转炉炼钢石灰石替代石灰比例研究 北京科技大学 University of science and Technololgy Beijing

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1 转炉炼钢石灰石替代石灰比例研究 北京科技大学 University of science and Technololgy Beijing
汇报人：周宝 指导老师：李宏教授

2 研究背景 研究方法 分析与讨论 结论 CONTENTS 1 2 3 4 RESEARCH BACKGROUNDS
RESEARCH METHODS 分析与讨论 3 ANALYSIS AND DISCUSSION 结论 4 CONCLUSION AND SUGGESTION

3 1 研究背景 RESEARCH BACKGROUNDS

4 1 研究背景 RESEARCH BACKGROUNDS
石灰石造渣炼钢工艺采用石灰石代替石灰在转炉内直接分解造渣，起到了良好的降低成本、节能减排效果。 但是，石灰石在转炉内升温分解吸收大量热量，在某些冶炼条件下可能会发生热量不足、出钢温度偏低的情况。 为了保证生产效益，应该在保证转炉热量充足的条件下，尽量增加石灰石加入量，因此，有必要研究不同冶炼条件下的石灰石替代比，保证石灰石造渣炼钢过程中热量充足、冶炼正常进行。

5 2 研究方法 RESEARCH METHOD

6 研究方法 2 RESEARCH METHODS 设定石灰石分解温度为1100℃ 设定铁水中的硅有15%生成SiO(g)通过气化的方式脱除
2.1 根据工业试验数据分析得知，吹炼开始前冷铁料熔清时的铁水温度只有1100℃左右，所以把石灰石分解温度定为1100℃更接近实际情况。 设定铁水中的硅有15%生成SiO(g)通过气化的方式脱除 2.2 过去的研究中已经确认铁水中[Si]大约有10%-20%会生成SiO(g)通过气化的方式脱除，所以本文在考虑热平衡时假设Si生成SiO(g)比例为15%，讨论了其影响，生成SiO(g)脱除的过程延续以前的说法，本文也称为“硅挥发” 。

7 研究方法 2 RESEARCH METHODS 计算数据采用国内多个钢铁厂的平均值 工艺参数与石灰石替代石灰比例关系分析 2.3 2.4
本文考虑了CO2参与熔池反应和“硅挥发”前提下，进行物料平衡和热平衡计算，计算中采用国内多个钢铁厂的平均的铁水和钢水成分、温度和原料加入量以及渣料成分。 工艺参数与石灰石替代石灰比例关系分析 2.4 根据铁水成分（碳、硅、锰含量）、铁水温度、铁水比、碱度对石灰石替代比影响的研究，求出了各工艺因素与替代比的关系表达式。

8 3 研究结果与讨论 CONCLUSIONS

9 3.1 石灰石热效应计算 经过计算得到1kg石灰石的吸热量为4296kJ/kg 石灰石分解 假定CaCO3在1100℃分解
CaCO3= CaO+CO2 ⊿ Hθ=1790kJ/kg CO2升温吸热 CaO升温吸热 CaO从常温升温至出钢温度 参与铁水反应的CO2中，与C反应的比例约占90%左右，与其他元素反应比例很低，因此忽略不计，假设CO2全部与C在1100℃反应。 C+CO2=2CO ⊿ Hθ=13683kJ/k CO2参与熔池反应 经过计算得到1kg石灰石的吸热量为4296kJ/kg

10 3.2 考虑了硅挥发的硅热效应 设定铁水中的硅有15%与氧气弱氧化生成SiO（g），85%与氧气反应生成SiO2 。1kg[Si]氧化反应的热效应。0.85kg [Si]生成SiO2放热24067kJ。0.15kg的[Si]生成SiO(g)放热581.7kJ。 因此，1kg[Si]氧化放热 kJ/kg。

11 3.3 物料平衡和热平衡计算 铁水和目标钢水成分、温度为多个钢厂的平均值。目的是为了验证石灰石造渣炼钢是否存在热量不足的问题。
表1 铁水和钢水成分和温度 成分/% 温度/℃ C Si Mn P S 铁水 4.610 0.500 0.420 0.108 0.032 1286 钢水 0.202 0.020 0.100 0.009 0.028 1638

