转炉炼钢的物料结构优化

工程科学学报，第38卷，增刊1：70-73,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:70-73,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.012:http://journals.ustb.edu.cn 转炉炼钢的物料结构优化 吕 明2)四，朱荣》，路文刚) 1)西安建筑科技大学治金工程学院，西安7100552)西安建筑科技大学陕西省治金工程技术中心，西安710055 3)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:lvmingsteel(@163.com 摘要利用60转炉研究了采用不同含铁物料及不同比例石灰石炼钢时的钢铁料消耗、氧气消耗量和煤气产生量的变化 规律.研究发现：当采用铁水作为原料，渣钢和块矿作为冷却剂时，钢铁料消耗最低，仅为1072.07kgt:当采用铁水和废钢 作为原料，配有磁选渣铁时，钢铁料消耗最高，达到1092.91kgt:随着石灰石加入量的增加，钢铁料消耗增加，氧耗略有降 低，吨钢煤气产生量增加.研究结果为炼钢过程优化物料结构、降低生产成本提供了新的方法 关键词转炉炼钢：物料结构：石灰石：钢铁料耗 分类号TF729.5 Optimization of material structure in converter steelmaking process LO Ming,ZHU Rong,LU Wen-gang 1)School of Metallurgical Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China 2)Research Center of Metallurgical Engineering Technology of Shaanxi Province,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055, China 3)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:lvmingsteel@163.com ABSTRACT The varying characteristics of steel material consumption,oxygen consumption,and converter gas volume were studied when different ferrous materials and different proportions of limestone were used in 60t converter.The results show that when liquid steel is used as raw material and mixture of slag-steel and lump ore as coolants,the steel material consumption per ton steel is the min- imum (only 1072.07 kg),and when liquid steel and scrap steel are used as raw materials and slag-iron by magnetic separation as coolant,the steel material consumption per ton steel reaches the maximum (1092.91 kg).Meanwhile,with the increase of the amount of limestone,the steel material consumption is increased,the oxygen consumption is slightly decreased,and the gas volume is im- proved.The results will provide a new method for optimizing the material structure and reducing the production cost in steelmaking process KEY WORDS converter steelmaking:material structure:limestone:steel material consumption 转炉炼钢通常采用铁水作为原料，废钢作为冷却 一工序提供成分和温度合格的钢液.在满足钢液成分 剂，石灰作为主要造渣材料，即主要物料结构模式为 和温度的条件下，最大限度地优化炼钢物料结构，降低 “铁水+废钢+石灰”，可满足炼钢过程对钢液成分和 生产成本是至关重要的.因此，若能回收炼钢喷溅物 温度的要求.但转炉作为铁水熔化器，主要是利用吹 或炉渣中金属铁等代替废钢，利用价格低廉的石灰石 氧、造渣等操作实现脱碳、脱磷、升温等治金任务，为下。 代替石灰造渣，有利于优化物料结构，降低转炉治炼 收稿日期：20160106 基金项目：陕西省自然科学基础研究计划-青年人才资助项目(2016JQ5042):国家自然科学基金资助项目(51334001)

