氧氣轉爐用石灰石代替石灰造渣煉鋼

（一）立項依據與研究內容

1.項目的立項依據

工業革命發生200多年來，科學技術高速發展，使地球面貌發生了天翻地覆的變化，創造、積累了巨大的財富，使人類進入了工業化社會。但是，在各種產業蓬勃發展的同時，也發生了眾多的環境生態問題，引發了公害和污染，特別是溫室氣體的大量產生，使地球氣候發生了變化，災難性天氣現象頻發，給人類的生存帶來了危害。另外，由于人類對自然資源的掠奪性開采使用，地球上各種有用資源逐漸枯竭，人類本身能否持續發展也成為了問題。有鑒于此，社會發展模式在觀念上有了更新，要求產業部門在為人類生活提供更多更好的產品的同時，要善待地球保護環境，合理利用能源資源，為后代留下適當的生存空間，肩負起使文明社會持續發展的責任。可以這樣認為，人類已經從過去單純地追求工業文明逐漸地轉向了同時追求生態文明，在發展觀念上更為成熟，并且在各方面開始了大規模的有關生態文明的科學研究和工程實踐。

在追求生態文明的工程實踐中，節能減排是重要的一環。我國從上世紀七、八十年代開始，就頒布了一系列的法律法規，對環境保護和節約能源做出了規范，引導我國工業生產走節能減排可持續發展之路。在過去30多年的大規模發展中，我國各工業部門在取得長足發展的同時，在環境保護和節約資源能源方面也都做出了顯著的成績，但是無論從推廣實施范圍上，還是在技術水平上，與世界先進水平都還有很大的差距，對于實現工業生態化還任重道遠。特別是規模在世界遙遙領先、高能耗、高污染的產業部門，更有責任開發新的生產方法和技術推進節能減排，為保護地球做貢獻。

我國鋼鐵工業在世界同業中規模最大，粗鋼產量已經連續十幾年居世界首位，近年來已占到了全世界年產量的40%以上，2010年達到了6.2億噸。我國在未來的十年中還將高速發展，國內市場需求將繼續增加，因此國內粗鋼產能將進一步擴大，產量也將進一步增加。由于鋼鐵工業是高能耗、高污染產業，在鋼鐵生產過程中進行節能減排，對實施生態環境保護、構建循環經濟社會、促進人類社會可持續發展都有重要的意義。鋼鐵工業是一個漫長的原料加工產業，從鐵礦石始到鋼材止，要經過多道工序，化學物理變化和生產方法多種多樣。對于從鐵礦石生產粗鋼的長流程中的轉爐煉鋼過程來說，從1856年貝塞麥酸性轉爐發明以來的150多年間，在方法、設備、技術、規模和操作上都有了翻天覆地的進步，在國內外技術先進的鋼鐵企業中可以看到，轉爐煉鋼過程已形成了現代化的模式，體現出了人類的智慧和科學的力量，令人贊嘆。

但是，仔細研究轉爐煉鋼的造渣原料準備和吹煉的過程，可以看出還存在著明顯的非理性或是非科學的做法。申請人從建立節能減排生態化工業模式的角度經過多年的研究后發現，在“煅燒石灰--氧氣轉爐煉鋼”這條工業鏈上，存在著生產方法上的錯誤和大量的資源能源浪費，其主要表現如以下所述。

（1）邏輯理論上的誤區

1）現在氧氣轉爐煉鋼使用石灰作為造渣劑，石灰不是天然礦物，是石灰石經煅燒生成的產品。從能量消耗的角度看，工業生產石灰的煅燒溫度一般在1200℃左右，但石灰生成后必須降至接近常溫才能往轉爐料倉運輸，而在轉爐內又要升溫到煉鋼溫度，這一過程浪費熱能增加了CO2的排放。雖然國內外一些先進的石灰煅燒回轉窯可以回收石灰降溫過程的放熱，但工業裝置的余熱回收效率一般都只有30～40%，而相當多的石灰煅燒窯又根本沒有余熱回收裝置，因此可知能量的浪費不可小視。

2）石灰煅燒出爐后會很快吸收空氣中的水和CO2，生成氫氧化鈣和碳酸鈣，在潮濕陰雨的天氣和長時間堆放尤甚。石灰入轉爐后又要吸熱分解排放出所吸收的水和CO2，然后在轉爐內升溫到1000℃左右排出爐口。這個過程也要浪費能量增加CO2的排放。

3）煉鋼去除鐵水中的雜質元素是一個氧化反應過程，卻不使用具有氧化性的石灰石而使用中性的石灰去造高氧化性渣，這也不符合邏輯。對照煉鐵過程，雖然高爐內需要還原性氣氛，但是卻使用著具有氧化性的石灰石做造渣原料，由此可見煉鋼過程沒有理由不使用石灰石來加快轉爐內的氧化過程。

