王德勇，何 亮

(甘肅酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

摘 要: 酒鋼開(kāi)展了 120 t 轉(zhuǎn)爐底吹 CO₂應(yīng)用研究 ，分別從 CO₂底吹對(duì)冶煉過(guò)程中鋼水成分、爐渣、鋼鐵料消耗、冷卻效應(yīng)、終點(diǎn)自由氧含量以及 O₂消耗的影響進(jìn)行了探討分析，碳鋼 CO₂在轉(zhuǎn)爐底吹上的應(yīng)用可有效降低生產(chǎn)成本、 提高鋼水質(zhì)量。

關(guān)鍵詞: 轉(zhuǎn)爐; 底吹; CO₂ ; 煉鋼

0 引言

酒鋼碳鋼薄板廠煉鋼裝備情況: 現(xiàn)有 3 座容量120 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，3 座 120 t 三相交流 LF 鋼包精煉爐，1 座 120 t ＲH 爐、2 臺(tái)常規(guī)連鑄機(jī)、2 臺(tái)薄板坯連鑄機(jī)。

國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的碳鋼轉(zhuǎn)爐底吹氣體的選擇一般采用普通的 Ar、N2 等惰性氣體進(jìn)行底吹，部分特鋼轉(zhuǎn)爐采用 O₂ 作為底吹氣體，一些特殊功能的轉(zhuǎn)爐采用了天然氣作為底吹氣體。伴隨碳交易的興起，國(guó)內(nèi)碳達(dá)峰、碳中和要求的提出，鋼鐵行業(yè)在CO₂ 資源化利用方面出現(xiàn)了一些研究成果，特別是北科大關(guān)于 CO₂ 在鋼鐵冶煉過(guò)程的理論研究，為在煉鋼過(guò)程應(yīng)用 CO₂ 提供理論支撐。結(jié)合 CO₂ 基本特性，圍繞其在轉(zhuǎn)爐底吹的應(yīng)用展開(kāi)研究。由于 CO₂ 作為一種氣源在鋼鐵企業(yè)中多數(shù)尚不能實(shí)現(xiàn)自給，故此采用外購(gòu)液態(tài) CO₂ 進(jìn)行供氣，氣體資源受到一定限制，頂槍流量大氣體資源難以自持，底吹流量相對(duì)較小，故優(yōu)先考慮在轉(zhuǎn)爐底吹氣體上進(jìn)行應(yīng)用。

1 試驗(yàn)基本條件

本次試驗(yàn)主要生產(chǎn)低碳鋼和中碳鋼，轉(zhuǎn)爐基本情況見(jiàn)表 1。根據(jù)實(shí)際工況條件，常規(guī)工藝與試驗(yàn)工藝均采用 6 支底吹元件，布置在兩個(gè)不同半徑的分度圓上，如圖 1 所示。本次試驗(yàn)使用 CO₂氣體濃度＞99%，CO2槽車單次填裝量為 25 t。

2 轉(zhuǎn)爐 CO₂ 底吹工藝的應(yīng)用效果及理論分析

2．1 底吹供氣模式和供氣強(qiáng)度選擇

在正常的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)成分變化，對(duì)底吹供氣模式和供氣強(qiáng)度做出調(diào)整。底吹CO₂ 的供氣模式可分為不同的情況: ①開(kāi)吹到出鋼結(jié)束全程采用底吹 CO₂ ; ②吹煉前期、中期、后期可根據(jù)不同的產(chǎn)品選擇不同的 CO₂ 底吹供氣曲線，供氣強(qiáng)度可選擇在脫碳期加大強(qiáng)度，吹煉末期降低強(qiáng)度; 具體可根據(jù)冶煉的產(chǎn)品要求選擇不同的供氣模式和供氣強(qiáng)度。

2．2 CO₂ 冷卻效應(yīng)

CO₂ 在冶煉過(guò)中的主要反應(yīng)如下:

CO₂( g) + ［C］= 2CO( g)