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 70--73，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 70--73，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 012; http: / /journals． ustb． edu． cn 转炉炼钢的物料结构优化 吕 明1，2) ，朱 荣3) ，路文刚3) 1) 西安建筑科技大学冶金工程学院，西安 710055 2) 西安建筑科技大学陕西省冶金工程技术中心，西安 710055 3) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: lvmingsteel@ 163． com 摘 要 利用 60 t 转炉研究了采用不同含铁物料及不同比例石灰石炼钢时的钢铁料消耗、氧气消耗量和煤气产生量的变化 规律． 研究发现: 当采用铁水作为原料，渣钢和块矿作为冷却剂时，钢铁料消耗最低，仅为 1072. 07 kg·t － 1 ; 当采用铁水和废钢 作为原料，配有磁选渣铁时，钢铁料消耗最高，达到 1092. 91 kg·t － 1 ; 随着石灰石加入量的增加，钢铁料消耗增加，氧耗略有降 低，吨钢煤气产生量增加． 研究结果为炼钢过程优化物料结构、降低生产成本提供了新的方法． 关键词 转炉炼钢; 物料结构; 石灰石; 钢铁料耗 分类号 TF729. 5 Optimization of material structure in converter steelmaking process L Ming1，2)  ，ZHU Ｒong3) ，LU Wen-gang3) 1) School of Metallurgical Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China 2) Ｒesearch Center of Metallurgical Engineering ＆ Technology of Shaanxi Province，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055， China 3) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: lvmingsteel@ 163． com ABSTＲACT The varying characteristics of steel material consumption，oxygen consumption，and converter gas volume were studied when different ferrous materials and different proportions of limestone were used in 60 t converter． The results show that when liquid steel is used as raw material and mixture of slag-steel and lump ore as coolants，the steel material consumption per ton steel is the min￾imum ( only 1072. 07 kg) ，and when liquid steel and scrap steel are used as raw materials and slag-iron by magnetic separation as coolant，the steel material consumption per ton steel reaches the maximum ( 1092. 91 kg) ． Meanwhile，with the increase of the amount of limestone，the steel material consumption is increased，the oxygen consumption is slightly decreased，and the gas volume is im￾proved． The results will provide a new method for optimizing the material structure and reducing the production cost in steelmaking process． KEY WOＲDS converter steelmaking; material structure; limestone; steel material consumption 收稿日期: 2016--01--06 基金项目: 陕西省自然科学基础研究计划--青年人才资助项目( 2016JQ5042) ; 国家自然科学基金资助项目( 51334001) 转炉炼钢通常采用铁水作为原料，废钢作为冷却 剂，石灰作为主要造渣材料，即主要物料结构模式为 “铁水 + 废钢 + 石灰”，可满足炼钢过程对钢液成分和 温度的要求． 