一种转炉快速造渣用部分煅烧石灰石及其制备方法
阅读说明：本技术 一种转炉快速造渣用部分煅烧石灰石及其制备方法 (Partially calcined limestone for rapid slagging of converter and preparation method thereof ) 是由 李光强 刘昱 田雨丰 李腾飞 陈牒斌 黄世辉 于 2021-02-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种转炉快速造渣用部分煅烧石灰石及其制备方法,制备的部分煅烧石灰石的表层石灰层为高活性石灰,内层核心成分为碳酸钙。制备方法为以含碳酸钙石灰石为原料,经破碎、清洗和筛选,得到15～20mm的块状石灰石,在200～300℃加热炉内保温2～3h后,在3～6转/min的回转窑内,800～900℃煅烧0.5～0.8h制得部分煅烧石灰石。在转炉中应用制备的部分煅烧石灰石造渣,溶解过程避开了直接用石灰石造渣时溶解初期存在的停滞阶段,初期溶解速率更快；且当CO-2残余量在质量％为25～30时分解需要的热量减小32％以上,利于维持转炉热平衡,应用部分煅烧石灰石造渣使用范围可扩大到生产碳含量更高的钢种。(The invention relates to partially calcined limestone for quick slagging of a converter and a preparation method thereof. The preparation method comprises the steps of taking calcium carbonate-containing limestone as a raw material, crushing, cleaning and screening to obtain 15-20 mm blocky limestone, keeping the temperature in a heating furnace at 200-300 ℃ for 2-3 h, and calcining in a rotary kiln at 3-6 r/min at 800-900 ℃ for 0.5-0.8 h to obtain partially calcined limestone. The prepared partially calcined limestone is applied to the converter for slagging, so that a stagnation stage existing in the initial dissolution stage when the limestone is directly used for slagging is avoided in the dissolution process, and the initial dissolution rate is higher; and when CO is present 2 When the residual amount is 25-30% by mass, the heat required for decomposition is reduced by more than 32%, the heat balance of the converter is favorably maintained, and the application range of partial calcined limestone slagging can be expanded to produce steel with higher carbon content.)
技术领域
本发明涉及一种转炉快速造渣用部分煅烧石灰石及其制备方法，属于转炉炼钢过程用的造渣技术领域。
背景技术
在转炉炼钢过程中，要实现在早期大量脱磷的目的，就要求快速造出具有一定碱度和氧化性、流动性良好的熔渣。百年来，传统的方法为用煅烧过的纯石灰造渣，石灰是转炉炼钢的主要造渣剂，它是由石灰石在一定条件下烧制而成。
提高石灰活性对加快石灰在转炉渣中的溶解有利，但作用有限。由于石灰在转炉渣中溶解的过程表面会形成硅酸钙隔离层，严重阻碍溶解过程中的传质，因此要加速石灰在转炉渣中的溶解主要有两种措施，一是减小块状石灰的尺寸，从而缩短石灰溶解过程中的传质距离，但是石灰尺寸过小会被转炉内逆向流动的气体所带走，导致石灰的布料损失。另一种措施就是破坏石灰表面形成的硅酸钙隔离层，如使用石灰石代替石灰造渣，通过石灰石分解过程中产生的CO2破坏石灰表面硅酸盐层，进而提高石灰溶解速率。
