O2-CO2混合噴吹條件下鐵水中元素氧化動(dòng)力學(xué)

楊 泉， 馮 力， 顏 露

(江蘇省金屬學(xué)會(huì)，江蘇 南京 210002)

引 言

鋼鐵工業(yè)是能源密集型行業(yè)[1]，消耗大量的化石能源，排放大量的CO2。轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝已經(jīng)成為目前最主要的煉鋼方法，而轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中會(huì)產(chǎn)生大量的CO2，對環(huán)境造成污染[2]。全球鋼鐵產(chǎn)量排名已經(jīng)連續(xù)8年被中國鋼鐵業(yè)刷新并獨(dú)占鰲頭[3]，2014年中國粗鋼產(chǎn)量達(dá)到8億噸，CO2排放量高居世界前三。解決這一問題不外乎兩種方法，一是開發(fā)新技術(shù)提高能源的利用效率，減少CO2的排放；二是開發(fā)新的冶煉工藝，使CO2參與煉鋼反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)CO2的循環(huán)利用。

目前已有工作將CO2回收作為煉鋼過程中的攪拌氣源和保護(hù)氣源，成為降低CO2排放、實(shí)現(xiàn)煉鋼過程節(jié)能降耗及提高鋼水質(zhì)量的有效手段，目前已經(jīng)取得了顯著的研究進(jìn)展。澳大利亞布羅希爾(BHP)懷阿拉廠[4]兩座120噸轉(zhuǎn)爐上應(yīng)用了CO2攪拌技術(shù)，使鋼中氮含量從(30～70)×10-6的較寬范圍(采用N2攪拌技術(shù))穩(wěn)定地降低到40×10-6以下，爐齡也提高到1400～1550爐次。T Bruce[5]等人報(bào)道了利用CO2代替Ar對鋼液進(jìn)行攪拌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：冶煉高品質(zhì)鋼時(shí)，底吹CO2對鋼液基本沒有不良的影響。 H Katayama[6]等人報(bào)道了北美和法國煉鋼廠將干冰放于出鋼前的鋼包內(nèi)，可使鋼中w(N)降低40%～87%，有利于生產(chǎn)低氮鋼等高品質(zhì)鋼。近年來，CO2作為鋼液保護(hù)氣體也被相繼用于煉鋼生產(chǎn)中[7]。何平[8]等人對底吹CO2與碳作用機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)底吹CO2條件下(無頂吹情況)，鋼液的脫碳速率在w(C)>0.6%～0.8%時(shí)主要受供CO2速率控制，在w(C)<0.6%～0.8%，鋼液中碳的傳質(zhì)速率成為主要的影響因素。北京科技大學(xué)朱榮教授課題組[9-15]對CO2在煉鋼中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)生產(chǎn)研究，提出了COMI煉鋼工藝，該工藝可以降低煉鋼火點(diǎn)區(qū)溫度，減少煙塵，提高了脫磷能力。但是目前將CO2作為頂吹反應(yīng)氣體來代替部分氧氣，在此混合噴吹條件下，鐵水中元素的氧化動(dòng)力學(xué)研究很少。本文探究了在1873 K條件下，用不同比例的O2-CO2混合氣體噴吹Fe-C-Si合金熔體中碳和硅的氧化動(dòng)力學(xué)。

1 理論分析

1.1 熱力學(xué)分析

鐵、碳、硅與二氧化碳反應(yīng)的ΔGθ如下：

Fe(l)+CO2(g)=FeO+CO(g),

ΔGθ=48980-40.62T

(1)

C+CO2(g)=2CO(g),

ΔGθ=137890-126.52T

(2)

ΔGθ=-123970+20.59T

(3)

如圖1所示，在煉鋼溫度下CO2可以將熔池中碳和硅氧化，并且從碳和硅的ΔGθ-T交點(diǎn)可知碳和硅的氧化有選擇性氧化的特點(diǎn)。將……