但转炉作为铁水熔化器，主要是利用吹 氧、造渣等操作实现脱碳、脱磷、升温等冶金任务，为下 一工序提供成分和温度合格的钢液． 在满足钢液成分 和温度的条件下，最大限度地优化炼钢物料结构，降低 生产成本是至关重要的． 因此，若能回收炼钢喷溅物 或炉渣中金属铁等代替废钢，利用价格低廉的石灰石 代替石灰造渣，有利于优化物料结构，降低转炉冶炼

吕明等：转炉炼钢的物料结构优化 71 成本 铁等含铁物料作为治炼原料，利用石灰石、石灰作为主 以含铁原料为例：转炉炼钢过程产生的喷溅物主 要造渣材料，利用601转炉分析了不同物料结构对钢 要是炉渣和金属铁，若以7亿转炉钢产量计，吨钢产 铁料消耗、氧气消耗量和煤气产生量的影响，探索优化 生喷溅物为0.8%计算1-四，每年产生的喷溅物约560 转炉炼钢的物料结构，降低生产成本 万：同时炼钢终点炉渣金属铁含量高达5%，若以吨 钢产生炉渣10%计算，我国每年产生的炉渣中金属铁 1实验方案 损失约为350万t,这些金属铁若不回收利用，既造成 本文研究过程中采用的含铁物料包括铁水、废钢、 资源浪费，也不利于后续炉渣的回收利用 块矿、渣钢和磁选渣铁.其中渣钢是转炉炼钢过程中 以造渣材料为例：炼钢造渣采用的石灰经历了 由于喷溅等喷出炉外的钢和炉渣的混合物，为了节约 “高温煅烧一冷却输送一加热造渣”的过程，造成了大 钢铁料，实现资源的高效回收利用，将渣钢回收并重新 量的能量浪费.同时，石灰容易吸水发生水合、碳酸化 加入转炉中作为炼钢原料再次使用：磁选渣铁是利用 反应，降低了石灰活性度，不利于炼钢过程化渣.若能 磁性吸引力将炉渣中铁等富有磁性的物质筛选出来， 将石灰的生产阶段转移至转炉内进行，既有利于降低 作为炼钢原料使用. 生产能耗，也有利于降低成本.文献B6]分析得出石 实验过程中采用不同原料组成以及石灰石和石灰 灰石代替石灰用于炼钢过程是可行的，同时发现利用 配比进行治炼，具体方案如表1所示.其中每组方案 石灰石炼钢可降低炼钢烟尘，产生更多C0气体 均以铁水为原料，同时加入废钢、渣钢、磁选渣铁、块矿 基于此，本文采用铁水、废钢、矿石、渣钢、磁选渣 中的一种或两种含铁物料. 表1实验方案 Table 1 Experimental scheme 方案 配料结构 石灰：石灰石（质量比） 渣钢、块矿、石灰石、石灰 70:30,60:40,35:65,25:75 渣钢、磁选渣铁、石灰石、石灰 65:35,55:45,45:55,35:65 3 废钢、磁选渣铁、石灰石、石灰 70:30,60:40,30:70 块矿、石灰石、石灰 100:0.60:40.0:100 的数据进行统计整合，对相同物料结构和石灰石配比 2实验结果及分析 的数据整理并取平均值，如表2所示.其中：氧气消耗 本次实验采用表1所示的物料优化研究方案，每 量均较低，主要是由于实验采用的铁水碳、硅元素较低 组方案的实验过程中，选择的铁水成分基本一致，本次 导致耗氧量减小：煤气量高主要是由于实验过程根据 实验共采集了189炉次的治炼数据，对所有实验炉次 企业自身需要，回收煤气的热值较低，因此回收量较高。 表2物料优化实验结果 Table 2 Optimization experimental results of material structure 物料消耗/(kgt) 气体消耗量/(Nm3t1) 方案 物料结构 炉数 钢铁料 渣钢 块矿 磁选渣铁氧气 煤气 渣钢+70%石灰+30%石灰石+块矿 1068.5264.42 .14.83 42.77 152.64 23 渣钢+60%石灰+40%石灰石+块矿 1068.1160.38 16.42 41.07 159.42 46 渣钢+35%石灰+65%石灰石+块 1073.5160.06 10.38 40.56 163.33 18 渣钢+25%石灰+75%石灰石+块矿 1078.1253.57 10.74 39.95164.69 渣钢+65%石灰+35%石灰石+磁选渣铁1073.53 54.92 一 21.52 44.48 154.35 9 渣钢+55%石灰+45%石灰石+磁选渣铁 1075.12 54.33 一 21.40 44.07 159.51 9 渣钢+45%石灰+55%石灰石+磁选渣铁 1078.11 53.04 19.16 43.86 164.03 8 渣钢+35%石灰+65%石灰石+磁选渣铁 1076.5264.04 一 12.79 41.80 165.44 12 废钢+70%石灰+30%石灰石+磁选渣铁 1091.52 16.07 44.56152.59 6 废钢+60%石灰+40%石灰石+磁选渣铁 1093.39 一 10.06 43.89 158.37 5 废钢+30%石灰+70%石灰石+磁选渣铁 1095.81 一 6.7742.79174.51 9 100%石灰+块矿 1083.57 21.52 40.54157.21 16 60%石灰+40%石灰石+块矿 1085.85 17.09 41.29 168.98 15 100%石灰石+块矿 1090.83 15.80 42.17183.98 8