因此，近十来年不断地有专业人员提出采用块状石灰石代替煅烧过的石灰造渣的技术，石灰石直接投入转炉后利用转炉内高温铁水有一个急速升温煅烧的过程，块状石灰石快速分解成为石灰和产生大量气体，满足转炉造渣脱磷的条件，而且大量气体的形成改善了动力学条件。如中国知识产权局在2012年公开的“一种顶底复吹转炉用部分石灰石代替石灰造渣的方法”，申请号为201210139432.1，及“在顶底复吹转炉半钢炼钢中使用石灰石造渣炼钢的方法”，申请号为201910308981.9；上述的技术均为在炼钢中直接使用石灰石造渣。但是近几年的实践，发现石灰石代替石灰同样也存在一些不足，由于石灰石的溶解过程首先要经历分解过程，石灰石分解属于吸热反应，且转炉初期炉温相对较低，因此石灰石在溶解过程的初期会出现持续一段时间的停滞阶段，以至于石灰石初期溶解速率慢。更为重要的是石灰石分解过程大量吸热会影响转炉冶炼过程的热平衡，需要消耗钢液中更多的碳来发热，这就使得直接投入石灰石造渣的方法只适用于冶炼碳含量低的钢种，在转炉熔池富余热量有限的情况下，石灰石加入量过大，也会影响到其他造渣剂的合理加入量。
发明内容
本发明的目的旨在克服上述传统采用石灰造渣的技术及近些年采用石灰石代替石灰造渣的技术存在的缺陷，而提供一种转炉快速造渣用部分煅烧石灰石及其制备方法，且本发明所提供的制备方法简单，易操作，制备过程更加节能环保；所制备的部分煅烧石灰石能保持其表层石灰层的最高活性及显气孔率；使用时，在转炉渣中的溶解过程热量消耗更少，溶解速率更快，更有利于维持转炉热平衡，能保证炉况和满足转炉终点温度要求，且使用范围可扩大到生产碳含量更高的钢种。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种转炉快速造渣用部分煅烧石灰石，所述的部分煅烧的石灰石是以质量百分比大于98.8碳酸钙的石灰石原料经过部分煅烧，表层已分解成表层石灰层，成分为多孔的活性氧化钙，内层核心依然为未反应核石灰石，成分为碳酸钙；表层石灰层的显气孔率为38.88％～52.5％。
所述的部分煅烧石灰石在转炉造渣过程中石灰石核发生分解反应：CaCO3＝CaO+CO2，当CO2残余量在质量百分比为25～30时，逸出的CO2用于去除石灰石溶解过程表面硅酸钙隔离层，加快石灰石溶解。
本发明还提供一种上述转炉快速造渣用部分煅烧石灰石的制备方法，所述制备方法的步骤是：
第一步、以质量百分比含量大于98.8碳酸钙的石灰石为原料，用破碎机进行一级破碎，得到粒度为50～100mm的石灰石，再进行二级破碎，得到粒度为15～20mm的石灰石；
第二步、使用洗石机清洗上述二级破碎后的石灰石，然后通过振动筛进行分级，筛分得到粒径为15～20mm的块状石灰石；
第三步、将第二步预处理好的块状石灰石放在加热炉内，在200～300℃条件下保温2～3h进行预热以去除水分；
第四步、将去除水分后的石灰石放入800～900℃的回转窑中0.5～0.8h，回转窑的转速控制在3～6转/min，制得部分煅烧石灰石。
本发明的转炉快速造渣用部分煅烧石灰石及其制备方法与现有的技术相比具有的优点是：
⑴、本发明的转炉快速造渣用部分煅烧石灰石的制备方法与使用传统石灰的煅烧工艺相比，利用本发明方法所制备的造渣用部分煅烧石灰石可以减少石灰石在石灰窑中的煅烧时间，从而也能减小煅烧过程中的能源消耗及CO2排放，同时也能尽可能保持表面石灰的最高活性。而传统石灰需要完全煅烧，当石灰内部煅烧完成，其表面已经过烧、活性度降低。
⑵、本发明的转炉快速造渣用部分煅烧石灰石及其制备方法与传统制备的石灰相比，利用本发明方法所制备的部分煅烧石灰石造渣由于其表面石灰保持高活性，可以加快其在转炉渣中的溶解速率，并且在其含有质量百分比为25～30的二氧化碳时，逸出的CO2可以破坏表面石灰溶解过程中形成的硅酸钙隔离层，因此也能保证其后期溶解速率不受影响，从而可大幅提高整个造渣过程的溶解速率。
⑶、本发明的转炉快速造渣用部分煅烧石灰石及其制备方法与直接在转炉中投入石灰石相比，由于部分煅烧石灰石其表层是已经分解且保持高活性的石灰，显气孔率高达38.88～52.5％，从而其在转炉渣中溶解的过程中避开了石灰石溶解过程的初期所经历的停滞阶段，初期溶解速率更快。其残余的二氧化碳质量百分比为25～30时，分解需要的热量也减小32％以上，对维持转炉热平衡更为有利，因而使用本发明的部分煅烧石灰石造渣，使用范围可以扩大到生产碳含量更高的钢种。
附图说明
图1为本发明制备的部分煅烧石灰石的结构示意图。
图2为本发明制备部分煅烧石灰石的原料石灰石的TG-DSC曲线图。
图3为部分煅烧石灰石表面石灰层SEM图。
图4为本发明制备的部分煅烧石灰石具体步骤方框图。
图5为石灰、石灰石以及本发明的部分煅烧石灰石在转炉渣中的溶解速率曲线。
图6为采用传统石灰在转炉渣溶解3min时渣/石灰界面显微结构的SEM图。
