氧气转炉用石灰石代替石灰造渣炼钢

sunny2008

（一）立项依据与研究内容
　　1.项目的立项依据
　　工业革命发生200多年来，科学技术高速发展，使地球面貌发生了天翻地覆的变化，创造、积累了巨大的财富，使人类进入了工业化社会。但是，在各种产业蓬勃发展的同时，也发生了众多的环境生态问题，引发了公害和污染，特别是温室气体的大量产生，使地球气候发生了变化，灾难性天气现象频发，给人类的生存带来了危害。另外，由于人类对自然资源的掠夺性开采使用，地球上各种有用资源逐渐枯竭，人类本身能否持续发展也成为了问题。有鉴于此，社会发展模式在观念上有了更新，要求产业部门在为人类生活提供更多更好的产品的同时，要善待地球保护环境，合理利用能源资源，为后代留下适当的生存空间，肩负起使文明社会持续发展的责任。可以这样认为，人类已经从过去单纯地追求工业文明逐渐地转向了同时追求生态文明，在发展观念上更为成熟，并且在各方面开始了大规模的有关生态文明的科学研究和工程实践。
　　在追求生态文明的工程实践中，节能减排是重要的一环。我国从上世纪七、八十年代开始，就颁布了一系列的法律法规，对环境保护和节约能源做出了规范，引导我国工业生产走节能减排可持续发展之路。在过去30多年的大规模发展中，我国各工业部门在取得长足发展的同时，在环境保护和节约资源能源方面也都做出了显著的成绩，但是无论从推广实施范围上，还是在技术水平上，与世界先进水平都还有很大的差距，对于实现工业生态化还任重道远。特别是规模在世界遥遥领先、高能耗、高污染的产业部门，更有责任开发新的生产方法和技术推进节能减排，为保护地球做贡献。
　　我国钢铁工业在世界同业中规模最大，粗钢产量已经连续十几年居世界首位，近年来已占到了全世界年产量的40%以上，2010年达到了6.2亿吨。我国在未来的十年中还将高速发展，国内市场需求将继续增加，因此国内粗钢产能将进一步扩大，产量也将进一步增加。由于钢铁工业是高能耗、高污染产业，在钢铁生产过程中进行节能减排，对实施生态环境保护、构建循环经济社会、促进人类社会可持续发展都有重要的意义。钢铁工业是一个漫长的原料加工产业，从铁矿石始到钢材止，要经过多道工序，化学物理变化和生产方法多种多样。对于从铁矿石生产粗钢的长流程中的转炉炼钢过程来说，从1856年贝塞麦酸性转炉发明以来的150多年间，在方法、设备、技术、规模和操作上都有了翻天覆地的进步，在国内外技术先进的钢铁企业中可以看到，转炉炼钢过程已形成了现代化的模式，体现出了人类的智慧和科学的力量，令人赞叹。
　　但是，仔细研究转炉炼钢的造渣原料准备和吹炼的过程，可以看出还存在着明显的非理性或是非科学的做法。申请人从建立节能减排生态化工业模式的角度经过多年的研究后发现，在“煅烧石灰--氧气转炉炼钢”这条工业链上，存在着生产方法上的错误和大量的资源能源浪费，其主要表现如以下所述。
　　（1）逻辑理论上的误区
　　 1）现在氧气转炉炼钢使用石灰作为造渣剂，石灰不是天然矿物，是石灰石经煅烧生成的产品。从能量消耗的角度看，工业生产石灰的煅烧温度一般在1200℃左右，但石灰生成后必须降至接近常温才能往转炉料仓运输，而在转炉内又要升温到炼钢温度，这一过程浪费热能增加了CO2的排放。虽然国内外一些先进的石灰煅烧回转窑可以回收石灰降温过程的放热，但工业装置的余热回收效率一般都只有30～40%，而相当多的石灰煅烧窑又根本没有余热回收装置，因此可知能量的浪费不可小视。
　　 2）石灰煅烧出炉后会很快吸收空气中的水和CO2，生成氢氧化钙和碳酸钙，在潮湿阴雨的天气和长时间堆放尤甚。石灰入转炉后又要吸热分解排放出所吸收的水和CO2，然后在转炉内升温到1000℃左右排出炉口。这个过程也要浪费能量增加CO2的排放。
