在钢铁工业生产过程中石灰石的消耗量巨大，而我国石灰石资源日益紧张，所以势必寻找一种减少资源消耗冶炼方法。转炉内高温铁水为石灰石煅烧提供了有利环境，是直接采用石灰石进行造渣炼钢的先决条件之一。石灰石直接加入转炉内，在炉内铁水拥有自身的物理热，满足了煅烧石灰石的温度，使石灰石在转炉内快速分解，在转化为石灰的同时产生大量气体，气泡上浮过程中形成“熔体柱”运动，会产生强大的搅拌动力使物质传质和热量传递更加均匀，从而改善冶炼动力学条件，更好地弥补了转炉前期动力学不足的缺点3，而且大量气泡上浮带动杂质上浮
5、，满足转炉造渣脱磷的条件。1.1石灰石在转炉中的造渣机理高温下石灰石在转炉内会发生爆裂分解反应，释放出大量 CO2气体，造渣过程中能有效收稿日期:2020-12-30基金项目:国家自然科学基金（52274334）；国家自然科学基金（52004097）；河北省自然科学基金（E2019209597）作者简介:孙华康（1997-），男，硕士，研究方向为特种冶金与材料制备。通信作者:李晨晓（1988-），男，博士，副教授，研究方向为特种冶金与材料制备。矿产综合利用104MultipurposeUtilizationofMineralResources2023 年阻止 SiO2与石灰石接触，减少了高熔点
6、化合物2CaOSiO2生成，有利于更好的化渣，由于 SiO2与 CaO 反应在石灰表面生成致密的硅酸钙外壳影响快速化渣。石灰石块继续爆裂分解成许多更小粒度的石灰石块和石灰块，而小块石灰石更容易吸热发生连续性分解反应，最终得到弥散在渣中的小块或微粒状石灰。相比块状石灰而言，弥散在渣中的小块或微粒石灰与炉渣接触的反应界面更大，成渣速度更快。高温下爆裂分解的小块或微粒状石灰属于初生石灰具有更高的活性，同时表面上具有大量列缝和气孔，更有利于炉渣中组元向石灰内部扩散和渗透，加快反应形成新造熔渣，有效提升了化渣速率4-5。石灰石造渣微观机见图 1。熔渣新熔渣熔渣熔渣CO2石灰石高温下爆裂新渣形成活性石灰造
7、渣CaO 颗粒CaCO3 颗粒炉渣组元新相固溶体石灰石图1石灰石造渣微观机理Fig.1Microscopicmechanismoflimestoneslagging2转炉石灰石造渣炼钢现状分析“十一五”规划中我国对钢铁行业节能降耗和废弃物再利用提出了明确要求和目标，重点强调工业清洁生产，实现钢铁工业可持续发展。而转炉炼钢石灰石代替石灰造渣具有显著优越性，不仅能降低能耗，还能从源头减少新渣的产生量，为钢铁企业实现最大化经济效益、社会效益和环境效益。因此，转炉炼钢石灰石代替石灰造渣成为国内外学者研究热点，既有实验室基础研究，又有工业实验，为优化造渣提供理论基础。2.1转炉石灰石造渣技术理论性研究李
8、晨晓等6对不同地区的石灰石矿进行实验，研究了石灰石微观形貌对其煅烧后石灰孔隙度、水活性的影响。研究结果表明，石灰石在相同煅烧温度和时间下，随着石灰石微观晶粒度增大，煅烧后所获得石灰越疏松、孔隙率越高，石灰活性越大，在急速受热时会发生爆裂，化渣速度更快。冯佳等7对传统石灰造渣炼钢工艺和新型石灰石代替石灰造渣炼钢工艺进行了对比分析，用薄片状石灰石模拟块状石灰石中的单个薄层，在不同条件下煅烧，测量产物收缩率、比表面积、孔容积、孔径、晶体结构及水化活性等参数。结果发现，在高温短时间内煅烧的石灰石薄片收缩率低、比表面积和孔容积大、平均孔径小、晶粒细小、晶格畸变大、水化反应速度极快。石灰石造渣工艺中新生成
9、的石灰反应活性高于传统工艺，有利于加快化渣速率。茹继龙8对转炉炼钢造渣过程使用石灰石代替石灰做造渣剂，所带来的节能减排成效进行分析。石灰石代替石灰做造渣剂进行转炉造渣炼钢第 1 期2023 年 2 月孙华康等：转炉石灰石代替石灰造渣炼钢研究现状及展望105过程，在技术指标上达到钢水冶炼的质量标准，使钢水中的硫、磷等元素，以及各钟夹杂物含量达标，达到节能的效果。石灰石直接加入转炉内，省去了在石灰窑中的煅烧过程，可以相对减少石灰石在石灰窑中烧制所产生的大量气体和灰尘，减少污染物的产生。胡彬等9对转炉内高温下石灰石颗粒的爆裂行为进行研究。研究结果表明，煅烧温度和时间对石灰石的爆裂行为影响较大，而石灰
10、石固体粒径影响不明显。随着石灰石在转炉内煅烧温度和时间增加，石灰石样品表面裂纹明显增多并破碎成更小的颗粒。李自权等10研究了在转炉炼钢过程前期加入石灰石进行造渣，发现石灰石可以在56min 内完成爆裂分解，很快的完成煅烧转化和造渣过程，且成渣状态良好，完全满足钢铁生产的要求。熊天宇11等对转炉造渣炼钢过程中采用石灰石造渣的合理性和可行性进行了研究，分别从石灰的生产工艺、石灰的物化性质、石灰在炼钢中的作用和转炉热平衡等多个方面进行分析。研究结果表明，使用石灰石进行炼钢化渣不仅可以达到使钢水各数据达标，而且相较于石灰造渣实现了节能减排。周宝等12对石灰石替代石灰的比率进行了研究。研究结果表明，石灰