4）幾十年來，煉鋼業界為加速化渣而研究如何得到高活性石灰，曾進行了長期不懈的努力，但許多工廠仍然為石灰化渣不好而困擾。石灰石顆粒的煅燒過程，從動力學上看其應該按照未反應核模型所指示的規則進行，即從表及里一圈圈地放出CO2成為石灰。石灰在生成的一瞬間活性最大，但當從外向里的傳熱持續進行、石灰石塊內部都放出CO2燒成石灰的時候，表面已經生成的石灰肯定已經過燒，因此煅燒石灰過程很難生產出最高活性的石灰，石灰石塊的分解模式與獲得高活性石灰的要求有矛盾。即使是這種有限度的活性石灰，冷卻后在轉爐中再次加熱時，由表及里還要再次被加熱而更加過燒。因此可以斷定，這種生產方式不可能得到最高活性的石灰參與化渣。

5）迄今為止的煉鋼學理論都在敘述生燒石灰不利于化渣，但卻沒有給出“為什么”的理論解釋。分析其中的緣由，其影響因素可以從相圖上得到兩個信息，一是組分，二是溫度，如果能把這兩者都控制在合適的區間內，渣系沒有理由不熔化，而與石灰是否生燒無關。因此可知，所謂生燒石灰難于熔化，只是由于其中的碳酸鈣分解時吸熱，使其周圍的溫度降低到可熔化溫度以下所致，如果爐內有足夠的熱量，即使生燒石灰中的碳酸鈣分解時吸熱，也能夠保證石灰顆粒周圍的溫度在化渣溫度以上的話，在轉爐吹氧時劇烈攪拌的條件下，石灰顆粒表面可以急速更新受熱，則不可能會影響化渣速度。所以化渣過程更值得關注的是爐內溫度是否足夠的問題。

6）擔心用石灰石替代石灰會影響煉鋼生產的理由還有，轉爐吹煉時間很短，而石灰石轉變成石灰需要時間，然后再化渣時間就更長了。事實上，碳酸鈣在700℃之前就開始分解釋放出CO2，在升溫到達900℃之前就已經成為氧化鈣，分解反應不是限制性環節，速度很快，因此在能夠保證爐內前期溫度的條件下，與鐵水和熔渣接觸的固體表面就不是石灰石而應該是石灰，不需要單獨的石灰石轉變成石灰的時間，石灰石在轉爐中邊煅燒邊化渣，表面生成石灰后會立即與渣反應，生成一圈反應一圈，因這時的石灰活性最大，所以應該有利于化渣而不是相反，成功化渣的時間也會縮短。

（2）實際生產過程存在的不利于操作的現象

1）為生產石灰，煉鋼廠需設石灰煅燒裝置長期運轉，即使外購石灰，別的工廠也要設石灰煅燒裝置。煅燒石灰時會排放大量的粉塵和CO2，需設環保裝置減排粉塵，長期消耗水、電資源；

2）煅燒石灰時很難控制石灰石的分解反應過程，不易得到煉鋼所需要的高活性石灰，且生成的石灰要吸收燃料中的硫，降低了石灰在煉鋼中的脫硫能力；

3）石灰容易吸潮，因此在運輸和保管過程中都需要采取特別措施防潮，因此要增加防潮設施和工作量；

4）石灰結構疏松，在轉運過程中因摩擦碰撞會產生大量的粉末而不能使用，要增加篩分設備去除粉末，且石灰利用率低；

5）石灰在稱量、下料過程中還會產生粉末，投入轉爐的瞬間粉末會被爐氣帶走，加重轉爐除塵系統負荷，且進一步降低石灰利用率；

6）石灰稱量后入爐，產生的粉末會被爐氣帶出，所含的H2O和CO2要揮發，因此實際入爐的氧化鈣量不易準確控制，從而影響爐渣堿度和脫磷硫效果；

7）石灰比石灰石價格高，因此煉鋼成本增高，隨著能源價格、人工費用的上漲和碳稅、能源稅和環境稅費的征收，石灰和石灰石的價差還會增大，這部分成本還要增加；

8）石灰對轉爐的冷卻能力不夠，因此需加入冷鐵料以求熱平衡，當廢鋼不易采購時，要把鐵水鑄成鐵塊浪費掉能量之后再加入轉爐，無論是自產鐵塊還是購買鐵塊，本質上都浪費了能源。同時鑄鐵設備的運轉也消耗能量、需要人工，因此增加了成本；

9）若采用鐵礦石增加對轉爐的冷卻強度，因鐵礦石中含有SiO2等，則必須增加石灰加入量和渣量，因此也增加了轉爐生產能耗和成本。

為什么迄今為止氧氣轉爐煉鋼前期造渣，選擇石灰作為原料而不是選擇石灰石，在煉鋼的歷史文獻中還沒有查到明確的說明，只看到在空氣底吹轉爐冶煉中加入少量的石灰石，利用其分解出的CO2增氧的記載。對此合乎邏輯的推測是，在過去使用空氣（底吹或側吹）轉爐煉鋼的階段，爐內的熱量不足，如果直接加入石灰石在爐內分解吸熱，則難以使爐溫升高到出鋼溫度，所以只能把石灰石在煉鋼爐之外煅燒，然后再把石灰投入轉爐以減少吸熱。但轉爐煉鋼采用純氧吹煉以后，爐內反應產生的熱量已經富余，為此還要加入廢鋼等冷卻劑降低爐溫，出鋼前如果溫度過高還要加入石灰石或白云石降溫，所以造渣已經沒有理由必須使用石灰了，而應采用氧氣轉爐可以接受的、更為合理的方法，也就是可以直接把石灰石加入氧氣轉爐，邊煅燒邊造渣，省卻浪費熱能污染嚴重的煅燒石灰過程。即使是為了利用轉爐煉鋼中富余的熱能去熔化廢鋼，也不應該在此之前浪費熱能污染環境，熔化廢鋼可以使用電爐去做，在電爐煉鋼方面，已有用石灰石代替石灰造渣煉鋼的試驗報道。