137 890－126．52 T ΔGθ ＜0

因該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，故反應(yīng)會(huì)使熔池溫度有相應(yīng)的降低。冷卻效應(yīng)分析見(jiàn)表 2。

根據(jù)冶煉過(guò)程中物料平衡及熱平衡，依據(jù)本廠物料冷卻效應(yīng)進(jìn)行熱平衡量差分析; 出鋼溫度試驗(yàn)爐次比正常爐次高 2．82 ℃，綜合計(jì)算得出 CO₂ 冷卻效應(yīng)為 12．22 ℃，考慮實(shí)際的偏差，CO₂ 的冷卻效應(yīng)不大于 15 ℃。

在計(jì)算過(guò)程中，在全鐵水為冶煉原料的條件下， 煉鋼過(guò)程的熱量總收入與熱量總支出的差值。由于CO₂與熔池元素的反應(yīng)為吸熱或微放熱反應(yīng)，隨著CO₂噴吹比例的增加，CO₂參與熔池反應(yīng)帶來(lái)的熱量減少越多( 相比純氧) 。因此，可以根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)爐熔池對(duì)熱量的需求控制 CO₂噴吹比例，為形成最佳供氣方案和原料配比，為優(yōu)化煉鋼過(guò)程的爐料結(jié)構(gòu)提供了思路和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2．3 鋼水主要成分分析

本次試驗(yàn)選取中碳鋼、低碳鋼分別對(duì)終點(diǎn)控制情況進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表 3。

2．3．1 P、Mn 的成分控制

在入爐裝入結(jié)構(gòu)、鐵水溫度和成分基本一致的情況下，試驗(yàn)爐次與正常爐次相比鋼水成分控制出現(xiàn)變化，試驗(yàn)爐次鋼水終點(diǎn)殘錳、鋼水磷含量略有升高，主要是 CO₂的氧化性低于 O₂，造成鋼水 Mn、P 的氧化弱于 O₂。因此，選擇 CO₂ 底吹時(shí)，可選擇在吹煉的不同時(shí)期吹入 CO₂，以獲得不同的效果。如吹煉末期吹入 CO₂ 提高終點(diǎn)殘錳含量以降低錳系合金消耗，吹煉末期停止吹入 CO₂ 用其它惰性氣體代替可使終點(diǎn)磷含量進(jìn)一步降低等，終點(diǎn)磷含量情況對(duì)比如圖 2 所示。

CO₂應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐底吹時(shí)，有利于提高脫磷率，主要有以下三方面原因^［1］: ①在吹煉前期，Si、Mn 與 O的反應(yīng)將放出大量的熱量，熔池溫度波動(dòng)較大，而當(dāng)混入 CO₂后，具有一定的吸熱效應(yīng)，會(huì)減少熔池中元素總的氧化放熱量，對(duì)吹煉前期具有較好的控溫作用，提供良好的脫磷熱力學(xué)條件，有利于轉(zhuǎn)爐熔池脫磷; ②吹入的 CO₂與熔池元素反應(yīng)均可產(chǎn)生 CO 氣體，同時(shí)由于 2 體積的 CO₂代替 1 體積的 O₂，增大了吹入的氣體量，氣體量越大對(duì)熔池?cái)嚢柙綇?qiáng)，提供良好的脫磷動(dòng)力學(xué)條件，促進(jìn)了脫磷應(yīng)的進(jìn)行; ③由于 CO₂參與反應(yīng)的控溫作用，使轉(zhuǎn)爐熔池溫度較長(zhǎng)時(shí)間處于利于脫磷的溫度區(qū)間，脫磷期相對(duì)延長(zhǎng)，使脫磷反應(yīng)能夠較為充分的進(jìn)行。

