氧气转炉用石灰石代替石灰造渣炼钢
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（一）立项依据与研究内容
1.项目的立项依据
工业革命发生200多年来，科学技术高速发展，使地球面貌发生了天翻地覆的变化，创造、积累了巨大的财富，使人类进入了工业化社会。但是，在各种产业蓬勃发展的同时，也发生了众多的环境生态问题，引发了公害和污染，特别是温室气体的大量产生，使地球气候发生了变化，灾难性天气现象频发，给人类的生存带来了危害。另外，由于人类对自然资源的掠夺性开采使用，地球上各种有用资源逐渐枯竭，人类本身能否持续发展也成为了问题。有鉴于此，社会发展模式在观念上有了更新，要求产业部门在为人类生活提供更多更好的产品的同时，要善待地球保护环境，合理利用能源资源，为后代留下适当的生存空间，肩负起使文明社会持续发展的责任。可以这样认为，人类已经从过去单纯地追求工业文明逐渐地转向了同时追求生态文明，在发展观念上更为成熟，并且在各方面开始了大规模的有关生态文明的科学研究和工程实践。
在追求生态文明的工程实践中，节能减排是重要的一环。我国从上世纪七、八十年代开始，就颁布了一系列的法律法规，对环境保护和节约能源做出了规范，引导我国工业生产走节能减排可持续发展之路。在过去30多年的大规模发展中，我国各工业部门在取得长足发展的同时，在环境保护和节约资源能源方面也都做出了显著的成绩，但是无论从推广实施范围上，还是在技术水平上，与世界先进水平都还有很大的差距，对于实现工业生态化还任重道远。特别是规模在世界遥遥领先、高能耗、高污染的产业部门，更有责任开发新的生产方法和技术推进节能减排，为保护地球做贡献。
我国钢铁工业在世界同业中规模最大，粗钢产量已经连续十几年居世界首位，近年来已占到了全世界年产量的40%以上，2010年达到了6.2亿吨。我国在未来的十年中还将高速发展，国内市场需求将继续增加，因此国内粗钢产能将进一步扩大，产量也将进一步增加。由于钢铁工业是高能耗、高污染产业，在钢铁生产过程中进行节能减排，对实施生态环境保护、构建循环经济社会、促进人类社会可持续发展都有重要的意义。钢铁工业是一个漫长的原料加工产业，从铁矿石始到钢材止，要经过多道工序，化学物理变化和生产方法多种多样。对于从铁矿石生产粗钢的长流程中的转炉炼钢过程来说，从1856年贝塞麦酸性转炉发明以来的150多年间，在方法、设备、技术、规模和操作上都有了翻天覆地的进步，在国内外技术先进的钢铁企业中可以看到，转炉炼钢过程已形成了现代化的模式，体现出了人类的智慧和科学的力量，令人赞叹。
但是，仔细研究转炉炼钢的造渣原料准备和吹炼的过程，可以看出还存在着明显的非理性或是非科学的做法。申请人从建立节能减排生态化工业模式的角度经过多年的研究后发现，在“煅烧石灰--氧气转炉炼钢”这条工业链上，存在着生产方法上的错误和大量的资源能源浪费，其主要表现如以下所述。
（1）逻辑理论上的误区
1）现在氧气转炉炼钢使用石灰作为造渣剂，石灰不是天然矿物，是石灰石经煅烧生成的产品。从能量消耗的角度看，工业生产石灰的煅烧温度一般在1200℃左右，但石灰生成后必须降至接近常温才能往转炉料仓运输，而在转炉内又要升温到炼钢温度，这一过程浪费热能增加了CO2的排放。虽然国内外一些先进的石灰煅烧回转窑可以回收石灰降温过程的放热，但工业装置的余热回收效率一般都只有30～40%，而相当多的石灰煅烧窑又根本没有余热回收装置，因此可知能量的浪费不可小视。
2）石灰煅烧出炉后会很快吸收空气中的水和CO2，生成氢氧化钙和碳酸钙，在潮湿阴雨的天气和长时间堆放尤甚。石灰入转炉后又要吸热分解排放出所吸收的水和CO2，然后在转炉内升温到1000℃左右排出炉口。这个过程也要浪费能量增加CO2的排放。
3）炼钢去除铁水中的杂质元素是一个氧化反应过程，却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，这也不符合逻辑。对照炼铁过程，虽然高炉内需要还原性气氛，但是却使用着具有氧化性的石灰石做造渣原料，由此可见炼钢过程没有理由不使用石灰石来加快转炉内的氧化过程。