為了在氧氣轉爐中用石灰石代替石灰造渣，申請人經過2年多的實驗室研究，于2009年4月申請中國發明專利，提出了“一種在氧氣頂吹轉爐中用石灰石代替石灰造渣煉鋼”的新方法，一改自托馬斯轉爐發明以來的130多年、氧氣頂吹轉爐發明以來50多年間所采用的在石灰窯中煅燒石灰、然后把石灰送往煉鋼轉爐作造渣劑的生產模式，而把石灰石直接加入氧氣頂吹轉爐，在爐內燒成石灰做造渣劑，使復雜的生產過程簡單化，從而消除“煅燒石灰--氧氣轉爐煉鋼”過程間的資源能源浪費，并減排粉塵和CO2。不僅如此，在轉爐吹煉前期，石灰石中分解出的部分CO2會參與鐵水反應，產生燃料CO，因此可以增收轉爐煤氣。2010年4月、5月，在河北省的石家莊鋼鐵有限責任公司、武安鑫山鋼鐵公司分別成功地進行了工業試驗，結果證明了這一煉鋼方法安全有效可行，之后為順應市場變化又在武安興華鋼鐵公司和石家莊鋼鐵有限責任公司進行了使用石灰石代替石灰，為保證冷鐵料加入量而添加焦粒升溫的工業試驗，也取得了成功。申請專利的“一種在氧氣頂吹轉爐中用石灰石代替石灰造渣煉鋼”的新方法，于2011年1月獲得了中國國家知識產權局的專利授權。石家莊鋼鐵有限責任公司已準備在2011年3、4月份采用新方法進行正常生產，從而將成為世界上第一個采用新煉鋼方法規模生產的企業。

申請人所提出的新方法和迄今為止的生產方法的區別如圖1和圖2所示。由比較可見，新方法過程短，節能減排，減少資源能源浪費，增收CO，優越性明顯，是一種氣候友好型的先進生產模式。采用這一方法將在給企業帶來可觀的經濟效益的同時，還能夠產生巨大的環境和社會效益，減緩地球環境惡化，造福全人類。

圖1現行煉鋼方法從石灰石轉變為煉鋼渣的過程

圖2新方法從石灰石轉變為煉鋼渣的過程

上述氧氣頂吹轉爐中用石灰石代替石灰造渣煉鋼相關的基本理論和實驗室研究已經進行了4年多，工業試驗也逐步開展，迄今為止已經在以下方面取得了成果。

（1）對現在氧氣轉爐煉鋼采用石灰做造渣劑存在的邏輯理論問題和生產中存在的明顯矛盾進行了深入探討，明確了用石灰石代替石灰造渣煉鋼的必要性；用比較法考察轉爐煉鋼時“石灰+廢鋼”和“石灰石”兩種投料模式吸熱量的差別，進行了熱平衡估算，結果表明采用“石灰石”模式吹煉時爐內的熱量足夠；在實驗室中采用差熱分析方法，測定比較了CaO和CaCO3從室溫升溫至1400℃的吸熱量；測定了CaCO3分解成CaO后擱置在20℃、濕度為30%的條件下，重量隨時間增加的情況，確認了石灰會吸收水分和CO2；對可能地影響因素進行熱平衡計算，確認了轉爐中加入石灰石的吸熱量約為加入石灰時吸熱量的2倍。

（2）在實驗室中進行了1100℃和1400℃下石灰石的煅燒試驗。結果表明，石灰石顆粒度為20-40mm的尺寸下，石灰石的失重隨時間延長而增加，1400℃下的失重增加速度比1100℃時大得多，1400℃下石灰石中的碳酸鈣在5分鐘左右就可以分解近80%。采用靜態恒溫法研究了石灰石顆粒在1100℃下的失重現象，并且根據未反應核模型原理，計算比較了不同粒度的球狀石灰石顆粒的分解速率和分解層厚度的變化情況。結果表明：在急速加熱過程中，大粒度石灰石顆粒的分解速率大于小粒度的，粒度越小單位時間內分解掉的反應層厚度就越大。

（3）在出鋼量分別為40噸和60噸的氧氣頂吹轉爐里，進行了用石灰石代替或部分代替石灰、全鐵水或少量加入廢鋼的工業試驗，證明前期吹煉中用石灰石代替石灰化渣快、脫磷效果好，石灰石用量折合為石灰，可以減少約20%。在出鋼量分別為35噸和60噸的氧氣頂吹轉爐里，進行了用石灰石代替石灰、按照現在生產模式加入冷鐵料，添加焦粒增加轉爐熱量的工業試驗，證明可以得到前述同樣的效果。

