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《东北大学》 2015年
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石灰石用于转炉炼钢的基础研究

唐彪  
【摘要】:转炉用石灰石代替部分石灰炼钢是一项现代钢铁生产新工艺,并可为节能减排、降低冶炼成本提供一条重要途径。该工艺使用石灰石替代石灰,可高效利用转炉热量,减少废钢消耗,提高冶炼的经济性,同时降低全流程CO_2排放。然而,该工艺目前存在化渣不好及脱磷率不高等问题。因此,有必要对转炉用石灰石造渣炼钢所涉及的基础问题进行深入研究,为此项工艺技术的开发完善和应用奠定基础。针对转炉用石灰石造渣炼钢工艺,主要通过物料和热量平衡计算、高温实验、石灰石分解动力学分析以及水模型实验等手段进行研究。基于反应的吉布斯自由能变化,建立了 CO_2与熔池易氧化元素的分配模型,进行转炉炼钢用石灰石造渣的物料平衡和热平衡分析,探讨了石灰石代替石灰的可行性,并确定了实验室条件下石灰石的最大替代比。针对向炉渣内添加块状石灰石可能存在的问题,提出并研究了向铁水中喷吹粉粒状石灰石的方法。利用管式高温炉考察了石灰石在转炉温度条件下分解产物的活性变化,明确了温度和时间对活性的影响规律。采用旋转柱体试样法研究了石灰石在转炉渣和铁水中的分解行为,并确定了温度和转速对分解层厚度的影响规律。建立了石灰石分解动力学模型,对石灰石分解的限制环节进行系统分析,并利用动力学实验数据确定了相应的宏观动力学参数,用以预测分解过程中石灰石的转化率。基于相似理论,建立了几何比为1:6的转炉物理模型,考察了利用顶枪和底枪喷吹粉粒状石灰石条件下,熔池均混时间、颗粒穿透比和颗粒分布,并确定了最佳工艺参数。本文所得主要结论如下。(1)转炉内的温度和热量可以满足石灰石分解的需要。石灰石分解产生的CO_2可以代替部分氧气。在本研究条件下,石灰石的最大替代比约为70%,可降低冶炼成本约37元/t。(2)粒径和煅烧温度是影响煅烧后石灰活性的主要因素。本自然气氛下,不同粒径石灰石在不同温度煅烧不同时间时,生产石灰的活性度不同。转炉温度下煅烧石灰石,可以显著降低石灰完全煅烧所需要的时间,在1300℃时,粒径为0.03m石灰石可以在14min内完成煅烧。(3)旋转石灰石试样在转炉渣和铁水中分解时,分解层厚度随时间逐渐增加。温度是影响石灰石分解的主要因素,温度越高分解越快,转速对石灰石分解基本无影响。石灰石在铁水中分解时,分解后的石灰石横截面存在三个区域,分别是有铁元素渗入的反应区、分解生成的生石灰区和未反应的石灰石区。相对于石灰石在转炉渣中的分解,在相同温度条件下,石灰石在铁水中完全分解时间相对较短。考虑转炉冶炼时间,加入转炉的石灰石最大粒径为0.02~0.024m。(4)柱状石灰石在转炉渣和铁水中分解符合未反应核模型。石灰石在转炉渣和铁水中分解时,反应界面的温度高于石灰石分解的临界温度。产物层的传热过程和CO_2的迁移过程共同决定了石灰石分解速率。石灰石在转炉渣中分解时会产生抑制CO_2向外迁移的硅酸二钙(2CaO·SiO_2)层,CO_2将会在反应界面积累,导致较高的反应界面温度。在铁水中硅酸二钙(2CaO·SiO_2)层影响小,相比在渣中,有更快的反应速率和较低的反应界面温度。(5)顶枪喷吹和底枪喷吹时,随着固气比的增加,颗粒的穿透比随之增大;在相同的固气比条件下,穿透比随颗粒粒度的增大而增大。顶枪喷吹粉时的颗粒穿透比大于底枪喷吹。底枪喷吹时,颗粒可以更快地均匀分布在熔池。在本实验的条件下,最佳的操作参数组合为:底吹气量1.96 Nm~3·h~(-1),枪位258 mm,固气比30~40,颗粒粒度2.12×10~(-4)~3.8×10~(-4)m;对应于转炉原型的参数组合为:底吹气量450 Nm~3·h~(-1),枪位1550mm,固气比30-40。石灰石以粉粒状形式通过喷吹加入时,适宜的粒度为(1~5)×10~(-3)m。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TF713

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