趙俊學(xué)，屈波樵

（西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

石灰石的主要組成是CaCO3，煅燒釋放出CO2后得到石灰（主要組成為CaO）。從造渣功能方面看，主要利用的是其中的CaO。近年來由于轉(zhuǎn)爐煉鋼熱量充裕，開始采用石灰石煉鋼，并進(jìn)而關(guān)注到其一系列其它的特點(diǎn)，石灰石直接用于煉鋼已被賦予了更多的期望［1-9］。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，CaCO3在煉鋼過程中的應(yīng)用會帶來兩個方面的影響：一是CaCO3分解吸熱，與采用石灰冶煉相比會造成額外的熱量消耗，從而影響到轉(zhuǎn)爐的利用效率；二是CaCO3分解生成的 CO2會對鋼液產(chǎn)生氧化作用。而石灰石煉鋼的應(yīng)用實(shí)踐已證明其成渣速度快，提高了反應(yīng)效果，可以抵消這些不利影響，取得良好的冶煉效果。對相關(guān)問題究竟應(yīng)該如何認(rèn)識？如何在煉鋼工藝開發(fā)中更好地利用石灰石反應(yīng)特性？如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、CO2減排與再利用？這些都是需要梳理的問題。

本文將基于煉鋼技術(shù)及可持續(xù)發(fā)展的本質(zhì)需求，并結(jié)合作者的一些計(jì)算分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果［10-15］，探討煉鋼過程中直接應(yīng)用石灰石 （或其主組元CaCO3）的前景及應(yīng)該關(guān)注的問題。

1 使用CaCO3和CaO對煉鋼過程熱制度的影響

1.1 CaCO3和CaO吸熱對比

對煉鋼過程分別采用CaCO3和CaO作為熔劑時的熱量收支做對比分析。

CaCO3加入鋼水后，會經(jīng)歷快速升溫、分解、產(chǎn)物繼續(xù)被加熱、CO2逸出與CaO成渣熔化、加熱到冶煉溫度等過程，取CaO成渣熔化前后熱容差別不大，其在冶煉過程吸熱可以分為如下四部分：

（1）CaCO3升溫吸熱（分解溫度以下）Q1；

（2） CaCO3分解吸熱 Q2；

（3）CaO成渣熔化吸熱（近似以熔化熱替代）Q3；

（4）CO2及 CaO 的升溫吸熱 Q4。

對CaO同樣取其成渣熔化前后熱容差別不大，則其在冶煉過程僅有升溫吸熱和熔化吸熱兩項(xiàng)，分別以 Q1＇和 Q2＇表示。

根據(jù)各種物料的熱容及熔化熱，計(jì)算得到煉鋼過程采用CaCO3和CaO造渣的吸熱值（溫度為25～1 600 ℃）［10-11］，如表 1 所示。

表1 CaCO3和CaO在煉鋼過程的吸熱情況Table 1 Heat Absorption Situation on CaCO3and CaO during Steelmaking

由表1可以看出：CaCO3分解吸熱僅約占其在整個冶煉過程熱量消耗的0.08%；采用CaCO3與CaO造渣相比，熱量消耗的主要差別是升溫過程吸熱，具體包括CaCO3和CO2的升溫吸熱。僅此兩項(xiàng)可使額外熱量需求比單獨(dú)使用CaO增加約88 278.95 J/mol。當(dāng)然，此兩項(xiàng)所需額外熱量也可以歸結(jié)為CO2的存在所引起，因?yàn)镃aCO3與CaO相差1摩爾CO2。

1.2 采用石灰石等摩爾量替代石灰引起的吸熱量變化

現(xiàn)代煉鋼過程中，噸鋼石灰消耗量約為25～60 kg。取40 kg/t鋼進(jìn)行測算，采用石灰石等摩爾量替代石灰時的熱量變化值為63 190.95 kJ/t鋼（采用石灰石造渣的吸熱量為179 158.4 kJ，采用石灰造渣的吸熱量為115 967.45 kJ），占煉鋼過程總熱量支出的3.16%；如果做等質(zhì)量替代，40 kg等質(zhì)量替換后熱量變化為15 638.75 kJ/t鋼（采用石灰石和石灰造渣的吸熱量分別為115 967.45 kJ和 100 328.7 kJ），占煉鋼過程總熱量支出的0.78%。這對煉鋼過程的影響不大，但應(yīng)注意的是使用石灰石煉鋼時，消耗的是高溫高質(zhì)熱量，明顯有利于廢鋼熔化等。