　　 3）炼钢去除铁水中的杂质元素是一个氧化反应过程，却不使用具有氧化性的石灰石而使用中性的石灰去造高氧化性渣，这也不符合逻辑。对照炼铁过程，虽然高炉内需要还原性气氛，但是却使用着具有氧化性的石灰石做造渣原料，由此可见炼钢过程没有理由不使用石灰石来加快转炉内的氧化过程。
　　 4）几十年来，炼钢业界为加速化渣而研究如何得到高活性石灰，曾进行了长期不懈的努力，但许多工厂仍然为石灰化渣不好而困扰。石灰石颗粒的煅烧过程，从动力学上看其应该按照未反应核模型所指示的规则进行，即从表及里一圈圈地放出CO2成为石灰。石灰在生成的一瞬间活性最大，但当从外向里的传热持续进行、石灰石块内部都放出CO2烧成石灰的时候，表面已经生成的石灰肯定已经过烧，因此煅烧石灰过程很难生产出最高活性的石灰，石灰石块的分解模式与获得高活性石灰的要求有矛盾。即使是这种有限度的活性石灰，冷却后在转炉中再次加热时，由表及里还要再次被加热而更加过烧。因此可以断定，这种生产方式不可能得到最高活性的石灰参与化渣。
　　 5）迄今为止的炼钢学理论都在叙述生烧石灰不利于化渣，但却没有给出“为什么”的理论解释。分析其中的缘由，其影响因素可以从相图上得到两个信息，一是组分，二是温度，如果能把这两者都控制在合适的区间内，渣系没有理由不熔化，而与石灰是否生烧无关。因此可知，所谓生烧石灰难于熔化，只是由于其中的碳酸钙分解时吸热，使其周围的温度降低到可熔化温度以下所致，如果炉内有足够的热量，即使生烧石灰中的碳酸钙分解时吸热，也能够保证石灰颗粒周围的温度在化渣温度以上的话，在转炉吹氧时剧烈搅拌的条件下，石灰颗粒表面可以急速更新受热，则不可能会影响化渣速度。所以化渣过程更值得关注的是炉内温度是否足够的问题。
　　 6）担心用石灰石替代石灰会影响炼钢生产的理由还有，转炉吹炼时间很短，而石灰石转变成石灰需要时间，然后再化渣时间就更长了。事实上，碳酸钙在700℃之前就开始分解释放出CO2，在升温到达900℃之前就已经成为氧化钙，分解反应不是限制性环节，速度很快，因此在能够保证炉内前期温度的条件下，与铁水和熔渣接触的固体表面就不是石灰石而应该是石灰，不需要单独的石灰石转变成石灰的时间，石灰石在转炉中边煅烧边化渣，表面生成石灰后会立即与渣反应，生成一圈反应一圈，因这时的石灰活性最大，所以应该有利于化渣而不是相反，成功化渣的时间也会缩短。
　　（2）实际生产过程存在的不利于操作的现象
　　1）为生产石灰，炼钢厂需设石灰煅烧装置长期运转，即使外购石灰，别的工厂也要设石灰煅烧装置。煅烧石灰时会排放大量的粉尘和CO2，需设环保装置减排粉尘，长期消耗水、电资源；
　　2）煅烧石灰时很难控制石灰石的分解反应过程，不易得到炼钢所需要的高活性石灰，且生成的石灰要吸收燃料中的硫，降低了石灰在炼钢中的脱硫能力；
　　3）石灰容易吸潮，因此在运输和保管过程中都需要采取特别措施防潮，因此要增加防潮设施和工作量；
　　4）石灰结构疏松，在转运过程中因摩擦碰撞会产生大量的粉末而不能使用，要增加筛分设备去除粉末，且石灰利用率低；
　　5）石灰在称量、下料过程中还会产生粉末，投入转炉的瞬间粉末会被炉气带走，加重转炉除尘系统负荷，且进一步降低石灰利用率；
　　6）石灰称量后入炉，产生的粉末会被炉气带出，所含的H2O和CO2要挥发，因此实际入炉的氧化钙量不易准确控制，从而影响炉渣碱度和脱磷硫效果；
　　7）石灰比石灰石价格高，因此炼钢成本增高，随着能源价格、人工费用的上涨和碳税、能源税和环境税费的征收，石灰和石灰石的价差还会增大，这部分成本还要增加；