4）几十年来，炼钢业界为加速化渣而研究如何得到高活性石灰，曾进行了长期不懈的努力，但许多工厂仍然为石灰化渣不好而困扰。石灰石颗粒的煅烧过程，从动力学上看其应该按照未反应核模型所指示的规则进行，即从表及里一圈圈地放出CO2成为石灰。石灰在生成的一瞬间活性最大，但当从外向里的传热持续进行、石灰石块内部都放出CO2烧成石灰的时候，表面已经生成的石灰肯定已经过烧，因此煅烧石灰过程很难生产出最高活性的石灰，石灰石块的分解模式与获得高活性石灰的要求有矛盾。即使是这种有限度的活性石灰，冷却后在转炉中再次加热时，由表及里还要再次被加热而更加过烧。因此可以断定，这种生产方式不可能得到最高活性的石灰参与化渣。
5）迄今为止的炼钢学理论都在叙述生烧石灰不利于化渣，但却没有给出“为什么”的理论解释。分析其中的缘由，其影响因素可以从相图上得到两个信息，一是组分，二是温度，如果能把这两者都控制在合适的区间内，渣系没有理由不熔化，而与石灰是否生烧无关。因此可知，所谓生烧石灰难于熔化，只是由于其中的碳酸钙分解时吸热，使其周围的温度降低到可熔化温度以下所致，如果炉内有足够的热量，即使生烧石灰中的碳酸钙分解时吸热，也能够保证石灰颗粒周围的温度在化渣温度以上的话，在转炉吹氧时剧烈搅拌的条件下，石灰颗粒表面可以急速更新受热，则不可能会影响化渣速度。所以化渣过程更值得关注的是炉内温度是否足够的问题。
6）担心用石灰石替代石灰会影响炼钢生产的理由还有，转炉吹炼时间很短，而石灰石转变成石灰需要时间，然后再化渣时间就更长了。事实上，碳酸钙在700℃之前就开始分解释放出CO2，在升温到达900℃之前就已经成为氧化钙，分解反应不是限制性环节，速度很快，因此在能够保证炉内前期温度的条件下，与铁水和熔渣接触的固体表面就不是石灰石而应该是石灰，不需要单独的石灰石转变成石灰的时间，石灰石在转炉中边煅烧边化渣，表面生成石灰后会立即与渣反应，生成一圈反应一圈，因这时的石灰活性最大，所以应该有利于化渣而不是相反，成功化渣的时间也会缩短。
（2）实际生产过程存在的不利于操作的现象
1）为生产石灰，炼钢厂需设石灰煅烧装置长期运转，即使外购石灰，别的工厂也要设石灰煅烧装置。煅烧石灰时会排放大量的粉尘和CO2，需设环保装置减排粉尘，长期消耗水、电资源；
2）煅烧石灰时很难控制石灰石的分解反应过程，不易得到炼钢所需要的高活性石灰，且生成的石灰要吸收燃料中的硫，降低了石灰在炼钢中的脱硫能力；
3）石灰容易吸潮，因此在运输和保管过程中都需要采取特别措施防潮，因此要增加防潮设施和工作量；
4）石灰结构疏松，在转运过程中因摩擦碰撞会产生大量的粉末而不能使用，要增加筛分设备去除粉末，且石灰利用率低；
5）石灰在称量、下料过程中还会产生粉末，投入转炉的瞬间粉末会被炉气带走，加重转炉除尘系统负荷，且进一步降低石灰利用率；
6）石灰称量后入炉，产生的粉末会被炉气带出，所含的H2O和CO2要挥发，因此实际入炉的氧化钙量不易准确控制，从而影响炉渣碱度和脱磷硫效果；
7）石灰比石灰石价格高，因此炼钢成本增高，随着能源价格、人工费用的上涨和碳税、能源税和环境税费的征收，石灰和石灰石的价差还会增大，这部分成本还要增加；
8）石灰对转炉的冷却能力不够，因此需加入冷铁料以求热平衡，当废钢不易采购时，要把铁水铸成铁块浪费掉能量之后再加入转炉，无论是自产铁块还是购买铁块，本质上都浪费了能源。同时铸铁设备的运转也消耗能量、需要人工，因此增加了成本；
9）若采用铁矿石增加对转炉的冷却强度，因铁矿石中含有SiO2等，则必须增加石灰加入量和渣量，因此也增加了转炉生产能耗和成本。