1.3 石灰煅燒到煉鋼的全流程能耗

現(xiàn)代煉鋼和鐵水預(yù)處理主要采用石灰為造渣材料。據(jù)有關(guān)資料提供的數(shù)據(jù)，采用先進(jìn)石灰窯生產(chǎn)1摩爾石灰能量消耗可達(dá)188.36～234.41 kJ/mol,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直接使用CaCO3的額外熱量支出值92.45 kJ/mol（與采用石灰造渣相比）。這一差值主要是煅燒后的石灰余熱未利用及石灰煅燒過程熱損失等引起的。如果考慮石灰運(yùn)輸?shù)哪芎?、粉塵治理等，其能耗及排放會更高。直接利用CaCO3進(jìn)行冶煉的總能耗低于先鍛燒成石灰再加入轉(zhuǎn)爐冶煉的總能耗，所以從全流程（包括石灰煅燒）能量利用角度出發(fā)，直接利用石灰石比先將其煅燒成石灰再利用更為合理［1-4,10］。

對于火法冶金過程，如果不論其反應(yīng)效能，減少工序一般都會降低系統(tǒng)的能耗。采用石灰石煉鋼后相關(guān)反應(yīng)效率提高，其系統(tǒng)能耗會降低的更為明顯。

2 CO2作為攪拌或保護(hù)氣在鋼鐵冶金中的應(yīng)用

煉鋼全流程都需要攪拌，包括鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、爐外精煉和連鑄。尤其是隨著高潔凈鋼用量的不斷增長，使鋼水注流保護(hù)技術(shù)和鋼包惰性氣體攪拌技術(shù)獲得了很大發(fā)展。攪拌的主要目的是均勻鋼水成分和溫度、促進(jìn)渣鋼反應(yīng)，鋼包及連鑄中間包鋼水?dāng)嚢柽€具有促進(jìn)夾雜物上浮的功能。鋼水注流保護(hù)主要是防止鋼水吸氣、防止和減少二次氧化。Ar一直被用于這兩個方面，由于Ar價(jià)格高且來源有限，有時也使用N2。CO2在某些情況下也可作為一種惰性氣體用于某些鋼種的注流保護(hù)、攪拌及精煉［11］。 石灰石加入會生成 CO2，如能與上述要求契合，可大大擴(kuò)展其用途并取得效果。

2.1 CO2的氧化性分析

可以利用吉布斯自由能計(jì)算煉鋼溫度下的CO2分解氧分壓。根據(jù)Raymond等［11］提供的數(shù)據(jù),雖然在煉鋼溫度下CO2會發(fā)生分解，但其氧勢很小，如1 540℃時，O2的體積百分?jǐn)?shù)僅為0.25%，低于部分采用Ar作保護(hù)氣流量及保護(hù)設(shè)計(jì)不合理的情況。比如攪拌用CO2耗量為0.6 m3/t，達(dá)到平衡時，僅使鋼水增氧約2.0×10-6。鋼水注流保護(hù)試驗(yàn)表明，CO2可以有效防止二次氧化，同時也防止了吸氮現(xiàn)象。與采用Ar保護(hù)相比，酸溶鋁沒有明顯的變化［11］。

John.R.Pauls 等［11］研究了采用 CO2對鋼水進(jìn)行攪拌和注流保護(hù)后發(fā)現(xiàn)：（1）CO2攪拌與Ar攪拌相比，不會引起過多的熱量損失；（2）對碳含量小于0.2%的鋼種有輕微的增氧作用，而當(dāng)碳含量進(jìn)一步提高時，未發(fā)現(xiàn)有增氧情況；（3）與采用Ar相比，氮含量、鋁收得率和鋼包耐火材料消耗未出現(xiàn)明顯變化。

可以看出，許多情況下CO2表現(xiàn)出了惰性特征，具有部分或全部（對部分鋼種或工序）替代Ar的潛力。當(dāng)用于鐵水預(yù)處理或轉(zhuǎn)爐冶煉時，CO2氧化作用不會造成影響；用于鋼水?dāng)嚢钑r，其在鋼水中的停留時間較短，分解程度有限。

2.2 攪拌氣體的吸熱

在頂?shù)讖?fù)合吹煉及鋼包吹氬處理等過程中，常常要引入惰性氣體Ar或N2。僅僅考慮氣體升溫?cái)y帶走的熱量，以氣體耗量q=0.6 m3/t鋼，氣體吹入后溫升1 600℃進(jìn)行測算，吹氬氣攪拌可使鋼水溫度降低1.2℃。如以CO2作為攪拌氣體，同樣的吹入量下，吸熱引起的鋼水溫降約為2.5℃［11］。這與鋼水處理及周轉(zhuǎn)過程的實(shí)際溫降相比很小，也就是說如果不考慮鋼水表面散熱，攪拌氣體吸熱帶走的熱量對鋼水溫降可以控制在較低水平，控制鋼水溫降的要點(diǎn)應(yīng)該是降低鋼水?dāng)嚢钑r的表面散熱、包壁吸熱和散熱。