11、石替代石灰的比例会受到多种因素的影响，硅含量对替代比的影响存在一个临界值，当铁水硅含量低于临界值时，硅含量提高，替代比随之提高;硅含量高于临界值时，硅含量提高，替代比随之降低。当铁水比为 94%、渣碱度 R=3.5时，石灰石替代比 1.02，热量略有富余。随着铁水碳含量、锰含量、铁水温度、铁水比的提高，石灰石替代比不断提高；随着铁水硅含量、碱度、钢水温度提高，石灰石替代比不断降低。综合前人对石灰石造渣炼钢的基础理论研究，得出以下结论：1）石灰石微观晶粒度越大，煅烧后产生的石灰活性越高。2）石灰石造渣工艺缩短了整个转炉炼钢流程，减少了能源消耗。3）石灰石转炉内爆裂分解产生大量 CO2和高活性石灰
12、，加快了化渣速率。4）石灰石造渣工艺减少了原材料使用和污染物排放，实现节能减排。通过对转炉炼钢石灰石造渣机理、高温下爆裂行为、微观形貌对冶炼的影响以及石灰替代比率的研究分析，进一步体现石灰石替代石灰造渣的显著优越性，肯定了石灰石造渣理论的合理性，为石灰石造渣在工业实践中奠定基础。2.2转炉石灰石造渣技术工业应用性研究基于石灰石造渣炼钢工艺原料廉价且消耗量少、脱磷效率高的优势，国内已有数十家钢铁企业采用此工艺，下面就对转炉石灰石造渣工艺在全国范围内的应用情况进行统计13-27。表 1 为 20102020 年近十年文献调研统计石灰石代替石灰造渣炼钢工艺在国内各大钢铁厂的应用情况。表1石灰石代替石
13、灰造渣炼钢工艺应用统计Table1Statisticsontheapplicationoflimestoneinsteadoflimeforslaggingsteelmakingtechnology序号公司名称报道时间转炉吨位/t造渣模式替代比/%吨钢经济效益/元1鞍钢2011年5月260单渣3711.62湘钢2012年7月90单渣163.23包钢2012年8月80单渣203.54本钢2012年9月180单渣2614.75武钢2013年8月120单渣433.36石钢2013年11月60单渣1009.27重钢2014年3月80单渣538.58首秦2014年10月100双渣3510.49莱钢201
14、5年3月120单渣1512.510舞钢2015年6月120单渣405.211邯钢2015年10月260单渣-2.012永钢2015年12月50单渣503.213承钢2017年3月100单渣-6.714唐钢2017年12月60单渣203.015马钢2020年1月300单渣1007.5从表 1 可以看出石灰石造渣工艺获得国内众多家钢铁厂的关注和认可，并得以推广应用。各大钢铁厂在采用石灰石代替石灰造渣炼钢过程中有一些新发现，进一步证明了石灰石代替石灰造渣炼钢的优势。下面对石灰石造渣炼钢工艺在应用中的一些关注点进行解释，对新工艺取得的冶炼效果进行总结。（1）替代比 现行转炉内存在较多的富余热量来熔化废
15、钢和冷铁料，当用石灰石代替石灰进入转炉造渣炼钢时，与石灰不同，石灰石在炉内分解需要消耗转炉大量的热量，为保证冶炼效果和出钢量，各炼钢厂在石灰石代替石灰的比例上会有所变化，根据表 1 的数据显示替代比在 15%100%之间浮动。根据首秦、石钢等钢铁厂的工业实验证实石灰石全部替代石灰造渣炼钢是可行的，即替代比106矿产综合利用2023年 为 100%的转炉并不存在热量不足的问题，只需要做的是调整下入炉金属料中铁水和冷铁料（废钢、烧结矿、铁矿石）的比例，保证转炉内能富余更多热量来供给石灰石分解所用。但目前国内的钢铁厂在采用石灰石造渣炼钢时，由于变动代价、工厂管理规划等一系列问题，并非能够采用替代比为
16、 100%的石灰石造渣炼钢工艺，需要特别说明的是，通过理论计算和工业实验验证，转炉采用石灰石全部替代石灰造渣炼钢具备可行性和先进性。（2）经济效益转炉采用石灰石代替石灰造渣炼钢，不仅节省了石灰生产工序，还降低了造渣料成本，必然会巨大的经济效益。表 1 给出了各大钢铁厂采用新工艺的吨钢经济效益，石灰石造渣工艺吨钢经济效益在 2.0 元到 14.7 元之间，之所以会有较大的差别是因为各厂的生产情况以及核算方式存在不同，例如某些钢厂仅仅核算了因石灰石和石灰的价格差带来的经济效益，而没有核算省去石灰窑厂所节省的整体效益。虽然石灰石造渣炼钢工艺在各大钢厂取得经济效益略有差别，但他们的报道均证实了转炉采用石灰石代替石灰造渣炼钢会节省成本，产生巨大的经济效益。根据已发表的数据统计分析，相比现行石灰造渣工艺，石灰石代造渣工艺的平均吨钢经济效益为 7.0 元。（3）增收转炉煤气石灰石在转炉内分解会释放出大量的 CO2气体，其中部分 CO2会与铁水中的 C、Si、Fe 等元素反应形成 CO，因此采用石灰石代替石灰造渣后，必然会增加转炉炉气中 CO 的生成量，尽管每个钢铁厂的替代比和转炉煤气回收条件存在差别