吕 明等: 转炉炼钢的物料结构优化 成本． 以含铁原料为例: 转炉炼钢过程产生的喷溅物主 要是炉渣和金属铁，若以 7 亿 t 转炉钢产量计，吨钢产 生喷溅物为 0. 8% 计算［1--2］，每年产生的喷溅物约 560 万 t; 同时炼钢终点炉渣金属铁含量高达 5% ，若以吨 钢产生炉渣 10% 计算，我国每年产生的炉渣中金属铁 损失约为 350 万 t，这些金属铁若不回收利用，既造成 资源浪费，也不利于后续炉渣的回收利用． 以造渣材料为例: 炼 钢 造 渣 采 用 的 石 灰 经 历 了 “高温煅烧—冷却输送—加热造渣”的过程，造成了大 量的能量浪费． 同时，石灰容易吸水发生水合、碳酸化 反应，降低了石灰活性度，不利于炼钢过程化渣． 若能 将石灰的生产阶段转移至转炉内进行，既有利于降低 生产能耗，也有利于降低成本． 文献［3--6］分析得出石 灰石代替石灰用于炼钢过程是可行的，同时发现利用 石灰石炼钢可降低炼钢烟尘，产生更多 CO 气体． 基于此，本文采用铁水、废钢、矿石、渣钢、磁选渣 铁等含铁物料作为冶炼原料，利用石灰石、石灰作为主 要造渣材料，利用 60 t 转炉分析了不同物料结构对钢 铁料消耗、氧气消耗量和煤气产生量的影响，探索优化 转炉炼钢的物料结构，降低生产成本． 1 实验方案 本文研究过程中采用的含铁物料包括铁水、废钢、 块矿、渣钢和磁选渣铁． 其中渣钢是转炉炼钢过程中 由于喷溅等喷出炉外的钢和炉渣的混合物，为了节约 钢铁料，实现资源的高效回收利用，将渣钢回收并重新 加入转炉中作为炼钢原料再次使用; 磁选渣铁是利用 磁性吸引力将炉渣中铁等富有磁性的物质筛选出来， 作为炼钢原料使用． 实验过程中采用不同原料组成以及石灰石和石灰 配比进行冶炼，具体方案如表 1 所示． 其中每组方案 均以铁水为原料，同时加入废钢、渣钢、磁选渣铁、块矿 中的一种或两种含铁物料． 表 1 实验方案 Table 1 Experimental scheme 方案 配料结构 石灰∶ 石灰石( 质量比) 1 渣钢、块矿、石灰石、石灰 70∶ 30，60∶ 40，35∶ 65，25∶ 75 2 渣钢、磁选渣铁、石灰石、石灰 65∶ 35，55∶ 45，45∶ 55，35∶ 65 3 废钢、磁选渣铁、石灰石、石灰 70∶ 30，60∶ 40，30∶ 70 4 块矿、石灰石、石灰 100∶ 0，60∶ 40，0∶ 100 2 实验结果及分析 本次实验采用表 1 所示的物料优化研究方案，每 组方案的实验过程中，选择的铁水成分基本一致，本次 实验共采集了 189 炉次的冶炼数据，对所有实验炉次 的数据进行统计整合，对相同物料结构和石灰石配比 的数据整理并取平均值，如表 2 所示． 其中: 氧气消耗 量均较低，主要是由于实验采用的铁水碳、硅元素较低 导致耗氧量减小; 煤气量高主要是由于实验过程根据 企业自身需要，回收煤气的热值较低，因此回收量较高． 表 2 物料优化实验结果 Table 2 Optimization experimental results of material structure 方案 物料结构 物料消耗/( kg·t － 1 ) 气体消耗量/( Nm3 ·t － 1 ) 钢铁料 渣钢 块矿 磁选渣铁 氧气 煤气 炉数 渣钢 + 70% 石灰 + 30% 石灰石 + 块矿 1068. 52 64. 42 14. 83 — 42. 77 152. 64 23 1 渣钢 + 60% 石灰 + 40% 石灰石 + 块矿 1068. 11 60. 38 16. 42 — 41. 07 159. 42 46 渣钢 + 35% 石灰 + 65% 石灰石 + 块矿 1073. 51 60. 06 10. 38 — 40. 56 163. 33 18 渣钢 + 25% 石灰 + 75% 石灰石 + 块矿 1078. 12 53. 57 10. 74 — 39. 95 164. 69 5 渣钢 + 65% 石灰 + 35% 石灰石 + 磁选渣铁 1073. 53 54. 92 — 21. 52 44. 48 154. 35 9 2 渣钢 + 55% 石灰 + 45% 石灰石 + 磁选渣铁 1075. 12 54. 33 — 21. 40 44. 07 159. 51 9 渣钢 + 45% 石灰 + 55% 石灰石 + 磁选渣铁 1078. 11 53. 04 — 19. 16 43. 86 164. 03 8 渣钢 + 35% 石灰 + 65% 石灰石 + 磁选渣铁 1076. 52 64. 04 — 12. 79 41. 80 165. 44 12 废钢 + 70% 石灰 + 30% 石灰石 + 磁选渣铁 1091. 