3 CaCO3在煉鋼中的應(yīng)用

CaCO3既是CaO的提供者，也是CO2氣體的直接攜帶者，如何能充分地利用其這一特點(diǎn)是其應(yīng)用的關(guān)鍵。

3.1 在鐵水預(yù)處理中的應(yīng)用

鐵水預(yù)處理主要采用加渣機(jī)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(yīng)用案例。原義明等［11］對CaCO3在混鐵車上噴吹脫硫進(jìn)行研究后發(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(dāng)噴吹鈣消耗量（或摩爾量）相同的情況下，采用CaCO3噴吹脫硫效率明顯高于CaO,如圖1所示。進(jìn)一步研究表明，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(jìn)而表明CaCO3分解造成的強(qiáng)烈攪拌和自破碎是CaCO3脫硫效果明顯的重要原因。脫磷劑中添加石灰石也可以取得類似的效果。

圖1 鈣的消耗和脫硫率的關(guān)系Fig.1 Relationship between Consumption of Ca and Desulfurization Rate

3.2 在頂?shù)讖?fù)合吹煉中的應(yīng)用

近年來，我國許多轉(zhuǎn)爐煉鋼廠采用了部分石灰石替代石灰煉鋼或全部石灰石煉鋼技術(shù)，石灰石主要采用頂部加入的方式，取得了較好的效果。與采用石灰冶煉相比，渣量減少，生產(chǎn)成本明顯降低。

秦登平等［1］通過石灰石造渣前期成渣機(jī)理的分析和轉(zhuǎn)爐熱平衡計(jì)算，得出采用石灰石替代石灰煉鋼時，需增加鐵水消耗，減少轉(zhuǎn)爐廢鋼消耗,可保證石灰石煉鋼終點(diǎn)溫度和石灰煉鋼終點(diǎn)溫度一致。生產(chǎn)試驗(yàn)得出，石灰石造渣煉鋼轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)堿度、終點(diǎn)溫度、終點(diǎn)命中率和普通石灰造渣煉鋼工藝一致，在保證脫磷率的前提下，石灰石造渣工藝總體入爐CaO量減少28.6%，噸鋼造渣物料加入量減少，可減少噸鋼轉(zhuǎn)爐渣量，有利于降低成本和節(jié)能減排。與石灰單渣冶煉工藝相比，采用石灰石單渣工藝轉(zhuǎn)爐煤氣的回收量增大。

杜玉濤等［2］基于特殊鋼石灰造渣“中間排渣+終點(diǎn)留渣”雙渣操作，對全石灰石雙渣法進(jìn)行了研究及生產(chǎn)實(shí)踐，冶煉終點(diǎn)磷含量降低,可滿足特鋼品種的終點(diǎn)出鋼要求。相比于常用的全石灰雙渣工藝，采用全石灰石雙渣工藝可以使轉(zhuǎn)爐工序冶煉成本降低2.23元/t鋼。

但石灰石大量替代石灰加入轉(zhuǎn)爐內(nèi)，在轉(zhuǎn)爐留渣、廢鋼結(jié)構(gòu)增加含鐵回收物量情況下，轉(zhuǎn)爐吹煉前期爐渣中聚集大量FeO，加上CaCO3分解的CO2的作用，導(dǎo)致爐渣泡沫化程度增加［14］。

在頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐上，除了噴吹燃料及石灰粉之外，還可以噴吹石灰石粉。日本新日鐵公司名古屋鋼鐵廠1984年就已采用了一種底吹石灰石粉的新工藝生產(chǎn)低氫高純鋼［10］。據(jù)報(bào)道該方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）CaCO3在爐內(nèi)分解產(chǎn)生的CO2可強(qiáng)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(hù)作用，主要原因是其分解具有適當(dāng)?shù)睦鋮s作用。

（4）可擴(kuò)大底吹攪拌的控制范圍，通過調(diào)節(jié)固氣比調(diào)節(jié)攪拌強(qiáng)度。

我國目前已開展相關(guān)技術(shù)的開發(fā)，并已發(fā)現(xiàn)加入石灰石不僅造渣快、提高脫磷反應(yīng)效率，而且局部吸熱會抑制金屬熔體的揮發(fā)，減少揮發(fā)產(chǎn)生的煙塵量。

3.3 在電爐煉鋼中的應(yīng)用

譙明成等［7-9］提出了電弧爐煉鋼全過程石灰石煉鋼工藝，通過控制墊爐底石灰石主成分、塊度、數(shù)量和著爐位置等條件,可以使熔氧期墊爐底石灰石加熱分解與廢鋼鐵加熱熔化兩過程基本同步。墊爐底石灰石的分解貫穿于熔池形成的全過程，其核心是墊底石灰石在爐料熔化過程中逐漸放出CO2氣體及生成活性石灰共同參與鋼液的物理化學(xué)反應(yīng)。該工藝用于普通鋼冶煉，可以降低能耗，節(jié)省電能（精煉時間縮短），降低成本，減輕勞動強(qiáng)度。另外，在減輕環(huán)境污染及便于管理等方面均有明顯的效果。