2．3．2 碳的選擇性氧化

在一定的總壓條件下，當(dāng)氣相中 CO 較少而CO₂較多時(shí)，C、P 選擇性氧化的轉(zhuǎn)變溫度較低，此時(shí)實(shí)際冶煉溫度低于轉(zhuǎn)變溫度，P 比 C 優(yōu)先被氧化。當(dāng)氣相中 CO 較多，CO₂較少時(shí)，C 比 P 優(yōu)先被氧化。當(dāng)吹煉終點(diǎn)接近脫碳臨界值時(shí)，C 含量向反應(yīng)界面的傳質(zhì)受到限制，CO 產(chǎn)生減少，此時(shí)鋼水 O 含量上升，此時(shí)優(yōu)先氧化 P。也可以認(rèn)為此時(shí)脫碳臨界值升高。

CO₂( g) + ［C］= 2CO( g)

137 890－126．52 T ΔGθ ＜0         (1)

CO₂( g) +2 /5［P］= 1 /5( P₂O₅ ) +CO( g)

245+19．753 T ΔGθ ＞0              (2)

2．4 爐渣成分與輔料消耗對(duì)比分析

2．4．1 爐渣成分對(duì)比分析

終點(diǎn)爐渣成分對(duì)比分析情況見(jiàn)表 4。

從表 4 對(duì)比可看出，試驗(yàn)爐次渣中爐渣 MnO、爐渣 Ｒ 均低于正常爐次; MgO、P 含量控制上，中碳鋼試驗(yàn)爐次 MgO 與正常爐次相差不大，低碳鋼試驗(yàn)爐次低于正常爐次，F(xiàn)eO 含量試驗(yàn)爐次低于正常爐次; 爐渣成分差異在可控范圍內(nèi)。

總體上爐渣堿度降低、渣中 FeO 降低的同時(shí)爐渣脫磷能力得到了提高，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件改善是主要原因。

2．4．2 輔料消耗分析

本次試驗(yàn)采用 CSP 鋼種，底吹 CO₂ 爐次與正常爐次裝入未做調(diào)整，試驗(yàn)爐次與正常爐次裝入制度基本一致。對(duì)輔料消耗情況分別進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表 5。

從表 5 可知，中碳鋼試驗(yàn)爐次石灰用量比正常爐次石灰用量略低，低碳鋼試驗(yàn)爐次石灰用量比正常爐次略高，輕燒白云石試驗(yàn)爐次總體比正常爐次多，礦石試驗(yàn)爐次吃入量相比正常爐次吃入量少?？傮w上輔料的變化與熱量相關(guān)，就 CO₂ 的特性，因其攪拌強(qiáng)度增大，可有效降低堿度和總渣量，因此可按照降低輕燒白云石、石灰用量的方向進(jìn)行輔料用量調(diào)整，為降低煉鋼輔料成本提供了支撐。

2．5 鋼鐵料消耗分析

根據(jù)不同的鋼種冶煉情況，分別進(jìn)行鋼鐵料消耗的分析，見(jiàn)表 6。

從表 6 可知，中碳鋼底吹 CO₂ 爐次鋼鐵料消耗相比正常爐次降低 0．93 kg /t，低碳鋼底吹 CO₂ 爐次鋼鐵料消耗相比正常爐次降低 1．03 kg /t。

根據(jù)煉鋼粉塵蒸發(fā)理論機(jī)理，煉鋼粉塵主要是由熔池高溫引起的元素蒸發(fā)造成的，底吹 CO₂使熔池產(chǎn)生 CO₂( g) + ［C］= 2CO( g) ，產(chǎn)生的 CO 氣泡體積是吹入 CO₂的 2 倍可加速熔池?cái)嚢?，CO₂的脫碳反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因而吹入 CO 均勻火點(diǎn)區(qū)和熔池溫度; 同時(shí)，因攪拌強(qiáng)度加大，反應(yīng)速率提高，降低了Fe 的氧化，煙塵中的損失相應(yīng)減少。

在冶煉過(guò)程中，雖然攪拌強(qiáng)度加大，但冶煉過(guò)程中的噴濺明顯降低，吹煉的穩(wěn)定性明顯提高，其原因是在爐渣表面性質(zhì)不變的情況下，CO 氣體體積增大利于氣體的排出，因此，轉(zhuǎn)爐的冶煉過(guò)程噴濺相應(yīng)減少。鋼鐵料消耗的降低是由于轉(zhuǎn)爐煙塵中的金屬損失減少、轉(zhuǎn)爐噴濺損失降低的結(jié)果。CO₂ 為鋼鐵料消耗指標(biāo)降低提供了新途徑。