为什么迄今为止氧气转炉炼钢前期造渣，选择石灰作为原料而不是选择石灰石，在炼钢的历史文献中还没有查到明确的说明，只看到在空气底吹转炉冶炼中加入少量的石灰石，利用其分解出的CO2增氧的记载。对此合乎逻辑的推测是，在过去使用空气（底吹或侧吹）转炉炼钢的阶段，炉内的热量不足，如果直接加入石灰石在炉内分解吸热，则难以使炉温升高到出钢温度，所以只能把石灰石在炼钢炉之外煅烧，然后再把石灰投入转炉以减少吸热。但转炉炼钢采用纯氧吹炼以后，炉内反应产生的热量已经富余，为此还要加入废钢等冷却剂降低炉温，出钢前如果温度过高还要加入石灰石或白云石降温，所以造渣已经没有理由必须使用石灰了，而应采用氧气转炉可以接受的、更为合理的方法，也就是可以直接把石灰石加入氧气转炉，边煅烧边造渣，省却浪费热能污染严重的煅烧石灰过程。即使是为了利用转炉炼钢中富余的热能去熔化废钢，也不应该在此之前浪费热能污染环境，熔化废钢可以使用电炉去做，在电炉炼钢方面，已有用石灰石代替石灰造渣炼钢的试验报道。
为了在氧气转炉中用石灰石代替石灰造渣，申请人经过2年多的实验室研究，于2009年4月申请中国发明专利，提出了“一种在氧气顶吹转炉中用石灰石代替石灰造渣炼钢”的新方法，一改自托马斯转炉发明以来的130多年、氧气顶吹转炉发明以来50多年间所采用的在石灰窑中煅烧石灰、然后把石灰送往炼钢转炉作造渣剂的生产模式，而把石灰石直接加入氧气顶吹转炉，在炉内烧成石灰做造渣剂，使复杂的生产过程简单化，从而消除“煅烧石灰--氧气转炉炼钢”过程间的资源能源浪费，并减排粉尘和CO2。不仅如此，在转炉吹炼前期，石灰石中分解出的部分CO2会参与铁水反应，产生燃料CO，因此可以增收转炉煤气。2010年4月、5月，在河北省的石家庄钢铁有限责任公司、武安鑫山钢铁公司分别成功地进行了工业试验，结果证明了这一炼钢方法安全有效可行，之后为顺应市场变化又在武安兴华钢铁公司和石家庄钢铁有限责任公司进行了使用石灰石代替石灰，为保证冷铁料加入量而添加焦粒升温的工业试验，也取得了成功。申请专利的“一种在氧气顶吹转炉中用石灰石代替石灰造渣炼钢”的新方法，于2011年1月获得了中国国家知识产权局的专利授权。石家庄钢铁有限责任公司已准备在2011年3、4月份采用新方法进行正常生产，从而将成为世界上第一个采用新炼钢方法规模生产的企业。
申请人所提出的新方法和迄今为止的生产方法的区别如图1和图2所示。由比较可见，新方法过程短，节能减排，减少资源能源浪费，增收CO，优越性明显，是一种气候友好型的先进生产模式。采用这一方法将在给企业带来可观的经济效益的同时，还能够产生巨大的环境和社会效益，减缓地球环境恶化，造福全人类。
图1现行炼钢方法从石灰石转变为炼钢渣的过程
图2新方法从石灰石转变为炼钢渣的过程
上述氧气顶吹转炉中用石灰石代替石灰造渣炼钢相关的基本理论和实验室研究已经进行了4年多，工业试验也逐步开展，迄今为止已经在以下方面取得了成果。
（1）对现在氧气转炉炼钢采用石灰做造渣剂存在的逻辑理论问题和生产中存在的明显矛盾进行了深入探讨，明确了用石灰石代替石灰造渣炼钢的必要性；用比较法考察转炉炼钢时“石灰+废钢”和“石灰石”两种投料模式吸热量的差别，进行了热平衡估算，结果表明采用“石灰石”模式吹炼时炉内的热量足够；在实验室中采用差热分析方法，测定比较了CaO和CaCO3从室温升温至1400℃的吸热量；测定了CaCO3分解成CaO后搁置在20℃、湿度为30%的条件下，重量随时间增加的情况，确认了石灰会吸收水分和CO2；对可能地影响因素进行热平衡计算，确认了转炉中加入石灰石的吸热量约为加入石灰时吸热量的2倍。
（2）在实验室中进行了1100℃和1400℃下石灰石的煅烧试验。结果表明，石灰石颗粒度为20-40mm的尺寸下，石灰石的失重随时间延长而增加，1400℃下的失重增加速度比1100℃时大得多，1400℃下石灰石中的碳酸钙在5分钟左右就可以分解近80%。采用静态恒温法研究了石灰石颗粒在1100℃下的失重现象，并且根据未反应核模型原理，计算比较了不同粒度的球状石灰石颗粒的分解速率和分解层厚度的变化情况。结果表明：在急速加热过程中，大粒度石灰石颗粒的分解速率大于小粒度的，粒度越小单位时间内分解掉的反应层厚度就越大。