姜若堯等［8］在Consteel電弧爐的工業(yè)試驗(yàn)中證明，用石灰石代替部分石灰的造渣工藝在滿足煉鋼要求的前提下,可以使電弧爐噸鋼石灰消耗降低23.3 kg,雖然氧氣消耗有所增加，但總體可以達(dá)到降本增效的目的。

3.4 其它方面

作者曾在脫氧實(shí)驗(yàn)中引入了 CaCO3攪拌,將含有CaCO3渣劑包裹層的鋁絲插入鋼水進(jìn)行脫氧，通過調(diào)節(jié)包裹渣劑中的CaCO3配入量來實(shí)現(xiàn)對攪拌強(qiáng)度的調(diào)節(jié)［13,15］。結(jié)果表明，與覆蓋爐渣、直接加鋁相比，加入CaCO3后，脫氧速度明顯加快。圖2為采用與未采用CaCO3的脫氧動力學(xué)曲線，由圖2看出，采用CaCO3后，全氧含量明顯降低。這不僅與 CO2的攪拌促進(jìn)了夾雜物上浮有關(guān)，還與CO2析出時造成反應(yīng)界面擾動促進(jìn)了渣鋼中的傳質(zhì)及夾雜吸附有關(guān)。事實(shí)上，采用該方法時，還可通過調(diào)整插入深度、插入時間等來控制攪拌強(qiáng)度和精煉效果。

圖2 采用與未采用CaCO3的脫氧動力學(xué)曲線Fig.2 Kinetic Curves on Deoxygenation with CaCO3and with No CaCO3

4 石灰石煉鋼的作用機(jī)制分析

“縱觀煉鋼技術(shù)進(jìn)步的歷史，就是攪拌充分應(yīng)用的歷史”，如噴射冶金、轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉、向鋼水吹入惰性氣體精煉等,這些技術(shù)在動力學(xué)方面的共同特點(diǎn)是通過充分?jǐn)嚢?，?shí)現(xiàn)改進(jìn)反應(yīng)動力學(xué)條件的目的。

4.1 CaCO3分解時鋼液的攪拌作用

CaCO3是靠分解產(chǎn)生的CO2實(shí)現(xiàn)對鋼液攪拌的，這就要求其加入熔池的深度必須足夠，因?yàn)槿鄢乇砻娈a(chǎn)生的CO2缺乏足夠的沖擊力將無法對熔池形成有效的攪拌。

在鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹和鋼水噴吹脫硫工藝中，采用了噴射冶金技術(shù)。在噴槍埋入式噴吹時，可以將CaCO3加入到熔池足夠深處，這時氣體生成、膨脹及上浮所產(chǎn)生的攪拌力將遠(yuǎn)大于氣體沖擊熔池表面所產(chǎn)生的攪拌作用。另外，由于CaCO3密度比CaO大，因而向鋼水噴吹過程中，CaCO3粒子容易穿入鋼液。

在電弧爐煉鋼中，采用石灰石作鋪底料時，由于其分解溫度遠(yuǎn)低于廢鋼熔點(diǎn)，鋪底石灰石只需800～850℃便可能分解，也就是說廢鋼熔化之前石灰石就可能已經(jīng)分解。如何實(shí)現(xiàn)對熔池的精煉，石灰石分解和熔池形成的同步是一個問題。熔池形成之前，石灰石分解無攪拌及精煉作用，還會造成額外的能量消耗?，F(xiàn)代電弧爐多采用留鋼操作，石灰石加入會對熔池形成攪拌，但在有鋼水、廢鋼同時存在的情況下將會與轉(zhuǎn)爐冶煉有所不同。采用較大塊度，以便利用廢鋼將其強(qiáng)制壓入熔池?zé)o疑是有利的，同時還應(yīng)保證電弧爐有足夠快的熔化速度，以充分利用石灰石分解生成CO2的攪拌作用。

如要利用石灰石分解的攪拌作用，關(guān)鍵是保證石灰石在熔池內(nèi)部的分解，加入深度和分解速度都將影響其攪拌效果。高溫下，石灰石塊的分解速度將明顯加快。為達(dá)到持續(xù)的攪拌效果，應(yīng)該分批或連續(xù)加入。噴射冶金可以通過調(diào)節(jié)CaCO3的噴入量實(shí)現(xiàn)控制，電弧爐石灰石煉鋼工藝應(yīng)如何控制以保證早成渣和較長的“石灰沸騰”尚需進(jìn)一步探索。

4.2 石灰石分解生成活性CaO的精煉作用

按照石灰的形成機(jī)理，在加熱過程中將先形成多孔的高活性CaO。在進(jìn)一步被加熱時，CaO再結(jié)晶，密度升高，活性降低。在石灰生產(chǎn)中，因生產(chǎn)率等方面的要求，均采用比石灰石分解溫度更高的煅燒溫度，在保證燒透的情況下，勢必會降低外層CaO的活性。

