轉爐用石灰石代活性石灰煉鋼工藝的工業應用研究

活性石灰是路橋精煉中最重要的成礦材料之一。目前，轉爐中使用的活性石灰主要是在1050200c下制成的，然后將冷卻后的石灰送到鋼渣中作為成礦材料。這種流程一方面損失了石灰煅燒后的高溫物理熱,另一方面煅燒石灰需要消耗煤氣及煤氣燃燒排放CO2。因此,傳統的煅燒石灰-轉爐煉鋼工藝不符合當今低碳與節能的要求。能否用石灰石直接替代活性石灰煉鋼一直是煉鋼工作者思考和探索的課題之一。事實上,早在20世紀80年代末、90年代初,成都無縫鋼管廠和昆明鋼鐵廠就成功開發出用石灰石代替活性石灰的電爐煉鋼工藝。近年來,也有學者申請了在轉爐上用石灰石代替活性石灰煉鋼的專利技術,并開展了初步的工業應用試驗。由于轉爐溫度高,煉鋼溫度下在線煅燒出的石灰是否具有足夠高的活性參與造渣,這是關于到轉爐用石灰石代替活性石灰煉鋼方法能否推廣的關鍵。針對這一疑問,課題組自2009年3月至2010年9月在實驗室開展了研究工作,目的是在模擬轉爐濺渣護爐結束后將石灰石從高位料倉加入轉爐,利用轉爐余熱高溫快速煅燒石灰這一條件下,探明煅燒石灰的活性度變化規律,為石灰石代替活性石灰轉爐煉鋼工藝的推廣奠定基礎。1試驗與研究方法1.1活性石灰的煅燒工藝煉鋼過程中石灰參與造渣反應的能力通常用其“活性度”來表示。一般而言,按YB/T105—2005冶金石灰物理檢驗方法測定的活性度大于等于300mL(4N-HCl)的石灰稱為活性石灰。活性石灰需要在1050～1200℃時煅燒而成,而轉爐出鋼-濺渣后爐內溫度高達1300～1400℃,這一溫度遠高于豎窯或回轉窯煅燒活性石灰的溫度。轉爐濺渣結束后從高位料倉加入石灰石,然后依次完成搖爐加廢鋼、兌鐵水、搖爐至正位、加其它渣料后下氧槍開吹。這一過程的工序約5～8min,這一時間又遠小于豎窯或回轉窯煅燒活性石灰的時間。因此,轉爐余熱在線煅燒石灰是一種高溫快速煅燒方法,而石灰的這種高溫快速煅燒不適宜在現有的工業煅燒窯爐條件下進行試驗,也未見實驗室研究的相關文獻報道。1.2灰石顆粒試樣和網粉質分析將大塊石灰石破碎分級,得到12～15mm石灰石顆粒試樣和0～0.5mm石灰石破碎粉,后者用0.5%水玻璃做粘結劑壓制成Φ20mm×25mm圓柱狀試樣。石灰石化學成分見表1。1.3石灰活性測定實驗室石灰石煅燒是在具有快速升溫功能的25kVA高溫碳管爐內進行,將石墨坩堝放入爐內隨爐升溫,爐子在氮氣保護下升溫到指定溫度后,將150g石灰石試樣一次性加入到石墨坩堝內,恒溫煅燒規定時間后,將石墨坩堝連同燒好的石灰快速取出,當石灰溫度降低至室溫后,立即測定其活性度。本試驗煅燒溫度設定為1250～1400℃,恒溫煅燒時間設定為3～17min。1.4表面膜的布置根據YB/T105—2005冶金石灰物理檢驗方法,將煅燒好的石灰破碎篩分,得到粒度為1～5mm的石灰試樣,稱取其中50.0g置于表面皿中。量取稍高于40℃的水2000mL倒入容量為3000mL的燒杯中,開動攪拌儀并用溫度計測量水溫,待水溫降到(40±1)℃時加入酚酞指示劑8～10滴,并將表面皿中的試樣一次性倒入水中消化,同時開始計時。當消化開始,燒杯中的水呈紅色時,用4mol/L鹽酸滴定,一直保持溶液直至紅色剛剛消失,記錄恰好到第10min時消耗鹽酸的毫升數,即為石灰的活性度。2試驗結果及分析2.1燃燒溫度和燃燒時間對工作效率的影響2.1.1煅燒石灰活性度在大氣中CaCO3于530℃開始分解,當溫度達到900～925℃時,CaCO3分解壓達到0.1MPa,開始劇烈分解。因此,在試驗條件下,當石灰石試樣加入到1250～1400℃高溫爐內時,石灰石由表及里開始劇烈分解。圖1為石灰石顆粒試樣在不同煅燒溫度下煅燒石灰的活性度。從圖1可見,煅燒時間為7min時,石灰活性度隨煅燒溫度升高而增加,當煅燒溫度高于1300℃后,石灰活性度大于320mL,達到YB/T042—2004一級普通冶金石灰的活性度。