52 — — 16. 07 44. 56 152. 59 6 3 废钢 + 60% 石灰 + 40% 石灰石 + 磁选渣铁 1093. 39 — — 10. 06 43. 89 158. 37 5 废钢 + 30% 石灰 + 70% 石灰石 + 磁选渣铁 1095. 81 — — 6. 77 42. 79 174. 51 9 100% 石灰 + 块矿 1083. 57 — 21. 52 — 40. 54 157. 21 16 4 60% 石灰 + 40% 石灰石 + 块矿 1085. 85 — 17. 09 — 41. 29 168. 98 15 100% 石灰石 + 块矿 1090. 83 — 15. 80 — 42. 17 183. 98 8 · 17 ·

·72 工程科学学报，第38卷，增刊1 2.1钢铁料消耗分析 石灰，因此采用石灰石炼钢虽然增加了部分钢铁料消 钢铁料消耗主要包括铁水和废钢，不包括加入的 耗，但考虑到块矿、造渣料等加入量的变化，采用石灰 渣钢、磁选渣铁、块矿等含铁物料.在转炉炼钢过程 石炼钢有利于降低冶炼成本. 中，钢铁料消耗成本约占治炼成本的80%.因此，降低 由于渣钢是炼钢过程中的喷溅物，属于资源回收 钢铁料消耗是降低生产成本的关键.对比四种不同物 利用，可提高金属利用率，降低生产成本。渣钢本身含 料结构炼钢时的钢铁料消耗如图1所示 有部分炉渣，相当于对炉渣进行了预熔处理，可促进炼 1100 钢炉渣的形成.而磁选渣铁与造渣材料中的二氧化硅 1095 方案3（废钢+磁选） 和氧化钙等形成低熔点物相，有利于降低炉渣熔点，促 1090 进化渣.因此，渣钢和磁选渣铁具有较高的节能降耗 1085 方案4块矿) 和降低成本的应用价值，在不同企业的炼钢生产过程 方案2（渣钢+磁选）。 中，应根据治炼钢种以及物料价格，综合考虑实际的钢 1075 铁料消耗和生产成本 1070 方案1（流钢+块矿） 1065 2.2氧耗分析 1060 转炉炼钢过程依靠吹氧完成元素的氧化反应，实 1055 现脱磷、脱碳、升温等治炼任务.因此，氧气是治炼过 10S0 0102030405060708090100 程的必需介质.统计对比不同物料结构、不同石灰石 石灰石比例（质量分数% 比例的氧气消耗量如图2所示 图1不同物料结构的钢铁料消耗对比 46 Fig.1 Comparison of steel material consumption at different material structure 方案2（查钢+做选） 方案3（废钢+酸选） 图1中所示的方案1采用铁水作为原料，渣钢和 块矿作为冷却剂，钢铁料消耗最低，不同石灰石比例治 炼时的平均钢铁料消耗为1072.07kgt:方案3采用 40 方案4（块矿） 铁水和废钢作为原料，配有磁选渣铁时，钢铁料消耗最 方案1（渣钢+块矿） 高，不同石灰石比例治炼时平均钢铁料消耗为 1092.91kgt1 结合表2中的含铁物料加入量分析，当采用方 0102030405060708090100 石灰石比例质量分数% 案1治炼时，吨钢加入了59.61kg渣钢和13.09kg块 图2不同物料结构的氧气消耗量对比 矿，渣钢中含有的金属铁珠再次熔化进入钢液，块矿 Fig.2 Comparison of oxygen consumption at different material struc- 中的铁氧化物不但能够提供铁元素，也能提供炼钢 tures 氧化反应所需的氧，渣钢和块矿等含铁物料的回收 利用，均能降低钢铁料消耗：而方案3采用废钢作为 结合表2中氧气消耗量以及物料结构分析，发现 冷却剂，废钢成本较高且已全部计入钢铁料消耗，导 当块矿加入量较大时，由于块矿含有大量的铁氧化物， 致钢铁料消耗增加，同时也会增加炼钢过程的原料 可以向熔池中供氧，因此氧气消耗量较低，如实验炉次 成本. 的方案1和方案4，吨钢氧气消耗量分别为41.09Nm 同时，分析发现随着石灰石比例的增加，钢铁料消 和41.33Nm3方案2和方案3中均加入了磁选渣铁、 耗总体呈增加趋势.以方案1为例，当石灰石比例（质 废钢或渣钢，因废钢、渣钢均不能提供氧，氧气消耗量 量分数)从30%增加至75%时，吨钢石灰石消耗增加 相对较高. 了26.77kg,由于石灰石在高温条件下分解产生Ca0 分析方案1~3，发现随着石灰石比例的增加，吨 和C02,分解过程会消耗大量的热量，因此，吨钢所需 钢氧气消耗量略有下降.由于石灰石在转炉炼钢过程 铁水量增加，导致钢铁料消耗增加了9.6kgt,渣钢 中受热分解，产生了多孔疏松的CaO,活性和比表面积 加入量减少了10.85kgt1,块矿加入量减少了4.09 均比加入的冷石灰高，同时由于石灰石分解会产生 kg't-1 44%的C0,C0,也是一种弱氧化剂，在炼钢过程可参 分析方案4可知，在实验条件下，全部采用石灰石 与碳、硅、锰等铁水元素的氧化反应，产生大量C0气 代替石灰也可满足炼钢要求，当石灰石比例从0增加 体，分解的C0,和反应产生的C0均能促进熔池搅拌反 至100%时，钢铁料消耗增加了7.26kg1,此时吨钢 应.方案4中当石灰石比例从0增加至100%时，块矿 石灰石消耗为52.04kg·1.由于石灰石成本远低于 加入量显著减少，因此氧气消耗增加·