（3）在出钢量分别为40吨和60吨的氧气顶吹转炉里，进行了用石灰石代替或部分代替石灰、全铁水或少量加入废钢的工业试验，证明前期吹炼中用石灰石代替石灰化渣快、脱磷效果好，石灰石用量折合为石灰，可以减少约20%。在出钢量分别为35吨和60吨的氧气顶吹转炉里，进行了用石灰石代替石灰、按照现在生产模式加入冷铁料，添加焦粒增加转炉热量的工业试验，证明可以得到前述同样的效果。
（4）采用热力学方法计算讨论了用石灰石代替石灰造渣时，分解出的CO2与炼钢初期铁水中元素反应生成CO的可能性。结果表明，标准状态下，在1200-1600K之间，CO2与铁水中[C]和[Si]反应生成CO的标准自由能的变化都呈负值，反应可以自发进行。这一结果在60吨氧气顶吹转炉试验中得到了验证，从而为今后继续研究优化，充分利用石灰石资源，利用分解的CO2为吹炼前期供氧，并生成CO加以回收奠定了基础。图3是60吨转炉用石灰石代替部分石灰试验中得到的炉气中CO随吹氧时间变化的情况。
图3. 转炉吹氧冶炼过程中炉气成分变化
（5）对于迄今为止的“煅烧石灰―氧气转炉炼钢”方法和申请人提出的新方法在热能消耗上的差别进行了计算比较。研究结果表明，按照吨钢消耗55kg石灰计算，后者比前者节能约86240kJ以上/吨钢， 减排CO2约51kg/吨钢。用新方法生产粗钢，按2010年我国6.2亿吨粗钢产量中85%产自于转炉来计算，我国炼钢行业一年能够节能约4.54×1013kJ以上，少排放CO2 约2.70×107吨。石灰石直接入炉造渣模式节约的能量，约占转炉内铁水中元素氧化放热的8.6%。由此可知，在市场正常运行的条件下，新方法应该给企业带来相应的经济效益，也会产生可观的环境和社会效益。
用石灰石代替石灰造渣炼钢在工艺上的优越可以归纳列举如下。
1）石灰石进货、上料管理比石灰简单；
2）石灰石加入转炉后分解出的CO2具有氧化性，可作为氧化剂强化前期炉内供氧；
3）石灰石分解会使渣-铁面上维持较长时间的低温，有利于吹炼初期铁水脱磷；
4）石灰石分解的瞬间，石灰具有最大的活性，是炼钢最理想的活性石灰原料，这时石灰与炉渣接触，化渣速度加快；
5）石灰石比重大，块度更小些也不必担心会被转炉炉气带出，入炉后急剧受热还会开裂增大表面积，加快烧成与化渣；
6）如果铁水成分合适，能实现全铁水操作，可以减少炉前装废钢铁料等候时间3分钟左右，提高作业率；
7）减少废钢使用可以减少钢中混入有害元素的含量，有利于优质钢冶炼；
8）对于原来需要自铸铁块供给转炉冷铁料的企业，可以不用再铸铁块，减少相关浪费；
9）石灰石中的碳酸钙利用程度增大，分解出的CaO参与固定渣中酸性组分，一部分CO2可参与炉内氧化反应，与碳、硅等反应生成的一部分CO可供回收；
10）有利于实现清洁生产。
申请人在长期的研究中，已经把用石灰石代替石灰造渣炼钢的设想变成了现实，这项工作中国首创，将产生巨大的社会、环境和经济效益，值得关注。在理论研究和实验室实验、工业试验中都取得了值得瞩目的成果，并且很快就有钢铁公司采用这种方法规模化生产，从而把这项研究推进到了相当深入的程度，也能够借此展示出新炼钢方法的先进性。在已经进行的研究工作中，一部分研究成果已经发表，一些成果待发表，都是世界第一次的研究工作，已经发表的报告和在国内的学术交流在同行中引起了很好的反响。但是由于这项研究开展的时间还短，还有很多理论的、实践的问题还有待发现和认识，还要回答工业试验中所观察到的和提出的新问题，还要对此方法的实施进行深入的讨论和探索，因此还有非常多的工作要去做，还需要各方面的支持和资助以保证这项气候友好技术的研发工作能够继续进行下去。
采用新方法生产，炼钢厂可以不添加任何设备，不需要进行技术改造，只是进行吹炼前期工艺的调整，在铁水足够的炼钢厂可以实施全石灰石、铁水+少部分冷铁料炼钢。由于许多钢铁公司设计之初就是考虑使用15%左右的冷铁原料，因而现在实施全石灰石造渣炼钢条件不足，那么可以采用一部分石灰石代替石灰，也可以收到可观的经济效益和环境减排效果。此方法的实施，对于钢铁业的清洁生产将会产生极大的带动，将提高业界的生产效率和生产技术水平，改变对钢铁厂的规划设计思路，有利于建设资源循环性的钢铁行业。