8）石灰对转炉的冷却能力不够，因此需加入冷铁料以求热平衡，当废钢不易采购时，要把铁水铸成铁块浪费掉能量之后再加入转炉，无论是自产铁块还是购买铁块，本质上都浪费了能源。同时铸铁设备的运转也消耗能量、需要人工，因此增加了成本；
　　9）若采用铁矿石增加对转炉的冷却强度，因铁矿石中含有SiO2等，则必须增加石灰加入量和渣量，因此也增加了转炉生产能耗和成本。
　　为什么迄今为止氧气转炉炼钢前期造渣，选择石灰作为原料而不是选择石灰石，在炼钢的历史文献中还没有查到明确的说明，只看到在空气底吹转炉冶炼中加入少量的石灰石，利用其分解出的CO2增氧的记载。对此合乎逻辑的推测是，在过去使用空气（底吹或侧吹）转炉炼钢的阶段，炉内的热量不足，如果直接加入石灰石在炉内分解吸热，则难以使炉温升高到出钢温度，所以只能把石灰石在炼钢炉之外煅烧，然后再把石灰投入转炉以减少吸热。但转炉炼钢采用纯氧吹炼以后，炉内反应产生的热量已经富余，为此还要加入废钢等冷却剂降低炉温，出钢前如果温度过高还要加入石灰石或白云石降温，所以造渣已经没有理由必须使用石灰了，而应采用氧气转炉可以接受的、更为合理的方法，也就是可以直接把石灰石加入氧气转炉，边煅烧边造渣，省却浪费热能污染严重的煅烧石灰过程。即使是为了利用转炉炼钢中富余的热能去熔化废钢，也不应该在此之前浪费热能污染环境，熔化废钢可以使用电炉去做，在电炉炼钢方面，已有用石灰石代替石灰造渣炼钢的试验报道。
　　为了在氧气转炉中用石灰石代替石灰造渣，申请人经过2年多的实验室研究，于2009年4月申请中国发明专利，提出了“一种在氧气顶吹转炉中用石灰石代替石灰造渣炼钢”的新方法，一改自托马斯转炉发明以来的130多年、氧气顶吹转炉发明以来50多年间所采用的在石灰窑中煅烧石灰、然后把石灰送往炼钢转炉作造渣剂的生产模式，而把石灰石直接加入氧气顶吹转炉，在炉内烧成石灰做造渣剂，使复杂的生产过程简单化，从而消除“煅烧石灰--氧气转炉炼钢”过程间的资源能源浪费，并减排粉尘和CO2。不仅如此，在转炉吹炼前期，石灰石中分解出的部分CO2会参与铁水反应，产生燃料CO，因此可以增收转炉煤气。2010年4月、5月，在河北省的石家庄钢铁有限责任公司、武安鑫山钢铁公司分别成功地进行了工业试验，结果证明了这一炼钢方法安全有效可行，之后为顺应市场变化又在武安兴华钢铁公司和石家庄钢铁有限责任公司进行了使用石灰石代替石灰，为保证冷铁料加入量而添加焦粒升温的工业试验，也取得了成功。申请专利的“一种在氧气顶吹转炉中用石灰石代替石灰造渣炼钢”的新方法，于2011年1月获得了中国国家知识产权局的专利授权。石家庄钢铁有限责任公司已准备在2011年3、4月份采用新方法进行正常生产，从而将成为世界上第一个采用新炼钢方法规模生产的企业。

rockcheckwgd

楼主从哪分享的资料 您是石钢的工程师吗