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 2. 1 钢铁料消耗分析 钢铁料消耗主要包括铁水和废钢，不包括加入的 渣钢、磁选渣铁、块矿等含铁物料． 在转炉炼钢过程 中，钢铁料消耗成本约占冶炼成本的 80% ． 因此，降低 钢铁料消耗是降低生产成本的关键． 对比四种不同物 料结构炼钢时的钢铁料消耗如图 1 所示． 图 1 不同物料结构的钢铁料消耗对比 Fig． 1 Comparison of steel material consumption at different material structure 图 1 中所示的方案 1 采用铁水作为原料，渣钢和 块矿作为冷却剂，钢铁料消耗最低，不同石灰石比例冶 炼时的平均钢铁料消耗为 1072. 07 kg·t － 1 ; 方案 3 采用 铁水和废钢作为原料，配有磁选渣铁时，钢铁料消耗最 高，不同石灰石比例冶炼时平均钢铁料消耗为 1092. 91 kg·t － 1 ． 结合表 2 中的含铁物料加入量分析，当 采 用 方 案 1 冶炼时，吨钢加入了 59. 61 kg 渣钢和 13. 09 kg 块 矿，渣钢中含有的金属铁珠再次熔化进入钢液，块矿 中的铁氧化物不但能够提供铁元素，也能提供炼钢 氧化反应所需的氧，渣钢和块矿等含铁物料的回收 利用，均能降低钢铁料消耗; 而方案 3 采用废钢作为 冷却剂，废钢成本较高且已全部计入钢铁料消耗，导 致钢铁料消耗增加，同时也会增加炼钢过程的原料 成本． 同时，分析发现随着石灰石比例的增加，钢铁料消 耗总体呈增加趋势． 以方案 1 为例，当石灰石比例( 质 量分数) 从 30% 增加至 75% 时，吨钢石灰石消耗增加 了 26. 77 kg，由于石灰石在高温条件下分解产生 CaO 和 CO2，分解过程会消耗大量的热量，因此，吨钢所需 铁水量增加，导致钢铁料消耗增加了 9. 6 kg·t － 1，渣钢 加入量减少了 10. 85 kg·t － 1，块矿加入量减少了 4. 09 kg·t － 1 ． 分析方案 4 可知，在实验条件下，全部采用石灰石 代替石灰也可满足炼钢要求，当石灰石比例从 0 增加 至 100% 时，钢铁料消耗增加了 7. 26 kg·t － 1，此时吨钢 石灰石消耗为 52. 04 kg·t － 1 ． 由于石灰石成本远低于 石灰，因此采用石灰石炼钢虽然增加了部分钢铁料消 耗，但考虑到块矿、造渣料等加入量的变化，采用石灰 石炼钢有利于降低冶炼成本． 由于渣钢是炼钢过程中的喷溅物，属于资源回收 利用，可提高金属利用率，降低生产成本． 渣钢本身含 有部分炉渣，相当于对炉渣进行了预熔处理，可促进炼 钢炉渣的形成． 而磁选渣铁与造渣材料中的二氧化硅 和氧化钙等形成低熔点物相，有利于降低炉渣熔点，促 进化渣． 因此，渣钢和磁选渣铁具有较高的节能降耗 和降低成本的应用价值，在不同企业的炼钢生产过程 中，应根据冶炼钢种以及物料价格，综合考虑实际的钢 铁料消耗和生产成本． 2. 2 氧耗分析 转炉炼钢过程依靠吹氧完成元素的氧化反应，实 现脱磷、脱碳、升温等冶炼任务． 因此，氧气是冶炼过 程的必需介质． 统计对比不同物料结构、不同石灰石 比例的氧气消耗量如图 2 所示． 图 2 不同物料结构的氧气消耗量对比 Fig． 2 Comparison of oxygen consumption at different material struc￾tures 结合表 2 中氧气消耗量以及物料结构分析，发现 当块矿加入量较大时，由于块矿含有大量的铁氧化物， 可以向熔池中供氧，因此氧气消耗量较低，如实验炉次 的方案 1 和方案 4，吨钢氧气消耗量分别为 41. 09 Nm3 和 41. 33 Nm3 ． 方案 2 和方案 3 中均加入了磁选渣铁、 废钢或渣钢，因废钢、渣钢均不能提供氧，氧气消耗量 相对较高． 分析方案 1 ～ 3，发现随着石灰石比例的增加，吨 钢氧气消耗量略有下降． 由于石灰石在转炉炼钢过程 中受热分解，产生了多孔疏松的 CaO，活性和比表面积 均比加入的冷石灰高，同时由于石灰石分解会产生 44% 的 CO2，CO2也是一种弱氧化剂，在炼钢过程可参 与碳、硅、锰等铁水元素的氧化反应，产生大量 CO 气 体，分解的 CO2和反应产生的 CO 均能促进熔池搅拌反 应． 方案 4 中当石灰石比例从 0 增加至 100% 时，块矿 加入量显著减少，因此氧气消耗增加． · 27 ·