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2.项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题
项目的研究内容有：
（1）石灰石入炉后急速煅烧、化渣的过程机理与数学模拟
炼钢转炉中直接加入石灰石的化渣过程与现行的加入石灰化渣的过程不同，包括一个石灰急速煅烧的阶段，这是研究用石灰石代替石灰造渣炼钢过程的关键问题，虽然已经在工业试验中取得了成功，但是在理论上和实验上都有更深入的工作要做，要确认石灰石急速受热升温时碳酸钙存在的极限温度、这种条件下碳酸钙的分解模式、分解的同时与炉渣反应的可能性，比较石灰石分解后与炉渣反应的速度和石灰与炉渣反应的速度，考察碳酸钙分解产生的CO2对炉渣和铁水的氧化作用，然后用数学方法模拟这一过程进行求解，讨论石灰石和石灰入炉化渣模式的不同。
（2）用石灰石造渣炼钢过程氧枪枪位的控制理论和操作方法研究
石灰石加入转炉后在短时间内需要充足的热量进行分解以参与造渣，一般情况下铁水所具有的物理热不能满足这一要求，所以在短时间内提供需要的化学热就与铁水中元素的氧化放热速度、也就是与氧气喷枪的枪位控制有密切的关系；另外，炉内氧气射流的冲击和对渣/铁的搅拌，可以破坏分别处于渣-铁-气三相中的石灰石的表面附面层，促进热流接触石灰石表面以加速煅烧过程，从而可以加速生成石灰化渣。与此有关的系列理论和实际不同形状大小的转炉的吹炼控制方法都有待于研究。
（3）石灰石分解逸出的CO2在转炉内的行为解析模拟与增收转炉煤气的研究
石灰石颗粒在转炉内应该按照未反应核模型指示的规则一圈圈地烧成，CO2的分解也是逐渐的、连续地进行。这部分CO2在渣-铁-气三相中的行为和在吹炼初期产生的氧化作用、CO/ CO2随温度和时间的变化模式都值得进行深入地研究；另外，如何控制吹炼过程，使氧化反应过程生成的CO浓度尽可能地高，尽可能地增加转炉煤气回收量，还需要在理论上详细的探讨，在方法上需要细化。为了理清这其中相互关联的关系，需要采用数学方法进行模拟和解析。
（4）石灰石加入量与炉渣碱度、脱磷效果关系的调查研究
工业试验发现，与采用现行方法的铁水+大量冷铁料、用石灰造渣炼钢的对比炉次相比，采用铁水+少量冷铁料、用石灰石造渣炼钢的炉次中，石灰石的加入量折合成石灰减少20%左右也可以取得同样的脱磷效果，并且终渣中SiO2浓度降低，炉渣碱度升高，对此有一系列的疑问产生：是由于石灰所含水分并且石灰粉末被炉气带出导致这种结果，还是由别的原因造成，需要在理论上进行深入的讨论，并且需要进一步在工业试验中查证，同时还要在实验室里进行一系列的实验来考察石灰石煅烧-造渣过程的影响，进行定量的研究确认。
（5）溅渣护炉过程对采用石灰石造渣炼钢热平衡的影响及操作合理化研究
溅渣护炉过程会使转炉内丧失大量的热能，过去对这方面研究不够而有所浪费。用石灰石代替石灰造渣炼钢需要吹炼前期有足够的热量，而溅渣护炉过程如果耗能过多，则会减慢石灰石在转炉内的分解速度而于生产不利。为了合理地分配冶炼过程的热能，需要对溅渣护炉过程的热损失量进行测定研究，明确溅渣所必须的时间与出钢温度的关系，炉温上升速度与溅渣结束炉衬温度、铁水温度、冷铁料数量和成分的关系，理清它们之间的关系，建立数学模型进行最优化求解，确定最佳的控制方案，并且在工业试验的基础上制定合理的操作规程。
（6）采用石灰石造渣炼钢前期渣-铁反应的物理化学过程解析模拟
用石灰石造渣炼钢与用石灰造渣炼钢相比，既有不同点也有相同点。为了对用石灰石造渣炼钢的过程有深刻的理解，以及将来对这一生产过程实行计算机自动控制，需要在前人对石灰造渣炼钢过程解析的基础上，明确石灰石造渣的一系列特点，然后用数学方法建立模型，连续地勾划出吹炼前期炉内渣-铁反应的物理化学变化的过程，揭示各组元的行为和变化规律，描绘多组元相图中炉渣成分、温度的变化曲线，探讨最佳的运行途径，并由此确定合适的控制模型与要点，以供将来实行计算机动态控制参考。
（7）对用石灰石造渣炼钢方法的节能减排效果进行分析和验证