在冶金過程中，最理想的狀況是將新生成的高活性CaO暴露于反應(yīng)前沿，以加速石灰溶解成渣和發(fā)揮其脫硫等精煉作用［1-11］。石灰石加入鋼液后，由于受到強(qiáng)烈的加熱作用,CaCO3激烈分解不但起到了攪拌作用，還會使石灰石表層剝離及碎裂，同時在新生表面生成高活性CaO并迅速與鋼水反應(yīng)。如加入熔池內(nèi)部，由于加入的鐵水或鋼水溫度很高，爆裂將十分強(qiáng)烈，會大大增加其與金屬熔體或爐渣的接觸面積，促進(jìn)成渣及脫磷反應(yīng)。

加入生石灰造渣時，生石灰塊表面會生成一層高熔點(diǎn)的2CaO·SiO2渣殼，成為阻礙生石灰塊溶解和反應(yīng)的限制環(huán)節(jié)，如在生石灰塊內(nèi)部有殘留未分解的CaCO3，則有利于打破渣殼，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行［10-11］。

石灰粒在渣中停留時，其傳熱全部完成的時間比傳質(zhì)完成的時間要短得多，一般前者比后者低3～4個數(shù)量級。因此利用傳熱速度快帶動傳質(zhì)不僅必要而且可能。

4.3 CaCO3分解生成CO2對CaO參與反應(yīng)的促進(jìn)作用

有關(guān)文獻(xiàn)［12-13］認(rèn)為，噴粉脫硫過程加入CaCO3使脫硫效率提高，主要是因?yàn)镃aCO3分解碎裂增大了比表面積，同時放出CO2使氣泡破裂，釋放出氣泡中的脫硫劑。作者認(rèn)為CaCO3分解釋放CO2的過程是一種“爆炸”性的強(qiáng)烈攪拌，且會表現(xiàn)為一種沿載氣氣泡界面垂直方向的擾動，同時這種“爆炸”可以將碎裂的石灰或石灰石顆?！吧淙搿辫F水中，是造成氣泡破裂、強(qiáng)化粉劑與鐵水有效接觸的主要因素。利用石灰對鋼液脫硫時，一般認(rèn)為鋼液中硫含量較高時（ω［S］＞0.08%1 300 ℃）,2CaO·SiO2中的 CaS擴(kuò)散是限制環(huán)節(jié)；硫含量較低時（ω［S］＜0.04%1 300 ℃）會轉(zhuǎn)為鋼液側(cè)擴(kuò)散控制。在前一種情況時，CaCO3分解過程碎裂及噴吹過程氣泡破裂造成脫硫劑釋放可以促進(jìn)脫硫反應(yīng)；在后一種情況下，CO2釋放造成的沿邊界厚度方向的擾動，使噴吹含CaCO3脫硫劑比噴吹CaO更有助于改善鋼液側(cè)的硫擴(kuò)散，從而改善脫硫效果。

對轉(zhuǎn)爐冶煉過程，除4.2中提到的CaCO3分解、石灰石塊爆裂成小顆粒、活性氧化鈣生成、CO2對界面穿透并促進(jìn)石灰溶解等有益作用外，石灰石分解吸熱造成局部溫度降低，也將有利于脫磷反應(yīng)熱力學(xué)條件的改善。

5 石灰石在煉鋼中應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)展望

5.1 對石灰石在噴射冶金中應(yīng)用的再認(rèn)識

噴射冶金技術(shù)由于其反應(yīng)動力學(xué)條件好、反應(yīng)效率高而廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金的鐵水預(yù)處理、爐外精煉中。理論和實(shí)踐表明［12］，在實(shí)際噴射冶金過程中，大量的粉劑顆粒停留在氣泡和金屬界面，或形成團(tuán)聚，所以只有小部分的粉劑顆粒界面和金屬溶液形成了實(shí)質(zhì)性的接觸，也就是說粉劑很大的比表面積這一優(yōu)勢并未得到充分的發(fā)揮。根據(jù)對石灰粉粒的測算,在其平均粒度為0.2 mm時,進(jìn)入的金屬粉粒數(shù)僅占總粉粒數(shù)的3.94%。

分析粉劑顆粒在氣液界面聚集的原因有如下方面：（1）金屬溶液的表面張力很大，克服這一表面張力的影響進(jìn)入金屬溶液要求粉劑顆粒必須有足夠大的動能；（2）在氣泡和金屬溶液界面附近有氣流邊界層存在，阻礙著氣體和粉劑混合流的穿透；（3）顆粒越小，其與氣體間的粘滯力及拖曳力作用越大，其與氣流的分離越困難；（4）流股前沿的氣流反向作用；（5）金屬溶液對粉劑的浮力。4.3中已結(jié)合石灰石的反應(yīng)特征對其在噴射冶金中的促進(jìn)作用進(jìn)行了討論。這里將從粒度控制及其影響兩方面探討石灰石在噴射冶金中的應(yīng)用。