（4）采用熱力學方法計算討論了用石灰石代替石灰造渣時，分解出的CO2與煉鋼初期鐵水中元素反應生成CO的可能性。結果表明，標準狀態下，在1200-1600K之間，CO2與鐵水中[C]和[Si]反應生成CO的標準自由能的變化都呈負值，反應可以自發進行。這一結果在60噸氧氣頂吹轉爐試驗中得到了驗證，從而為今后繼續研究優化，充分利用石灰石資源，利用分解的CO2為吹煉前期供氧，并生成CO加以回收奠定了基礎。圖3是60噸轉爐用石灰石代替部分石灰試驗中得到的爐氣中CO隨吹氧時間變化的情況。

圖3. 轉爐吹氧冶煉過程中爐氣成分變化

（5）對于迄今為止的“煅燒石灰—氧氣轉爐煉鋼”方法和申請人提出的新方法在熱能消耗上的差別進行了計算比較。研究結果表明，按照噸鋼消耗55kg石灰計算，后者比前者節能約86240kJ以上/噸鋼， 減排CO2約51kg/噸鋼。用新方法生產粗鋼，按2010年我國6.2億噸粗鋼產量中85%產自于轉爐來計算，我國煉鋼行業一年能夠節能約4.54×1013kJ以上，少排放CO2 約2.70×107噸。石灰石直接入爐造渣模式節約的能量，約占轉爐內鐵水中元素氧化放熱的8.6%。由此可知，在市場正常運行的條件下，新方法應該給企業帶來相應的經濟效益，也會產生可觀的環境和社會效益。

用石灰石代替石灰造渣煉鋼在工藝上的優越可以歸納列舉如下。

1）石灰石進貨、上料管理比石灰簡單；

2）石灰石加入轉爐后分解出的CO2具有氧化性，可作為氧化劑強化前期爐內供氧；

3）石灰石分解會使渣-鐵面上維持較長時間的低溫，有利于吹煉初期鐵水脫磷；

4）石灰石分解的瞬間，石灰具有最大的活性，是煉鋼最理想的活性石灰原料，這時石灰與爐渣接觸，化渣速度加快；

5）石灰石比重大，塊度更小些也不必擔心會被轉爐爐氣帶出，入爐后急劇受熱還會開裂增大表面積，加快燒成與化渣；

6）如果鐵水成分合適，能實現全鐵水操作，可以減少爐前裝廢鋼鐵料等候時間3分鐘左右，提高作業率；

7）減少廢鋼使用可以減少鋼中混入有害元素的含量，有利于優質鋼冶煉；

8）對于原來需要自鑄鐵塊供給轉爐冷鐵料的企業，可以不用再鑄鐵塊，減少相關浪費；

9）石灰石中的碳酸鈣利用程度增大，分解出的CaO參與固定渣中酸性組分，一部分CO2可參與爐內氧化反應，與碳、硅等反應生成的一部分CO可供回收；

10）有利于實現清潔生產。

申請人在長期的研究中，已經把用石灰石代替石灰造渣煉鋼的設想變成了現實，這項工作中國首創，將產生巨大的社會、環境和經濟效益，值得關注。在理論研究和實驗室實驗、工業試驗中都取得了值得矚目的成果，并且很快就有鋼鐵公司采用這種方法規模化生產，從而把這項研究推進到了相當深入的程度，也能夠借此展示出新煉鋼方法的先進性。在已經進行的研究工作中，一部分研究成果已經發表，一些成果待發表，都是世界第一次的研究工作，已經發表的報告和在國內的學術交流在同行中引起了很好的反響。但是由于這項研究開展的時間還短，還有很多理論的、實踐的問題還有待發現和認識，還要回答工業試驗中所觀察到的和提出的新問題，還要對此方法的實施進行深入的討論和探索，因此還有非常多的工作要去做，還需要各方面的支持和資助以保證這項氣候友好技術的研發工作能夠繼續進行下去。

采用新方法生產，煉鋼廠可以不添加任何設備，不需要進行技術改造，只是進行吹煉前期工藝的調整，在鐵水足夠的煉鋼廠可以實施全石灰石、鐵水+少部分冷鐵料煉鋼。由于許多鋼鐵公司設計之初就是考慮使用15%左右的冷鐵原料，因而現在實施全石灰石造渣煉鋼條件不足，那么可以采用一部分石灰石代替石灰，也可以收到可觀的經濟效益和環境減排效果。此方法的實施，對于鋼鐵業的清潔生產將會產生極大的帶動，將提高業界的生產效率和生產技術水平，改變對鋼鐵廠的規劃設計思路，有利于建設資源循環性的鋼鐵行業。