如前所述，相对于“煅烧石灰―氧气转炉炼钢”的工艺流程来说，采用石灰石造渣炼钢的节能减排前景是显而易见的，但对于不同的煅烧石灰方式、不同的转炉炉型、不同成分的铁水、不同的操作方式，还会有不同的结果，从而需要对不同模式的生产过程的节能减排效果进行计算分析，以利于比较。在工业推广中将会遇到各种各样的生产模式，需要具体的分析和验证，其结果可作为优化生产模式的参考。
研究目标是：
在理论上，明确氧气转炉用石灰石造渣炼钢过程中出现的一系列物理化学问题，对迄今为止人们对这一方法存在的误解和没有考虑过的问题进行系统的解释；在工艺上，明确用石灰石造渣炼钢过程出现的工艺问题的解决方法，为实际操作提供理论指导和技术支持；对比现行的用石灰造渣炼钢方法，对用石灰石造渣炼钢方法的节能减排效果进行分析和验证，作为优化生产模式的参考。最终把这种先进的生产模式推广开来。
拟解决的关键科学问题有：
（1）石灰石入炉后急速煅烧、化渣的过程分析。其中确认石灰石急速加热升温时碳酸钙存在的极限温度是一个非常重要的理论问题，在这种条件下究竟与炉渣反应的是碳酸钙还是氧化钙，需要验证明确，还有在炉内复杂条件下石灰石边煅烧边化渣的过程解析能否清楚也是关键问题。
（2）氧枪枪位的控制研究。严格地来说，不同的转炉炉型和吹炼阶段，对枪位的要求不同，枪位设定要考虑炉内的气-液搅动、氧气流速度和动能、提高反应速度对供氧的要求、对炉衬的保护、氧枪的特性等。为了解析这些复杂的问题，首先要取几种典型的炉型和氧枪进行解析，结合工业试验的结果进行数学模拟，确认氧枪枪位的控制要点。
（3）增加煤气回收控制的方法。石灰石分解逸出的CO2对于提高吹炼初期炉内的氧化性肯定有利，从而自然要产生反应产物CO。但CO2/CO与温度关系密切，而温度又与氧枪枪位、吹炼方法密切相关，因此在进行工业试验、调整枪位的同时，关键是初期吹炼温度的控制，因此要兼顾研究对于脱磷的影响。
（4）查明渣中SiO2浓度降低的原因。工业试验结果表明终渣中SiO2的浓度有所降低，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的过程中以SiO的形式随CO-CO2气泡逸出，在穿越渣面时没有被熔渣吸收。热力学和动力学分析都表明有这种可能，因此需要进行实验室实验以确认是否有这种脱硅现象存在。
（5）建立溅渣护炉参数与转炉热平衡关系的数学模型。溅渣护炉的操作参数是影响吹炼过程热平衡的主要方面，不同的炉型和喷枪喷吹氮气的速率对溅渣操作结束时的内表面温度影响不同，拟根据典型的工业试验炉型和喷枪喷吹参数、实际溅渣结束时的温度变化，结合生产工艺参数，建立数学模型进行最优化求解。
（6）描绘多组元相图中炉渣成分、温度的变化曲线。吹炼初期渣中组元一直在连续的变化，拟使用三维软件编制出能反映多组元变化的立体图像，根据前期渣-铁反应的物理化学过程解析模拟，分别描绘出用石灰造渣和石灰石造渣两个过程的变化曲线进行比较。
3.本项目的特色与创新之处。
本项目的特色是：
用工业生态的观点研究早已成熟的、有链接关系的两个生产过程，发现了在“煅烧石灰--氧气转炉炼钢”这条工业链上，存在着过程复杂化和资源能源大量浪费、污染环境的现象，然后根据冶金学的基本理论，在炼钢方法上进行改革，提出了一种将原来的两个生产过程合二为一的方法，从而能够有效地消除上述的浪费和污染。这一方法可有效地节省能量，减少CO2的排放，并且在炼钢生产过程中把石灰石中分解出来的一部分CO2自然地加以利用，并可以生成CO当作能源加以回收，理顺了传统的炼钢生产过程间被扭曲的链接关系，科学且低碳，因此将给中国乃至世界带来巨大的经济、环境效益，是中国冶金界对人类文明发展的一个贡献。进一步的基础理论研究，将有利于消除产后期以来对氧气转炉炼钢初期造渣使用石灰石的误解，并对这一新方法的操作提供理论支持与技术指导，从而有利于推动炼钢方法的转型和生产过程的节能减排，减缓人类活动对地球环境的破坏。
创新突破点如下：
（1）对托马斯碱性转炉炼钢法发明130多年来的添加石灰造渣的操作方法和氧气转炉炼钢法发明50多年以来的操作方法进行了变革；