12 3.3 物料平衡和热平衡计算 表2 原料加入量 渣料 轻烧白云石 矿石 铁水 废钢 加入量/kg 3 1 100 6.38 根据石灰石造渣炼钢工业实践，矿石加入量在铁水量1%左右，轻烧白云石加入量在铁水量3%左右，为了保证热量充足铁水比要高于石灰炼钢，一般在90%~95%之间，因此设定矿石加入量1kg，轻烧白云石3kg，铁水比94%，即废钢量为6.38kg。

13 3.3 物料平衡和热平衡计算 1.炉渣中铁珠量占渣量 8%。 2.喷溅量为铁水量的 1% 3.炉衬侵蚀占铁水量 0.5%。
根据转炉实际生产，在进行物料和热平衡时，需要进行一下假设： 1.炉渣中铁珠量占渣量 8%。 2.喷溅量为铁水量的 1% 3.炉衬侵蚀占铁水量 0.5%。 4.造渣分解产生的CO2有 50%参与熔池反应。 5.烟尘量占铁水量1.6%， 其中含FeO 77%，含Fe2O3 20%。 6.铁水中碳90%生成CO，10%生成CO2

14 3.3 物料平衡和热平衡计算 由于影响石灰石替代比的因素很多，为了研究转炉各种参数对石灰石替代石灰比例的影响，设定石灰石替代石灰造渣的比例为未知量X带入物料平衡和热平衡进行计算。

15 3.3 物料平衡和热平衡计算 用带有未知量X的石灰石、石灰质量计算出根据物料平衡计算出炉渣、钢水、吹氧量，最终得到物料平衡表：
表3 物料平衡表 收入项 支出项 项目 重量（kg） 重量(kg) 铁水 100 钢水 X 废钢 6.38 炉渣 X 石灰 2.15（1-X） 炉气 X 石灰石 3.44X 铁珠 X 轻烧白云石 3 烟尘 1.6 炉衬 0.5 喷溅 1.5 矿石 1 氧气 X 合计 X X 用带有未知量X的石灰石、石灰质量计算出根据物料平衡计算出炉渣、钢水、吹氧量，最终得到物料平衡表：

16 3.3 物料平衡和热平衡计算 表4 热平衡表 收入项/kJ 支出项/kJ 铁水物理热 钢水物理热 X 烟尘氧化热 6454.4 炉渣物理热 X C氧化热 X 炉气物理热 X Si氧化热 12324 白云石物理热 4266 Mn氧化热 2457 矿石物理热 4323.7 P氧化热 1873.3 石灰石物理热 X Fe氧化热 X 烟尘物理热 2605.3 SiO2成渣热 X 铁珠物理热 X P2O5成渣热 1138.4 喷溅物理热 1416.2 吹炼物理热 X 废钢物理热 9041.5 总计 X X 根据表6计算得到，铁水比为94%时，X等于1.002。计算结果表明在本文原料条件下，转炉热量都能够满足生产要求可以采用全石灰石炼钢，并且热量略有富余。

17 3.4 工艺因素与替代比关系式推导 由于各工艺因素与石灰石替代比的关系比较复杂，因此通过回归分析得到替代比与各工艺因素的关系式。
首先对铁水成分（ω[C]、ω[Si]、ω[Mn]）、铁水温度、铁水比、碱度、出钢温度在冶炼条件范围内各取三个值，具体取值如表所示。排列组合总共得到2187种冶炼条件，计算每种冶炼条件下石灰石替代比X。然后对得到的2187组数据进行线性回归，得到替代比与各工艺因素的关系。 表 5 各因素取值表 ω[C] ω[Si] ω[Mn] T铁水 T钢水 碱度 铁水比 4 0.4 0.2 1250 1600 3 0.92 4.4 0.6 1300 1625 3.25 0.94 4.8 0.8 1350 1650 3.5 0.96