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2.項目的研究內容、研究目標，以及擬解決的關鍵科學問題

項目的研究內容有：

（1）石灰石入爐后急速煅燒、化渣的過程機理與數學模擬

煉鋼轉爐中直接加入石灰石的化渣過程與現行的加入石灰化渣的過程不同，包括一個石灰急速煅燒的階段，這是研究用石灰石代替石灰造渣煉鋼過程的關鍵問題，雖然已經在工業試驗中取得了成功，但是在理論上和實驗上都有更深入的工作要做，要確認石灰石急速受熱升溫時碳酸鈣存在的極限溫度、這種條件下碳酸鈣的分解模式、分解的同時與爐渣反應的可能性，比較石灰石分解后與爐渣反應的速度和石灰與爐渣反應的速度，考察碳酸鈣分解產生的CO2對爐渣和鐵水的氧化作用，然后用數學方法模擬這一過程進行求解，討論石灰石和石灰入爐化渣模式的不同。

（2）用石灰石造渣煉鋼過程氧槍槍位的控制理論和操作方法研究

石灰石加入轉爐后在短時間內需要充足的熱量進行分解以參與造渣，一般情況下鐵水所具有的物理熱不能滿足這一要求，所以在短時間內提供需要的化學熱就與鐵水中元素的氧化放熱速度、也就是與氧氣噴槍的槍位控制有密切的關系；另外，爐內氧氣射流的沖擊和對渣/鐵的攪拌，可以破壞分別處于渣-鐵-氣三相中的石灰石的表面附面層，促進熱流接觸石灰石表面以加速煅燒過程，從而可以加速生成石灰化渣。與此有關的系列理論和實際不同形狀大小的轉爐的吹煉控制方法都有待于研究。

（3）石灰石分解逸出的CO2在轉爐內的行為解析模擬與增收轉爐煤氣的研究

石灰石顆粒在轉爐內應該按照未反應核模型指示的規則一圈圈地燒成，CO2的分解也是逐漸的、連續地進行。這部分CO2在渣-鐵-氣三相中的行為和在吹煉初期產生的氧化作用、CO/ CO2隨溫度和時間的變化模式都值得進行深入地研究；另外，如何控制吹煉過程，使氧化反應過程生成的CO濃度盡可能地高，盡可能地增加轉爐煤氣回收量，還需要在理論上詳細的探討，在方法上需要細化。為了理清這其中相互關聯的關系，需要采用數學方法進行模擬和解析。

（4）石灰石加入量與爐渣堿度、脫磷效果關系的調查研究

工業試驗發現，與采用現行方法的鐵水+大量冷鐵料、用石灰造渣煉鋼的對比爐次相比，采用鐵水+少量冷鐵料、用石灰石造渣煉鋼的爐次中，石灰石的加入量折合成石灰減少20%左右也可以取得同樣的脫磷效果，并且終渣中SiO2濃度降低，爐渣堿度升高，對此有一系列的疑問產生：是由于石灰所含水分并且石灰粉末被爐氣帶出導致這種結果，還是由別的原因造成，需要在理論上進行深入的討論，并且需要進一步在工業試驗中查證，同時還要在實驗室里進行一系列的實驗來考察石灰石煅燒-造渣過程的影響，進行定量的研究確認。

（5）濺渣護爐過程對采用石灰石造渣煉鋼熱平衡的影響及操作合理化研究

濺渣護爐過程會使轉爐內喪失大量的熱能，過去對這方面研究不夠而有所浪費。用石灰石代替石灰造渣煉鋼需要吹煉前期有足夠的熱量，而濺渣護爐過程如果耗能過多，則會減慢石灰石在轉爐內的分解速度而于生產不利。為了合理地分配冶煉過程的熱能，需要對濺渣護爐過程的熱損失量進行測定研究，明確濺渣所必須的時間與出鋼溫度的關系，爐溫上升速度與濺渣結束爐襯溫度、鐵水溫度、冷鐵料數量和成分的關系，理清它們之間的關系，建立數學模型進行最優化求解，確定最佳的控制方案，并且在工業試驗的基礎上制定合理的操作規程。

（6）采用石灰石造渣煉鋼前期渣-鐵反應的物理化學過程解析模擬

用石灰石造渣煉鋼與用石灰造渣煉鋼相比，既有不同點也有相同點。為了對用石灰石造渣煉鋼的過程有深刻的理解，以及將來對這一生產過程實行計算機自動控制，需要在前人對石灰造渣煉鋼過程解析的基礎上，明確石灰石造渣的一系列特點，然后用數學方法建立模型，連續地勾劃出吹煉前期爐內渣-鐵反應的物理化學變化的過程，揭示各組元的行為和變化規律，描繪多組元相圖中爐渣成分、溫度的變化曲線，探討最佳的運行途徑，并由此確定合適的控制模型與要點，以供將來實行計算機動態控制參考。

（7）對用石灰石造渣煉鋼方法的節能減排效果進行分析和驗證

如前所述，相對于“煅燒石灰—氧氣轉爐煉鋼”的工藝流程來說，采用石灰石造渣煉鋼的節能減排前景是顯而易見的，但對于不同的煅燒石灰方式、不同的轉爐爐型、不同成分的鐵水、不同的操作方式，還會有不同的結果，從而需要對不同模式的生產過程的節能減排效果進行計算分析，以利于比較。在工業推廣中將會遇到各種各樣的生產模式，需要具體的分析和驗證，其結果可作為優化生產模式的參考。