（2）可以消除炼钢造渣原料石灰准备阶段产生的大量粉尘污染和能源浪费，减少CO2排放，炼钢过程中能够有效地利用资源能源、减排粉尘，理顺生产过程间被扭曲的相互制约的关系；
（3）可以澄清过去炼钢学教科书中的一些不确切的观点和概念，揭示石灰石用于氧气转炉造渣炼钢的合理性，理清一些被扭曲的逻辑关系，完善炼钢学的理论和炼钢操作；
（4）发现氧气转炉炼钢使用石灰石代替石灰造渣能够提高碳酸钙的应用价值，其中氧化钙用于造渣，分解出的CO2会参于铁水中杂质元素的氧化反应，反应生成的CO可以回收作为燃料和化工原料，因而能够更充分地利用石灰石这种自然资源。
（5）将更新钢铁生产系统的设计理念，过去认为氧气转炉炼钢一定要加入大量冷铁料作为冷却剂，设计时炼钢能力要比炼铁能力大20%左右，而采用石灰石造渣炼钢，除采用一部分自产废钢外可不用其他冷铁料，炼铁能力略低于炼钢能力即可。
（二）研究基础与工作条件
1.工作基础
本项目工作已经进行了4年多，其间查阅了大量的文献资料，对氧气转炉采用石灰石代替石灰造渣炼钢节能减排的可能性进行了深入的讨论，做了大量的基础实验和理论探索，在所有结果都证明这种方法可行后，提出了发明专利申请并获得了国家知识产权局的授权，与一些钢铁公司合作进行工业试验，在不同条件下的工业试验都取得了成功。在这一项目的研究过程中已培养3名本科生毕业，1名硕士生毕业。近两年多来，已发表及已投稿被录用将要发表的论文共有9篇，多次在国内的钢铁冶金会议和钢铁公司介绍过研究进展，在与同行的讨论中，了解到不同条件的炼钢厂的许多现场问题，然后在实验室进行研究，促进了研究工作的深入。
本人有长期的现场和研究工作经历，对国内外氧气转炉炼钢生产的发展历史和生产方式都非常熟悉，并且在长年的研究中积累了丰富的数据和经验，熟悉各种高温炉、高温显微镜和电子显微镜以及化学分析的操作。能够选定这项世界第一次进行的、有重大意义的创新课题，并且在过去4年多的研究中取得令人满意的结果，同时发现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炼钢的设想变成了现实，推动了本项目的发展，充分显示出了本人在基础研究和应用研究两方面的创新能力，为下一阶段的深入研究奠定了扎实的基础。
2、工作条件
有2×22m2的研究室可作研究人员的工作房间，本学院公用实验室有各种形式的高温炉可做各种高温实验，高温显微镜和电子显微镜的操作人员经验丰富。本人与国内若干钢铁公司有良好的合作关系，可以推动需要进行的工业试验。已经具备一些基本的数值模拟研究设施和模拟用商业软件，可用于数学模型研究和编程开发。
3、个人简介
李宏，男，1954年11月生，工学博士，教授，博导
1970～1973年在江苏省徐州钢铁厂当炼钢工人，1973～1976年在北京钢铁学院炼钢专业学习，1976～1979年在江苏省徐州钢铁厂当炼钢技术员和炉长，1979～1982年在北京钢铁学院炼钢专业读研究生，毕业获工学硕士学位留校工作。1986～1987年在日本东北大学选矿冶炼研究所进修，1993～1994年在日本住友金属工业株式会社波崎研究开发中心进修，1994～2000年在日本东京三菱商事株式会社重机部从事中国钢铁工程项目的建设工作。2005年获日本东北大学金属前沿专攻工学博士学位。主要技术工作和科研工作经历如下：
1980～1994年，参加了中日两国政府间合作项目“含铌、锰、磷及其他元素生铁冶炼技术的共同研究”和“攀枝花复合矿物中所含稀有元素有效利用的共同研究”，主要承担的研究内容有：包头铁水提铌、铁水脱磷脱硫及渣-铁反应平衡、氯化挥发法和湿法处理攀枝花炼钢炉渣提取镓和钒、渣中微量镓的化学分析方法等。
1994～2000年，在三菱商事株式会社重机部工作，从事国内钢铁工程项目的技术交流、谈判及建设工作，参加的主要工程项目有：1）宝钢三期：焦炉三电、矿石破碎设备、原料码头、炼铁中心试验室、1580热轧和1550冷轧；2）武钢2250热轧；3）鞍钢：1780热轧、三炼钢RH、矿渣公司破碎设备、大型厂改造、冷轧镀锌线；4）唐钢薄板坯连铸连轧。其中，从技术交流、谈判到现场施工、试车、投产、验收，完整地参加并组织了鞍钢1780热轧生产线的建设工作。