图7为用传统石灰在转炉渣溶解3min时渣/石灰界面显微结构的EDS面扫描图片。
图8为采用石灰石在转炉渣溶解3min时渣/石灰界面显微结构的SEM图。
图9为采用本发明部分煅烧石灰石在转炉渣溶解3min时CaO-FeO层/石灰界面显微结构的SEM图。
上述图中：1—表层石灰层；2—未反应核石灰石。
具体实施方式
下面结合附图对本发明转炉快速造渣用部分煅烧石灰石及其制备方法作进一步详细的描述，但本发明的实施不限于此。
实施例1：本发明提供一种转炉快速造渣用部分煅烧石灰石，其结构和物性如图1、2、3所示，图1为部分煅烧石灰石的结构示意图。从图中可见石灰石原料经过部分煅烧，石灰石表层已经分解为表层石灰层1，成分为多孔的活性氧化钙，内层核心依然为未反应核石灰石2，成分为碳酸钙。
图2为原料石灰石的TG-DSC曲线图。从图中可以看出原料在煅烧后失重可以达到43.5wt％，计算可得原料中碳酸钙的质量百分比在98.8以上。
图3给出了部分煅烧石灰石表层附近的SEM图，从图中可知，表层石灰层1表面结构中存在许多裂纹并分布着大量的微孔；经过测定表层石灰层1的显气孔率为38.88％～52.5％。
本实施例提供上述转炉快速造渣用部分煅烧石灰石的一种制备方法，制备方法的具体步骤参见图4，是：
第一步、以质量百分比含量大于98.8碳酸钙的石灰石为原料，用破碎机进行一级破碎，得到粒度为50～100mm的石灰石，再进行二级破碎，得到粒度为15～20mm的石灰石；
第二步、使用洗石机清洗二级破碎后的石灰石，然后通过振动筛进行分级，筛分得到粒径为15～20mm的块状石灰石；
第三步、将第二步预处理好的块状石灰石放在加热炉内，在200℃条件下保温3h进行预热以去除水分；
第四步、将去除水分后的石灰石放入800℃回转窑中0.8h，回转窑的转速控制在3转/min，得到如图1所示的部分煅烧石灰石。
采用本发明制备的部分煅烧石灰石用于转炉快速造渣，使用结果表明采用本发明制备的部分煅烧石灰石快速造渣优于传统的完全煅烧的石灰和直接投入石灰石的造渣。参见图5的溶解速率曲线。三条曲线分别为石灰石、本发明制备的部分煅烧石灰石和完全煅烧的石灰在转炉渣中的溶解速率曲线示意图。从图中可知，若用石灰石在转炉渣中初段溶解速率缓慢；而若用石灰在转炉渣中溶解后期由于硅酸钙层的形成，溶解速率变慢；只有本发明制备的部分煅烧石灰石既能保证初期的快速溶解，同时也能保证后期的溶解速率，3min内溶解速率提高近1倍。
参见图6和图7，图中给出了传统的完全煅烧的石灰在转炉渣溶解3min时的渣/石灰界面显微结构的SEM图和EDS图；从图中可以看出，石灰在转炉渣中溶解时，在渣/石灰界面会形成硅酸钙反应层，这会阻碍石灰溶解过程的传质和渣的渗透，从而减慢了石灰溶解速率。
图8和图9分别给出了直接投入石灰石和采用本发明制备的部分煅烧石灰石在转炉渣中溶解3min时的渣/石灰界面显微结构的SEM图，在石灰石和部分煅烧石灰石溶解的过程中，与渣的界面层均不会形成硅酸钙隔离层，FeO能更容易向表面分解形成的石灰层渗透，从而加快其溶解。
从上述图中可以看出，本发明的转炉快速造渣用部分煅烧石灰石及其制备方法与直接在转炉中投入石灰石相比，由于本发明的部分煅烧石灰石表层石灰层保持更高的活性，可以加快在转炉渣中的溶解速率，并且当CO2残余量在质量百分比为25～30时，逸出的CO2可以破坏石灰石表面溶解过程中形成的硅酸钙隔离层，因此也能保证其后期溶解速率不受影响，从而可大幅提高整个造渣过程的溶解速率，且分解需要的热量也减小32％以上，对维持转炉热平衡更为有利，因而使用本发明制备的部分煅烧石灰石造渣，使用范围可以扩大到生产碳含量更高的钢种。
实施例2：本发明提供一种转炉快速造渣用部分煅烧石灰石及制备方法，所述的部分煅烧石灰石结构、制备方法及在转炉上使用效果与实施例1基本相同，不同的只是制备步骤三中预处理好的块状石灰石放在加热炉内，在300℃条件下保温2h进行预热以去除水分，制备步骤四中将去除水分后的石灰石放入900℃回转窑中0.5h，回转窑的转速控制在6转/min，得到部分煅烧石灰石。
实施例3：本发明提供一种转炉快速造渣用部分煅烧石灰石及制备方法，所述的部分煅烧石灰石结构、制备方法及在转炉上使用效果与实施例1基本相同，不同的只是在制备步骤四中将去除水分后的石灰石放入840℃回转窑中0.7h，回转窑的转速控制在4转/min，得到部分煅烧石灰石。
本发明的转炉快速造渣用部分煅烧石灰石及其制备方法，制备方法简单易操作，所制备的部分煅烧石灰石的表层石灰层为高活性石灰，内层核心成分依然为未反应核石灰石，即碳酸钙。在转炉中用本发明的部分煅烧石灰石造渣，溶解过程避开了直接用石灰石溶解初期的停滞阶段，初期溶解速率更快，分解需要的热量减小32％以上，利于维持转炉热平衡，且使用范围可扩大到生产碳含量更高的钢种。