研究目標是：

在理論上，明確氧氣轉爐用石灰石造渣煉鋼過程中出現的一系列物理化學問題，對迄今為止人們對這一方法存在的誤解和沒有考慮過的問題進行系統的解釋；在工藝上，明確用石灰石造渣煉鋼過程出現的工藝問題的解決方法，為實際操作提供理論指導和技術支持；對比現行的用石灰造渣煉鋼方法，對用石灰石造渣煉鋼方法的節能減排效果進行分析和驗證，作為優化生產模式的參考。最終把這種先進的生產模式推廣開來。

擬解決的關鍵科學問題有：

（1）石灰石入爐后急速煅燒、化渣的過程分析。其中確認石灰石急速加熱升溫時碳酸鈣存在的極限溫度是一個非常重要的理論問題，在這種條件下究竟與爐渣反應的是碳酸鈣還是氧化鈣，需要驗證明確，還有在爐內復雜條件下石灰石邊煅燒邊化渣的過程解析能否清楚也是關鍵問題。

（2）氧槍槍位的控制研究。嚴格地來說，不同的轉爐爐型和吹煉階段，對槍位的要求不同，槍位設定要考慮爐內的氣-液攪動、氧氣流速度和動能、提高反應速度對供氧的要求、對爐襯的保護、氧槍的特性等。為了解析這些復雜的問題，首先要取幾種典型的爐型和氧槍進行解析，結合工業試驗的結果進行數學模擬，確認氧槍槍位的控制要點。

（3）增加煤氣回收控制的方法。石灰石分解逸出的CO2對于提高吹煉初期爐內的氧化性肯定有利，從而自然要產生反應產物CO。但CO2/CO與溫度關系密切，而溫度又與氧槍槍位、吹煉方法密切相關，因此在進行工業試驗、調整槍位的同時，關鍵是初期吹煉溫度的控制，因此要兼顧研究對于脫磷的影響。

（4）查明渣中SiO2濃度降低的原因。工業試驗結果表明終渣中SiO2的濃度有所降低，原因可能是由于加入石灰石的收得率比石灰高，但也有可能是由于前期[Si]在生成SiO2的過程中以SiO的形式隨CO-CO2氣泡逸出，在穿越渣面時沒有被熔渣吸收。熱力學和動力學分析都表明有這種可能，因此需要進行實驗室實驗以確認是否有這種脫硅現象存在。

（5）建立濺渣護爐參數與轉爐熱平衡關系的數學模型。濺渣護爐的操作參數是影響吹煉過程熱平衡的主要方面，不同的爐型和噴槍噴吹氮氣的速率對濺渣操作結束時的內表面溫度影響不同，擬根據典型的工業試驗爐型和噴槍噴吹參數、實際濺渣結束時的溫度變化，結合生產工藝參數，建立數學模型進行最優化求解。

（6）描繪多組元相圖中爐渣成分、溫度的變化曲線。吹煉初期渣中組元一直在連續的變化，擬使用三維軟件編制出能反映多組元變化的立體圖像，根據前期渣-鐵反應的物理化學過程解析模擬，分別描繪出用石灰造渣和石灰石造渣兩個過程的變化曲線進行比較。

3.本項目的特色與創新之處。

本項目的特色是：

用工業生態的觀點研究早已成熟的、有鏈接關系的兩個生產過程，發現了在“煅燒石灰--氧氣轉爐煉鋼”這條工業鏈上，存在著過程復雜化和資源能源大量浪費、污染環境的現象，然后根據冶金學的基本理論，在煉鋼方法上進行改革，提出了一種將原來的兩個生產過程合二為一的方法，從而能夠有效地消除上述的浪費和污染。這一方法可有效地節省能量，減少CO2的排放，并且在煉鋼生產過程中把石灰石中分解出來的一部分CO2自然地加以利用，并可以生成CO當作能源加以回收，理順了傳統的煉鋼生產過程間被扭曲的鏈接關系，科學且低碳，因此將給中國乃至世界帶來巨大的經濟、環境效益，是中國冶金界對人類文明發展的一個貢獻。進一步的基礎理論研究，將有利于消除產后期以來對氧氣轉爐煉鋼初期造渣使用石灰石的誤解，并對這一新方法的操作提供理論支持與技術指導，從而有利于推動煉鋼方法的轉型和生產過程的節能減排，減緩人類活動對地球環境的破壞。

創新突破點如下：

（1）對托馬斯堿性轉爐煉鋼法發明130多年來的添加石灰造渣的操作方法和氧氣轉爐煉鋼法發明50多年以來的操作方法進行了變革；

（2）可以消除煉鋼造渣原料石灰準備階段產生的大量粉塵污染和能源浪費，減少CO2排放，煉鋼過程中能夠有效地利用資源能源、減排粉塵，理順生產過程間被扭曲的相互制約的關系；