煅燒時間為12min時,1300℃煅燒的石灰活性度最高;當煅燒溫度升高到1350℃時,石灰活性度有所下降,但仍然達到特級普通冶金石灰的活性度;煅燒溫度繼續升高到1400℃時,石灰活性度明顯下降,表明存在過燒現象。2.1.2煅燒石灰活性圖2為石灰石顆粒樣在高溫下煅燒的石灰活性度隨煅燒時間的變化規律。由圖2可見,在1400℃煅燒7min,石灰活性度達到最高值,隨著煅燒時間延長,石灰活性度迅速下降;在1300℃和1350℃煅燒時,超過12min后石灰活性度開始下降;在1250℃煅燒時,石灰活性度隨煅燒時間延長繼續增大。石灰石分解反應是強吸熱反應,在試驗條件下,石灰石顆粒吸收的熱量通過擴散傳熱逐漸向顆粒中心傳導,達到石灰石快速分解溫度。因此,在整個傳熱和分解過程中,石灰石顆粒表面首先快速分解,隨著分解溫度升高和煅燒時間的延長,表層石灰的晶粒開始長大,形成低活性的過燒層。煅燒溫度越高,石灰的死燒傾向越大,活性度也就越低。而在較低煅燒溫度(1250℃)下,石灰石分解速度相對較小,隨著煅燒時間延長,石灰石分解充分,石灰活性度逐漸增大。2.2煅燒石灰活性度的變化規律石灰石在破碎過程中會產生很多碎粉,通常將其棄置,為了充分利用這一廢棄資源,可以將這種碎粉進一步破碎后壓制成塊加以利用。為了研究石灰石壓塊高溫煅燒石灰的活性,將0～0.5mm石灰石碎粉加0.5%水玻璃后壓制成Φ20mm×25mm圓柱狀試樣。圓柱狀試樣在120℃烘干后按上述方法在碳管爐內高溫煅燒,并測定石灰的活性度。試驗結果見圖3。比較圖3和圖2可以發現,用石灰石碎粉壓制的圓柱試樣高溫煅燒石灰的活性度變化規律與用12～15mm石灰石顆粒高溫煅燒石灰的活性度變化規律基本一致。則是在相同煅燒溫度和煅燒時間下,用圓柱試樣煅燒的石灰的活性度稍低于用顆粒試樣煅燒的石灰的活性度。這可能與試樣尺寸有關,因為圓柱試樣尺寸較顆粒試樣尺寸大許多;圓柱試樣內部導熱時間長,分解相對緩慢。圖4比較了2種試樣在1300℃和1400℃煅燒后石灰的活性度變化。可以看出,1300℃煅燒時,2種試樣在煅燒12min時得到的石灰具有最高活性,活性度達到400mL左右;煅燒時間超過12min后,石灰活性緩慢下降;當煅燒溫度為1400℃時,煅燒時間超過7min后,兩種試樣的活性度都明顯下降,煅燒17min時兩種試樣的活性降到最低。這一現象表明試樣在高溫煅燒過程中同時發生CaCO3的分解反應和新生成的CaO的晶粒長大;升高溫度能加速CaCO3的分解,同時更快加速CaO晶粒的長大,使石灰活性大幅度下降。在1400℃煅燒時,由細粉料壓制成的圓柱試樣比顆粒試樣更容易死燒,但只要煅燒時間不超過7min,仍然能達到活性石灰的活性度要求。2.3鋼-濺渣后爐內殘余煅燒石灰的可行性目前,轉爐煉鋼使用的活性石灰主要來自企業自產或外購,從石灰出窯到進入轉爐歷時較長,石灰的活性也因吸潮及碳酸化而下降。因此,轉爐使用的石灰質量波動較大,往往達不到YB/T042—2004一級冶金石灰的質量要求(w(CaO)=90%,活性度320mL)。從本文研究的結果看,高溫下(1350～1400℃)較長時間煅燒,石灰的活性確實會下降,但即使在1400℃下,只要煅燒時間不超過12min,石灰的活性度仍然高于320mL。因此,利用轉爐出鋼-濺渣后爐內余熱煅燒石灰,實現石灰石代替活性石灰的轉爐煉鋼方法是可行的。在實際應用時,應針對轉爐爐容選擇適宜的石灰石顆粒尺寸和石灰石替代石灰的比例,避免石灰芯部生燒或表面過燒。3煅燒灰渣的活性度在實驗室試驗條件下通過模擬轉爐余熱在線高溫快速煅燒石灰的條件,研究了煅燒溫度、高溫煅燒時間、試樣顆粒尺寸等因素對石灰活性度的影響規律。研究表明:1)高溫快速煅燒條件下,煅燒溫度和煅燒時間都對石灰活性度產生重要影響。當煅燒時間較短時(3～7min),提高煅燒溫度能迅速提高石灰的活性度;當煅燒時間超過12min后,高溫下(1400℃)分解出的石灰開始過燒,活性度明顯下降。2)當煅燒溫度大于等于1300℃時,煅燒時間超過7～12min后,均存在不同程度的石灰過燒現象;煅燒溫度越高,石灰過燒越嚴重。在轉爐余熱工序時間(約5～8min)內,在1