2．6 碳氧積分析

以 CSP 低碳鋼碳氧積為例進(jìn)行對(duì)比分析，CSP低碳鋼選擇同類鋼種，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn) C 含量為 0．035% ～0．04%的爐次進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表 7。

進(jìn)行終點(diǎn)碳氧積對(duì)比，正常冶煉終點(diǎn)的碳氧積平均為 22．23×10^－4 ，底吹 CO₂ 工藝下終點(diǎn)碳氧積為20．75×10^－4 ，降低了 1．48×10^－4 ，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的氧含量降低了 52×10^－6 ?？傮w上降低了鋼水自由氧含量，降低了脫氧合金的用量，對(duì)鋼水夾雜物的控制從源頭上進(jìn)行降低。

2．7  O₂ 消耗

試驗(yàn)過(guò)程中 O₂ 消耗情況對(duì)比，見(jiàn)表 8。

從表 8 可知，各鋼種 O₂ 消耗試驗(yàn)爐次相比正常爐次低，平均 O₂ 消耗每爐試驗(yàn)爐次比正常爐次低444．1 m³ 。

底吹 CO₂與底吹 Ar 爐次對(duì)比，底吹 CO₂的攪拌強(qiáng)度增加脫碳速度提高，當(dāng)?shù)竭_(dá)吹煉終點(diǎn)時(shí)，同等 C含量的情況下，O₂的消耗量降低，由于 CO₂的弱氧化性，O₂消耗隨著 CO₂用量的增加而減少。實(shí)際檢測(cè)O₂消耗試驗(yàn)爐次 O₂消耗低于正常爐次 3 ～ 4 m³ ，供氧時(shí)間相應(yīng)縮短 50～60 s。鋼水終點(diǎn)碳含量一致的情況下，吹入 CO₂ 可有效的降低終點(diǎn)鋼水過(guò)剩氧。

鐵水C含量 1% ～ 4% 內(nèi)CO₂利用率最高達(dá)到89．8%，此后隨著C含量逐步降低，C 含量在 0．1% ～0．5%，其利用率大幅度下降到59．2%，因此，為最大限度提高 CO₂ 的利用率，可加大吹煉前中期的供氣強(qiáng)度，提高脫碳速率。

2．8 對(duì)爐底透氣元件的影響

CO₂與熔池中［C］、Fe 反應(yīng)時(shí)吸熱，與［Si］、［Mn］反應(yīng)時(shí)放熱。底吹元件如采用毛細(xì)管式透氣磚，在吹煉前期透氣元件不應(yīng)暴露在鋼水中，新?tīng)t開(kāi)爐后在爐底透氣磚上應(yīng)快速形成爐渣保護(hù)層。

3 成本測(cè)算

轉(zhuǎn)爐底吹 CO₂適用于全部鋼種的冶煉?？稍阡撹F料、輔料、合金、能源介質(zhì)等方面降低成本，通過(guò)實(shí)踐降低綜合成本 6．06 元/t。

4 結(jié)語(yǔ)

⑴轉(zhuǎn)爐底吹 CO₂ 適用于轉(zhuǎn)爐冶煉的所有鋼種，冶煉過(guò)程脫碳期的存在為 CO₂ 發(fā)揮其特性提供了支撐。

⑵根據(jù)冶煉產(chǎn)品的要求，用戶可根據(jù)需求調(diào)整供氣模式和供氣強(qiáng)度。

⑶CO₂ 在轉(zhuǎn)爐底吹上的應(yīng)用可有效降低冶煉成本、提高鋼水質(zhì)量。

參考文獻(xiàn):

［1］ 朱 榮．二氧化碳煉鋼理論與實(shí)踐［M］．北京: 科學(xué)出版社，2019．