（3）可以澄清過去煉鋼學教科書中的一些不確切的觀點和概念，揭示石灰石用于氧氣轉爐造渣煉鋼的合理性，理清一些被扭曲的邏輯關系，完善煉鋼學的理論和煉鋼操作；

（4）發現氧氣轉爐煉鋼使用石灰石代替石灰造渣能夠提高碳酸鈣的應用價值，其中氧化鈣用于造渣，分解出的CO2會參于鐵水中雜質元素的氧化反應，反應生成的CO可以回收作為燃料和化工原料，因而能夠更充分地利用石灰石這種自然資源。

（5）將更新鋼鐵生產系統的設計理念，過去認為氧氣轉爐煉鋼一定要加入大量冷鐵料作為冷卻劑，設計時煉鋼能力要比煉鐵能力大20%左右，而采用石灰石造渣煉鋼，除采用一部分自產廢鋼外可不用其他冷鐵料，煉鐵能力略低于煉鋼能力即可。

（二）研究基礎與工作條件

1.工作基礎

本項目工作已經進行了4年多，其間查閱了大量的文獻資料，對氧氣轉爐采用石灰石代替石灰造渣煉鋼節能減排的可能性進行了深入的討論，做了大量的基礎實驗和理論探索，在所有結果都證明這種方法可行后，提出了發明專利申請并獲得了國家知識產權局的授權，與一些鋼鐵公司合作進行工業試驗，在不同條件下的工業試驗都取得了成功。在這一項目的研究過程中已培養3名本科生畢業，1名碩士生畢業。近兩年多來，已發表及已投稿被錄用將要發表的論文共有9篇，多次在國內的鋼鐵冶金會議和鋼鐵公司介紹過研究進展，在與同行的討論中，了解到不同條件的煉鋼廠的許多現場問題，然后在實驗室進行研究，促進了研究工作的深入。

本人有長期的現場和研究工作經歷，對國內外氧氣轉爐煉鋼生產的發展歷史和生產方式都非常熟悉，并且在長年的研究中積累了豐富的數據和經驗，熟悉各種高溫爐、高溫顯微鏡和電子顯微鏡以及化學分析的操作。能夠選定這項世界第一次進行的、有重大意義的創新課題，并且在過去4年多的研究中取得令人滿意的結果，同時發現了一系列的可以深入研究的方向，把用石灰石代替石灰造渣煉鋼的設想變成了現實，推動了本項目的發展，充分顯示出了本人在基礎研究和應用研究兩方面的創新能力，為下一階段的深入研究奠定了扎實的基礎。

2、工作條件

有2×22m2的研究室可作研究人員的工作房間，本學院公用實驗室有各種形式的高溫爐可做各種高溫實驗，高溫顯微鏡和電子顯微鏡的操作人員經驗豐富。本人與國內若干鋼鐵公司有良好的合作關系，可以推動需要進行的工業試驗。已經具備一些基本的數值模擬研究設施和模擬用商業軟件，可用于數學模型研究和編程開發。

3、個人簡介

李宏，男，1954年11月生，工學博士，教授，博導

1970～1973年在江蘇省徐州鋼鐵廠當煉鋼工人，1973～1976年在北京鋼鐵學院煉鋼專業學習，1976～1979年在江蘇省徐州鋼鐵廠當煉鋼技術員和爐長，1979～1982年在北京鋼鐵學院煉鋼專業讀研究生，畢業獲工學碩士學位留校工作。1986～1987年在日本東北大學選礦冶煉研究所進修，1993～1994年在日本住友金屬工業株式會社波崎研究開發中心進修，1994～2000年在日本東京三菱商事株式會社重機部從事中國鋼鐵工程項目的建設工作。2005年獲日本東北大學金屬前沿專攻工學博士學位。主要技術工作和科研工作經歷如下：

1980～1994年，參加了中日兩國政府間合作項目“含鈮、錳、磷及其他元素生鐵冶煉技術的共同研究”和“攀枝花復合礦物中所含稀有元素有效利用的共同研究”，主要承擔的研究內容有：包頭鐵水提鈮、鐵水脫磷脫硫及渣-鐵反應平衡、氯化揮發法和濕法處理攀枝花煉鋼爐渣提取鎵和釩、渣中微量鎵的化學分析方法等。

1994～2000年，在三菱商事株式會社重機部工作，從事國內鋼鐵工程項目的技術交流、談判及建設工作，參加的主要工程項目有：1）寶鋼三期：焦爐三電、礦石破碎設備、原料碼頭、煉鐵中心試驗室、1580熱軋和1550冷軋；2）武鋼2250熱軋；3）鞍鋼：1780熱軋、三煉鋼RH、礦渣公司破碎設備、大型廠改造、冷軋鍍鋅線；4）唐鋼薄板坯連鑄連軋。其中，從技術交流、談判到現場施工、試車、投產、驗收，完整地參加并組織了鞍鋼1780熱軋生產線的建設工作。