從理論上講，具有一定動能的大顆粒更容易穿透氣液界面而進(jìn)入金屬溶液中。但大顆粒比表面積明顯降低，完全反應(yīng)時間長，且不易實(shí)現(xiàn)流態(tài)化和氣流攜帶，更無法實(shí)現(xiàn)濃相輸送。同時，要想讓大顆粒進(jìn)入金屬溶液一定的深度又必須有足夠高的動能。如何在兩者之間尋求平衡點(diǎn)是技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵［13］。

石灰石顆粒密度大，不粘結(jié)，更容易穿過界面進(jìn)入金屬熔池。且由于其進(jìn)入金屬熔池后爆裂，可以采用較大的粒度而不影響其反應(yīng)性，所以可在噴吹粉劑中加入部分石灰石顆粒，可以增加粉劑對氣液界面的穿透能力，利用其穿透界面的尾渦攜帶粉料顆粒進(jìn)入液相。進(jìn)入金屬溶液后，石灰石顆粒能快速分解，還會產(chǎn)生爆炸性的界面湍動效果，反應(yīng)效果更佳［13］。

可以通過控制粉體粒度組成、石灰石配加量、固氣比等調(diào)節(jié)反應(yīng)效果。

5.2 石灰石加入技術(shù)

（1）石灰石粉底吹或浸入式噴吹

從石灰石效能的有效發(fā)揮方面著手，應(yīng)該盡可能將其加入渣子和金屬溶液深處。為此，在轉(zhuǎn)爐或電弧爐冶煉中，應(yīng)該開發(fā)從爐底加入、并能實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控的技術(shù)。石灰石粉底吹無疑是最佳選擇。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(jìn)CaO的脫磷、脫硫反應(yīng)。

采用浸入式噴吹也可以將石灰石粉劑或顆粒噴入金屬熔池深處，從而有效發(fā)揮其反應(yīng)特性。采用5.1所介紹的混合噴吹技術(shù)，可以將石灰石顆粒的反應(yīng)特性和其它渣料粉劑結(jié)合，更好地發(fā)揮噴射冶金反應(yīng)效率。

（2）石灰石直接加入技術(shù)

采用壓入裝置將石灰石壓入鋼液中，簡便易行，也可以取得同樣的效果。作者曾采用將其它渣料和CaCO3粉包覆在芯棒上壓入鋼水進(jìn)行精煉，通過調(diào)整插入深度、改變渣料中CaCO3的配入比例等方式調(diào)整攪拌強(qiáng)度［13,15］。如能有效解決爐底壽命和安全問題，采用螺旋給料強(qiáng)力從爐底給料通道給入也是一種選擇。

6 石灰石資源的有效開發(fā)與利用

石灰石礦開采、破碎、運(yùn)輸過程中，會產(chǎn)生大量的碎料（可達(dá)20%～40%），由于煅燒生產(chǎn)石灰只能采用塊料，大量的碎料無法利用。轉(zhuǎn)爐冶煉可以采用小粒度的石灰石造渣，粉料可以噴吹，塊料可以煅燒生產(chǎn)石灰，可以實(shí)現(xiàn)開采石灰石的全量利用，減少資源消耗和廢料排放。

另外，我國有大量的爆裂性能不符合煅燒要求的石灰石資源，采用石灰石煉鋼可以充分利用這部分資源，尤其是如果煉鋼企業(yè)附近有這種資源，可以大幅度降低原料成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和市場競爭力［14］。

7 石灰石、CO2利用與減排

7.1 采用石灰石煉鋼的節(jié)能與CO2減排

在過程工程中，只有節(jié)能才能實(shí)現(xiàn)真正的CO2減排。轉(zhuǎn)爐采用石灰石煉鋼的節(jié)能主要是減少了石灰石煅燒過程的無效能耗，同時由于爐渣成渣速度加快，脫磷條件改善，降低了渣量。部分企業(yè)在生產(chǎn)實(shí)踐中采用石灰石等量（質(zhì)量）替代石灰的造渣方案，本身就是減少了渣量，能耗會進(jìn)一步降低。同時由于冶煉時間縮短，熱損也相應(yīng)減少。相關(guān)研究表明［4］，在冷卻劑為廢鋼的情況下，用石灰石替代1 kg石灰，能減排1.29 kg的CO2。

作者認(rèn)為，采用石灰石替代石灰后，省去了石灰煅燒過程的無效能耗，主要是石灰煅燒過程的熱損失和煅后石灰的物理熱，同時爐渣反應(yīng)效率提高后降低了石灰消耗也是一種節(jié)能和減排。以總能耗的節(jié)約折算CO2減排是合理的，認(rèn)為石灰石直接加入后CO2轉(zhuǎn)化為煤氣，沒有導(dǎo)致CO2排放，這一點(diǎn)值得商榷。