从2000年～现在，在北京科技大学从事教学与科研工作。曾与国内若干大中型钢铁公司合作，从事关于洁净钢冶炼技术和连铸坯缺陷控制的研究；另外开展了钢中夹杂物的凝聚理论及控制、大气中CO2固定与利用、节能低污染冶金技术开发方面的研究工作。为了减少钢铁生产过程对自然界的污染和理顺炼钢过程的逻辑关系，节能减排，于2006年开始研究在氧气转炉中用石灰石代替石灰造渣炼钢的问题，迄今已经在基本理论和工业试验中取得了很大的进展，现正继续进行深入的探索。
从1987年～现在，在国内外杂志、会议上发表上述相关研究领域的论文80余篇。其中关于转炉冶炼、高温状态的渣--钢反应、有价金属综合利用、节能减排方面的文章有20余篇，这类文章大多在上世纪八十、九十年表，其中有一些是师从于我国著名冶金学家林宗彩教授、周荣章教授和世界著名冶金物理化学学家水渡英昭教授时的研究结果；2000年后，与我国著名冶金学家曲英教授合作进行研究，发表了一些有关高温余热利用、生态冶金方面的文章；2010年后发表的关于氧气转炉中用石灰石代替石灰造渣炼钢节能减排方面的论文已有5篇，另外还投出了4篇这方面的论文已被录用，将在2011年内发表。
迄今为止，已经获中国发明专利10余项，中国实用新型专利4项，其中包括已经获得国家知识产权局授权的关于本项目的1项发明专利和1项技术延伸的实用新型专利。著作方面，2000年从日本归国后受托翻译的《钢铁冶炼》、《炉外精炼》，已分别于2001年和2002年由冶金工业出版社出版；其后参编高等学校教材《钢铁冶金-炼钢学》，于2007年由高等教育出版社出版，在书中独立编写了第二章《炼钢基本反应》。
（2）王丽华，女，高级工程师
近年来关于氧气转炉用石灰石代替石灰造渣炼钢方面的研究成果
已发表部分：
[1] 李宏，曲英．一种在氧气顶吹转炉中用石灰石代替石灰造渣炼钢的方法．中国专利：ZL200910082071.X．申请日：2009.04.21，授权日2011.01.19
[2] 李宏．氧气转炉用石灰石代替石灰造渣炼钢节能减排技术．金属世界，2010.7，No.4，6～8
[3] 李宏，曲英．氧气转炉用石灰石代替石灰造渣炼钢节能减排初探．中国冶金，2010.9，59～62，（中国金属学会会刊）
[4] 李宏，郭洛方，李自权，宋文臣，李永卿，严鹏程. 转炉低碳炼钢及用石灰石代替石灰的研究．第十六届全国炼钢学术会议文集，2010.12，116～120（获评优秀论文）
[5] 郭洛方，李宏，李自权，严鹏程，董大西，梁孜，王恭亮，张红卫，李胜利．转炉炼钢过程CO2向CO的转化与煤气再生回收．2010中国可再生能源科技发展大会论文集，第Ⅱ卷，2010.12，中国北京：828～832，美国科研出版社（Scientific Research Publishing,USA）（ISTP收录）
[6] 李自权，李宏，郭洛方，严鹏程，董大西，梁孜，王恭亮，张红卫，李胜利．石灰石加入转炉造渣炼钢过程的行为初探. 炼钢. Vol.27（2011），No.2，33～35，55.（核心刊物）
已投稿即将发表部分：
[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可再生能源与环境材料国际会议-上海，已录用待发表（EI 收录）
[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) , 已录用待发表（EI 、ISTP 收录）
[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), 已录用待发表 （EI 、ISTP 收录）
[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，已录用待发表 （SCI 收录）