從2000年～現在，在北京科技大學從事教學與科研工作。曾與國內若干大中型鋼鐵公司合作，從事關于潔凈鋼冶煉技術和連鑄坯缺陷控制的研究；另外開展了鋼中夾雜物的凝聚理論及控制、大氣中CO2固定與利用、節能低污染冶金技術開發方面的研究工作。為了減少鋼鐵生產過程對自然界的污染和理順煉鋼過程的邏輯關系，節能減排，于2006年開始研究在氧氣轉爐中用石灰石代替石灰造渣煉鋼的問題，迄今已經在基本理論和工業試驗中取得了很大的進展，現正繼續進行深入的探索。

從1987年～現在，在國內外雜志、會議上發表上述相關研究領域的論文80余篇。其中關于轉爐冶煉、高溫狀態的渣--鋼反應、有價金屬綜合利用、節能減排方面的文章有20余篇，這類文章大多在上世紀八十、九十年代發表，其中有一些是師從于我國著名冶金學家林宗彩教授、周榮章教授和世界著名冶金物理化學學家水渡英昭教授時的研究結果；2000年后，與我國著名冶金學家曲英教授合作進行研究，發表了一些有關高溫余熱利用、生態冶金方面的文章；2010年后發表的關于氧氣轉爐中用石灰石代替石灰造渣煉鋼節能減排方面的論文已有5篇，另外還投出了4篇這方面的論文已被錄用，將在2011年內發表。

迄今為止，已經獲中國發明專利10余項，中國實用新型專利4項，其中包括已經獲得國家知識產權局授權的關于本項目的1項發明專利和1項技術延伸的實用新型專利。著作方面，2000年從日本歸國后受托翻譯的《鋼鐵冶煉》、《爐外精煉》，已分別于2001年和2002年由冶金工業出版社出版；其后參編高等學校教材《鋼鐵冶金-煉鋼學》，于2007年由高等教育出版社出版，在書中獨立編寫了第二章《煉鋼基本反應》。

（2）王麗華，女，高級工程師

近年來關于氧氣轉爐用石灰石代替石灰造渣煉鋼方面的研究成果

已發表部分：

[1] 李宏，曲英．一種在氧氣頂吹轉爐中用石灰石代替石灰造渣煉鋼的方法．中國專利：ZL200910082071.X．申請日：2009.04.21，授權日2011.01.19

[2] 李宏．氧氣轉爐用石灰石代替石灰造渣煉鋼節能減排技術．金屬世界，2010.7，No.4，6～8

[3] 李宏，曲英．氧氣轉爐用石灰石代替石灰造渣煉鋼節能減排初探．中國冶金，2010.9，59～62，（中國金屬學會會刊）

[4] 李宏，郭洛方，李自權，宋文臣，李永卿，嚴鵬程. 轉爐低碳煉鋼及用石灰石代替石灰的研究．第十六屆全國煉鋼學術會議文集，2010.12，116～120（獲評優秀論文）

[5] 郭洛方，李宏，李自權，嚴鵬程，董大西，梁孜，王恭亮，張紅衛，李勝利．轉爐煉鋼過程CO2向CO的轉化與煤氣再生回收．2010中國可再生能源科技發展大會論文集，第Ⅱ卷，2010.12，中國北京：828～832，美國科研出版社（Scientific Research Publishing，USA）（ISTP收錄）

[6] 李自權，李宏，郭洛方，嚴鵬程，董大西，梁孜，王恭亮，張紅衛，李勝利．石灰石加入轉爐造渣煉鋼過程的行為初探. 煉鋼. Vol.27（2011），No.2，33～35，55.（核心刊物）

已投稿即將發表部分：

[7] Wenchen Song，Hong Li，Luofang Guo，Pengcheng Yan，Yongqing Li，Jia Feng．Analysis on Energy-saving and CO2 Emissions Reduction in BOF Steelmaking by Substituting Limestone for Lime to Slag．2011可再生能源與環境材料國際會議-上海，已錄用待發表（EI 收錄）

[8] Hong Li，Luofang Guo， Yongqing Li， Wenchen Song，Jia Feng，Mei Liang，Dong Daxi，Wang Gongliang，Zhang Hongwei，Li Shengli and Zhang Tongfa．Industrial Experiments of Using Limestone instead of Lime for Slagging during LD-Steelmaking Process．International Conference on Chemical Engineering and Advanced Materials (CEAM 2011) ， 已錄用待發表（EI 、ISTP 收錄）

[9] Luofang Guo，Hong Li，Ziquan Li，Yongqing Li，Wenchen Song，and Jia Feng．Discussion on the Decomposition Laws of Limestone during Converter Steelmaking Process by Static Decomposition Model under Constant Temperature．International Conference on Chemical Engineering and Advanced Materials (CEAM 2011)， 已錄用待發表 （EI 、ISTP 收錄）

[10] LI Hong，GUO Luo-fang，LI Zi-quan，SONG Wen-chen，LI Yong-qing，FENG Jia，LIANG Mei， DONG Da-xin，WANG Gong-liang，ZHANG Hong-wei，LI Sheng-li， and ZHANG Tong-fa．Research of Low-Carbon Mode and on Limestone Addition Instead of Lime in the BOF Steelmaking．Journal of Iron and Steel Research，已錄用待發表 （SCI 收錄）