吕明等：转炉炼钢的物料结构优化 73 2.3煤气量分析 反应，加强熔池搅拌，改善反应的动力学条件：另外，采 转炉煤气是转炉炼钢过程的主要副产物，其物理 用全石灰石节约了煅烧石灰的能耗，可降低生产成本， 热可用于预热回收蒸汽，化学热可用于钢包烘烤等二 具有较好的经济效益和环境效益 次燃烧，因此具有较高的附加值和利用价值.统计对 3 比不同物料结构的煤气量如图3所示 结论 190 本文研究了不同配料结构、不同石灰石比例对钢 185 铁料消耗、氧气消耗以及煤气产生量的影响，取得了以 180 下研究结果： 175 方案4（块矿） (1)当采用铁水作为原料、渣钢和块矿作为冷却 170 方案3（废钢+磁因 剂时，平均钢铁料消耗为1072.07kg1,钢铁料消耗 16 方案2（渣钢+磁选） 最低；当采用铁水和废钢作为原料，配有磁选渣铁时， 16 方案1（渣钢+块矿） 平均钢铁料消耗最高，为1092.91kg1. 155 (2)随着石灰石加入量的增加，钢铁料消耗增加， 150 氧耗略有降低，吨钢煤气产生量增加：同时，加入块矿 145 0102030405060708090100 可以降低氧气消耗量. 石灰石比例质量分数% (3)在本文的研究条件下，最优的物料结构为采 图3不同物料结构的煤气量对比 Fig.3 Comparison of converter gas volume at different material struc- 用铁水作为原料，配有渣钢和块矿的治炼模式，钢铁料 tures 消耗最低，可以大幅度降低生产成本 对比四组不同配料结构对煤气量的影响，发现加 参考文献 入块矿的方案4煤气量最高，达到170.06Nm3t,主 Wang Y Z,Li C Z.Questions and Answcers of Converter Steelmak- 要是由于方案4吨钢消耗的铁水量较大，铁水中的碳 ing.1st Ed.Beijing:Metallurgical Industry Press,2003 元素较多，碳氧化产生C0和C02,因此煤气量增加. (王雅贞，李承祚.转炉炼钢问答.1版.北京：治金工业出版 对比每组中不同石灰石比例对煤气量的影响，发 社，2003) 现随着石灰石比例的增加，吨钢煤气产生量也会随之 [2]Wang S Z,Li W S,Lv Y.Control and preventive measures for preventing splash in the steelmaking in Angang.Henan Metall. 增大，方案4中的石灰石加入比例从0增加至100% 2009,17(4):32 时，煤气量增加了26.77Nm3t1.在炼钢过程中，加入 (王三忠，李文山，吕亚.转炉炼钢喷溅的控制及预防措施 的石灰石在炼钢温度下迅速分解为Ca0和CO2,Ca0 河南治金，2009,17(4)：32) 参与炼钢过程造渣形成低熔点复杂氧化物，分解出的 B] Deng T F,Nortier P,Mattias E,et al.Limestone dissolution in C02一部分作为弱氧化剂参与铁水元素的氧化反应生 converter slag at 1873 K.Metall.Mater.Trans.B,2013,44 成C0,一部分直接进入炉气中，会增加吨钢煤气量. (1):98 2.4转炉炼钢的最优物料结构分析 [4]Li H,Guo L F,Li Z Q,et al.Research of low-carbon mode and on limestone addition instead of lime in the BOF steelmaking. 基于以上分析，发现在本文的研究条件下，最优的 Iron Steel Res Int,2010.17(s2):23 物料结构应选取方案1，即采用铁水作为原料、配有渣 [5] Tian ZG,Tang W,Pan X Q.Application analysis of substituting 钢和块矿的治炼模式，钢铁料消耗最低，可以大幅度降 limestone for some limes in BOF.Met Mater Metall Eng,2012, 低生产成本.渣钢是一种回收再利用资源，含有渣钢 40(3):31 的配料也可以降低生产成本.块矿属于炼钢过程中的 (田志国，汤伟，潘锡泉.氧气转炉采用石灰石替代部分石灰 冷却剂、化渣剂和氧化剂，可以起到平衡富余热量、促 治炼的应用分析.金属材料与治金工程，2012,40(3)：31) 进化渣和降低氧耗的作用. 6]Qin D P,Yang J P,Wei S H,et al.Analysis and process prac- tice on steelmaking technology of 100t top-blown oxygen converter 方案4中采用全石灰石治炼可以降低氧耗，提高 by limestone for slag making.Spec Steel,2014,35(5):34 吨钢煤气量，回收的煤气可以发电，也可降低生产成 (秦登平，杨建平，危尚好，等.100：顶吹氧气转炉石灰石造 本.由于石灰石分解产生C02,C02也可和熔池中的C 渣炼钢技术的分析和工艺实践.特殊钢，2014,35(5)：34)