雖然石灰石煉鋼沒有直接釋放石灰石中的CO2，而是將其與鐵水中的碳反應(yīng)生成了CO，即轉(zhuǎn)化成了煤氣，似乎沒有產(chǎn)生CO2，但從熱力學(xué)第一定律可以推測，任何將CO2或CO轉(zhuǎn)化為燃料的過程，其實(shí)最終都不會減少CO2排放，僅僅是延遲了排放或轉(zhuǎn)移了排放工序。正如將CO2轉(zhuǎn)化為CO進(jìn)而合成為甲醇，在燃燒后仍然會轉(zhuǎn)化為CO2，它在合成中雖然代替了氫，但在燃燒中，并不等效于氫的放熱，仍然是CO轉(zhuǎn)化為CO2的放熱，最終排出了CO2。從全局來看，只是將甲醇產(chǎn)地的CO2消耗能量轉(zhuǎn)化為CO，挪到了甲醇燃料使用再次轉(zhuǎn)化為CO2排出，如考慮到轉(zhuǎn)化過程能量效率，不僅沒有節(jié)能和減排，而且增加了能耗和排放。煤氣化工序消耗能量，產(chǎn)出的是CO，說其不產(chǎn)生排放明顯是不合理的！

在采用石灰石替代石灰煉鋼后，將節(jié)能導(dǎo)致的CO2減排和石灰石代入的那部分CO2（認(rèn)為其沒有產(chǎn)出CO2）之和作為CO2總減排量是不合理的，會出現(xiàn)重復(fù)計(jì)算而導(dǎo)致減排量虛高。

7.2 CO2返回利用與減排

與石灰石煉鋼的CO2減排測算一樣，將CO2作為反應(yīng)氣體加入轉(zhuǎn)爐也無法產(chǎn)生CO2減排效果，CO2在爐內(nèi)與碳反應(yīng)生成了CO，煤氣燃燒后CO還是轉(zhuǎn)化為了CO2。鋼鐵企業(yè)產(chǎn)出的煤氣主要在企業(yè)內(nèi)部使用，因此企業(yè)整體沒有產(chǎn)生減排效果。如果說有的話，那是因?yàn)槠涓纳屏朔磻?yīng)的動力學(xué)條件，強(qiáng)化了脫磷，減少了渣料消耗和爐渣產(chǎn)出量，帶來間接節(jié)能減排效果。

2［C］+O2=2CO 和［C］+CO2=2CO，表面上看是通過CO2返回利用增大了煤氣產(chǎn)量，但第一個反應(yīng)是放熱反應(yīng)，第二個反應(yīng)卻是吸熱反應(yīng)，實(shí)質(zhì)上，是CO2返回利用后煤氣量增大是以犧牲爐內(nèi)高溫高品質(zhì)熱量為代價(jià)的，不應(yīng)是其一個亮點(diǎn)。如果以此高溫高品質(zhì)熱量多加廢鋼等增加產(chǎn)量，實(shí)際效果應(yīng)比產(chǎn)出的煤氣再利用效果更好。 同7.1所述，認(rèn)為將CO2返回到煉鋼過程，從而減少了CO2排放只是表面現(xiàn)象，實(shí)際上并不會減少排放。

同樣，在鐵水預(yù)處理中采用石灰石粉劑噴吹的節(jié)能減排效果也應(yīng)按照上述方法進(jìn)行測算。

7.3 有感于一些“節(jié)能降耗減排”

我國是一個煤炭大國，只有改變以煤炭為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)，并采用各種新節(jié)能技術(shù)才能真正實(shí)現(xiàn)CO2減排。

（1）簡單將CO2返回到冶煉工序轉(zhuǎn)化為煤氣中的CO無法取得真正的減排效果。

（2）盲目的發(fā)展氫燃料、甲醇燃料等并不會實(shí)現(xiàn)CO2減排。如果這些燃料制備中的氫是通過電解制取，而電能又是靠燃煤發(fā)電的話，僅僅是將城市的CO2排放轉(zhuǎn)移到了偏遠(yuǎn)地區(qū)的發(fā)電廠。不僅沒有減少，反而可能會增加CO2排放。

（3）不同能源的換算中，不計(jì)能源轉(zhuǎn)化中的能耗或轉(zhuǎn)化效率，不能反映出其節(jié)能減排效果。一些以電代氣或以電代煤的項(xiàng)目，直接將煤或煤氣的熱值與消耗的電能直接折算為熱值進(jìn)行比較，說明其節(jié)能及減排效果，甚至宣稱無CO2減排。如結(jié)合發(fā)電中的能量轉(zhuǎn)化效率和CO2排放，其能耗和排放將會大打折扣。能耗評價(jià)體系中，已有相應(yīng)的折算標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該得到廣泛的理解和執(zhí)行。