18 3.4 工艺因素与替代比关系式推导 式中，ω[C]—铁水碳含量，%；ω[Si]—铁水硅含量，%；ω[Mn]—铁水锰含量，%；T铁水—铁水温度，℃；T出钢—出钢温度，℃；α铁水比；R：碱度。X为石灰石替代比， 拟合相关系数R2 =0.97, 拟合效果良好。关系式中的系数为每个因素对替代比的影响大小，合理的表达了各因素与石灰石替代比的关系。

19 3.5 工艺因素与替代比关系分析 碳含量与锰含量对替代比影响分析
碳元素和锰元素是铁水中的主要放热元素。随着铁水中碳元素和锰元素的增加，铁水化学反应热增加，转炉中的热富余也增加，因此可以加入更多石灰石。根据计算得到，铁水中碳含量每增加0.1%，替代比增加8.1%；锰含量增加0.1%，替代比增加5.1%

20 硅含量 增加 3.5 工艺因素与替代比关系分析 硅含量对替代比影响分析
化学反应热增加 硅含量 增加 因此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。 石灰石加入增加，吸热量增加

21 3.5 工艺因素与替代比关系分析 硅含量对替代比影响分析
硅增加了铁水化学反应热，同时导致石灰石加入量增加，石灰石吸热增加。根据上式，当热量增量与热量减少量相等时，求出临界硅含量。 计算得到：在R=3.5条件下，临界硅含量为0.28%，即当ω[Si]<0.28%时，ω[Si]与替代比X成正相关；ω[Si]>0.28%时，ω[Si]与替代比X成负相关。但是对一般的铁水成分来说，ω[Si]一般在0.4%~0.8%之间，ω[Si]在正常铁水成分范围内与替代比成负相关.

22 3.5 工艺因素与替代比关系分析 硅含量对替代比影响分析
硅元素虽然是铁水放热最强的元素，但是硅元素的增加导致石灰石量增加，石灰石引起的吸热量要大于硅的放热量，所以硅含量提高会导致富余热量的减少，石灰石替代比减小。硅含量在0.4%~0.8%的范围内，不仅随着硅含量提高，替代比减小，同时硅含量对替代比的影响也逐渐减小。

23 3.5 工艺因素与替代比关系分析 铁水和出钢温度对替代比影响分析
随着铁水温度的升高，铁水物理热增加，转炉热量富余增加，因此可以增加石灰石加入量，石灰石替代比提高。铁水温度提高10℃，石灰石替代比增加5.8%。 随着出钢温度的升高，钢水物理热增加，转炉热量富余减少，因此需要减少石灰石加入量，石灰石替代比降低。钢水温度提高10℃，石灰石替代比降低7.4%。

24 3.5 工艺因素与替代比关系分析 铁水比对石灰石替代比的影响 随着铁水比的提高，冷料加入量减少，热量富余增加，可以允许加入更多的石灰石。根据计算，铁水比每增加1%，石灰石替代比增加12.3% 碱度对石灰石替代比的影响 碱度提高导致有效氧化钙需求量增加，因此石灰石加入量增加，转炉热量富余减少，石灰石替代比减小。

25 4 结论 CONCLUSION

26 4 结论 以转炉前期铁水熔清温度在1100 ℃左右为条件计算，石灰石从常温升温至1100 ℃ 并分解为CO2和CaO，吸热量为4296kJ/kg；在设定铁水中硅挥发15%的条件下，硅氧化热效应为 kJ/kg。 ① 铁水硅含量对石灰石替代石灰比值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X等于1.002，可采用全石灰石造渣炼钢． ②

27 4 结论 本计算引入变量X作为石灰石替代石灰的比值，讨论了Ｘ与物料平衡和热平衡的关系．冶炼条件改变替代比Ｘ随之改变．Ｘ与各工艺因素的关系如下式所示： ③ 在本研究的条件范围内，ω[C] 提高0.1%，石灰石替代比可以提高8.1%；ω[Mn] 提高0.1%，石灰石替代比可以提高5.1%；铁水温度提高1℃，替代比提高0.58%；铁水比提高1%，替代比提高12.3%。钢水温度提高1℃，替代比降低0.74%；ω[Si]与石灰石替代比的关系呈曲线降低趋势．碱度与石灰石替代比的关系也呈曲线降低趋势． ④

28 致谢感恩 THANKS FOR ATTENTION