吕 明等: 转炉炼钢的物料结构优化 2. 3 煤气量分析 转炉煤气是转炉炼钢过程的主要副产物，其物理 热可用于预热回收蒸汽，化学热可用于钢包烘烤等二 次燃烧，因此具有较高的附加值和利用价值． 统计对 比不同物料结构的煤气量如图 3 所示． 图 3 不同物料结构的煤气量对比 Fig． 3 Comparison of converter gas volume at different material struc￾tures 对比四组不同配料结构对煤气量的影响，发现加 入块矿的方案 4 煤气量最高，达到 170. 06 Nm3 ·t － 1，主 要是由于方案 4 吨钢消耗的铁水量较大，铁水中的碳 元素较多，碳氧化产生 CO 和 CO2，因此煤气量增加． 对比每组中不同石灰石比例对煤气量的影响，发 现随着石灰石比例的增加，吨钢煤气产生量也会随之 增大，方案 4 中的石灰石加入比例从 0 增加至 100% 时，煤气量增加了 26. 77 Nm3 ·t － 1 ． 在炼钢过程中，加入 的石灰石在炼钢温度下迅速分解为 CaO 和 CO2，CaO 参与炼钢过程造渣形成低熔点复杂氧化物，分解出的 CO2一部分作为弱氧化剂参与铁水元素的氧化反应生 成 CO，一部分直接进入炉气中，会增加吨钢煤气量． 2. 4 转炉炼钢的最优物料结构分析 基于以上分析，发现在本文的研究条件下，最优的 物料结构应选取方案 1，即采用铁水作为原料、配有渣 钢和块矿的冶炼模式，钢铁料消耗最低，可以大幅度降 低生产成本． 渣钢是一种回收再利用资源，含有渣钢 的配料也可以降低生产成本． 块矿属于炼钢过程中的 冷却剂、化渣剂和氧化剂，可以起到平衡富余热量、促 进化渣和降低氧耗的作用． 方案 4 中采用全石灰石冶炼可以降低氧耗，提高 吨钢煤气量，回收的煤气可以发电，也可降低生产成 本． 由于石灰石分解产生 CO2，CO2也可和熔池中的 C 反应，加强熔池搅拌，改善反应的动力学条件; 另外，采 用全石灰石节约了煅烧石灰的能耗，可降低生产成本， 具有较好的经济效益和环境效益． 3 结论 本文研究了不同配料结构、不同石灰石比例对钢 铁料消耗、氧气消耗以及煤气产生量的影响，取得了以 下研究结果: ( 1) 当采用铁水作为原料、渣钢和块矿作为冷却 剂时，平均钢铁料消耗为 1072. 07 kg·t － 1，钢铁料消耗 最低; 当采用铁水和废钢作为原料，配有磁选渣铁时， 平均钢铁料消耗最高，为 1092. 91 kg·t － 1 ． ( 2) 随着石灰石加入量的增加，钢铁料消耗增加， 氧耗略有降低，吨钢煤气产生量增加; 同时，加入块矿 可以降低氧气消耗量． ( 3) 在本文的研究条件下，最优的物料结构为采 用铁水作为原料，配有渣钢和块矿的冶炼模式，钢铁料 消耗最低，可以大幅度降低生产成本． 参 考 文 献 ［1］ Wang Y Z，Li C Z． Questions and Answers of Converter Steelmak￾ing． 1st Ed． Beijing: Metallurgical Industry Press，2003 ( 王雅贞，李承祚． 转炉炼钢问答． 1 版． 北京: 冶金工业出版 社，2003) ［2］ Wang S Z，Li W S，Lv Y． Control and preventive measures for preventing splash in the steelmaking in Angang． Henan Metall． ， 2009，17( 4) : 32 ( 王三忠，李文山，吕亚． 转炉炼钢喷溅的控制及预防措施． 河南冶金，2009，17( 4) : 32) ［3］ Deng T F，Nortier P，Mattias E，et al． Limestone dissolution in converter slag at 1873 K． Metall． Mater． Trans． B，2013，44 ( 1) : 98 ［4］ Li H，Guo L F，Li Z Q，et al． Ｒesearch of low-carbon mode and on limestone addition instead of lime in the BOF steelmaking． J Iron Steel Ｒes Int，2010，17( s2) : 23 ［5］ Tian Z G，Tang W，Pan X Q． Application analysis of substituting limestone for some limes in BOF． Met Mater Metall Eng，2012， 40( 3) : 31 ( 田志国，汤伟，潘锡泉． 氧气转炉采用石灰石替代部分石灰 冶炼的应用分析． 金属材料与冶金工程，2012，40( 3) : 31) ［6］ Qin D P，Yang J P，Wei S H，et al． Analysis and process prac￾tice on steelmaking technology of 100 t top-blown oxygen converter by limestone for slag making． Spec Steel，2014，35( 5) : 34 ( 秦登平，杨建平，危尚好，等． 100 t 顶吹氧气转炉石灰石造 渣炼钢技术的分析和工艺实践． 特殊钢，2014，35( 5) : 34) · 37 ·