（4）“開源節(jié)流”才是節(jié)能減排的根本?！伴_源”應(yīng)是開發(fā)綠色能源，發(fā)展水電、風(fēng)電、太陽能和核能，“節(jié)流”是采用一切手段減少能源消耗。改革開發(fā)以來，鋼鐵工業(yè)大力推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，噸鋼能耗由2004年的761 kgce/t降低到了2018年的555.2 kgce/t以下，這才是真正的節(jié)能減排。

（5）對石灰石用于煉鋼的節(jié)能減排效果應(yīng)該理性分析和看待，才能使得該技術(shù)能步穩(wěn)行遠(yuǎn)。

8 結(jié)語

（1）石灰石既是CaO的提供者，又是CO2的攜帶者，如果二者在煉鋼中可同時起到作用，直接利用石灰石煉鋼從理論上是合理的，比采用煅燒石灰有明顯的綜合節(jié)能效果。

（2）石灰石快速分解不僅可使石灰石破碎，而且CO2的強(qiáng)烈攪拌加速生成石灰溶解，改善反應(yīng)動力學(xué)條件，同時分解吸熱也有利于脫磷，從反應(yīng)機(jī)制上也更為合理。這應(yīng)該是石灰石煉鋼的主要優(yōu)勢。

（3）在煉鋼的部分工藝環(huán)節(jié)上直接利用CaCO3已被證明是成功的，CaCO3的吸熱及CO2的氧化性不會給工藝過程帶來不利影響。另外，直接利用CaCO3避免了使用CaO時的吸水問題，便于貯存和粉體輸送。

（4）石灰石煉鋼有利于利用過去無法使用的石灰石資源，如粉料和爆裂性不符合煅燒石灰生產(chǎn)的資源。

（5）石灰石煉鋼應(yīng)關(guān)注、開發(fā)和利用好石灰石反應(yīng)的特性，在石灰石的加入形態(tài)、加入位置（熔池深度）、加入量等方面進(jìn)行優(yōu)化，才能確保最佳的冶金效果。尤其對噴射冶金，應(yīng)充分利用石灰石顆粒的穿透性和爆裂分解時產(chǎn)生的相界面垂直方向的攪拌特性。

（6）對石灰石煉鋼技術(shù)應(yīng)辯證分析，既看到其有利的一面，也應(yīng)注意其反應(yīng)過程吸收熱量大、爐渣泡沫化加劇的問題。

（7）只有真正的節(jié)能才是減排的根本，不應(yīng)簡單地看某工序是否產(chǎn)生或產(chǎn)生了多少CO2。將CO2轉(zhuǎn)化為煤氣中CO的“減排”測算需要推敲，石灰石煉鋼的減排效果也在于此。

（8）石灰石煉鋼工藝的優(yōu)化和進(jìn)一步的技術(shù)開發(fā)仍有大量工作可做，科學(xué)理性地分析、思考和討論有利于該技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步。

攀鋼開發(fā)出系列汽車結(jié)構(gòu)用鋼

近日，攀鋼集團(tuán)研究院與西昌鋼釩、重慶高強(qiáng)合作，通過重新設(shè)計(jì)控軋控冷工藝參數(shù)和熱鍍鋅工藝參數(shù)，完成系列汽車結(jié)構(gòu)用鋼的開發(fā)，成功開發(fā)出熱基鍍鋅鋼板。至此，攀鋼完成了從270 MPa級軟鋼至780 MPa級高強(qiáng)鋼等系列汽車結(jié)構(gòu)用鋼的開發(fā)和測試，形成了4大品種系列，并獲得用戶高度認(rèn)可。

據(jù)了解，熱鍍鋅鋼板包含冷基鍍鋅鋼板和熱基鍍鋅鋼板。國內(nèi)的熱鍍鋅鋼板多是冷基鍍鋅為主，產(chǎn)品厚度在2.0 mm以下。目前，國內(nèi)冷基鍍鋅生產(chǎn)線有300多條，年產(chǎn)量在6 000萬t以上，2006年開始出現(xiàn)產(chǎn)量過剩現(xiàn)象。

以熱軋帶鋼為基板的熱鍍鋅鋼板具有生產(chǎn)成本低、可生產(chǎn)厚規(guī)格2.0～6.0 mm產(chǎn)品等優(yōu)勢，是冷基鍍鋅鋼板很難具備的。在新能源汽車結(jié)構(gòu)件、高端家電外置件、建筑結(jié)構(gòu)件、高速公路護(hù)欄、倉儲等領(lǐng)域，熱基鍍鋅鋼板占有重要位置，正在逐漸取代價(jià)格較高的冷軋鍍鋅板，現(xiàn)階段國內(nèi)僅有極少數(shù)鋼廠可批量生產(chǎn)。熱基鍍鋅鋼板作為冷軋鍍鋅鋼板的替代產(chǎn)品，具有表面質(zhì)量高、力學(xué)性能和成形性能優(yōu)良、生產(chǎn)成本低等顯著特點(diǎn)，受到市場的廣泛關(guān)注。

——摘自“鐵諾咨詢網(wǎng)”