二氧化碳在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應用與創(chuàng)新

李長華

（唐鋼中厚板材有限公司生產(chǎn)科，河北 唐山 063000）

在我國鋼鐵產(chǎn)量中，轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)量占總比例85%以上。轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中通常采用O2為頂吹氣體、N2或Ar 或N2-Ar 切換作為底吹氣體，但這樣的工藝模式煙塵量大，并且鋼鐵料消耗高，脫磷效果也不理想。隨著我國轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的不斷改進，采用底吹二氧化碳氣體進行轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝。在生產(chǎn)過程中二氧化碳氣體參與熔池反應，這樣的工藝模式遠優(yōu)于傳統(tǒng)煉鋼方法。近年來伴隨著煉鋼工藝的逐步改進，通過大量的生產(chǎn)時間摸索。在底吹二氧化碳中摻入氧氣射流，可有效控制煉鋼過程中煙塵產(chǎn)生量，大幅提升轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，各種指標優(yōu)化。基于目前我國轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀本文，結(jié)合相關熱力學和動力學理論知識，分析了在煉鋼過程中二氧化碳與熔池元素反應機理，分析二氧化碳在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，作為底頂復吹氣體的可行性，從而為轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，節(jié)能降耗發(fā)展提供理論參考。

1 熱力學和動力學原理

1.1 熱力學分析

在 1300℃以上，CO2屬于弱氧化性氣體，與熔池中C、Si、Mn 和Fe 均能發(fā)生氧化反應，各種反應機理明細如表1 所示。

表1 CO2 與熔池元素的反應機理

在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程初期，溶池中的硅錳元素含量較高，二氧化碳與Si、Mn 元素進行放熱反應。將對傳統(tǒng)工藝而言，放熱量可節(jié)約70%左右，在吹煉中期Si、Mn 元素已被大量氧化，二氧化碳主要與鐵水中的C 元素進行反應，此反應過程為吸熱反應，在這一過程中，頂部吹入伴隨氧氣射流的二氧化碳氣體可降低高溫火點區(qū)溫度。從轉(zhuǎn)爐底部吹入CO2，可代替底吹N2-Ar，加強熔池攪拌，進而促進整個轉(zhuǎn)爐煉鋼過程快速完成。

1.2 動力學分析

與Ar 和N2不同，CO2與熔池中Si、Mn 進行氧化反應，在這一反應過程中，整個氣體體積并沒發(fā)生變化。所以在整個轉(zhuǎn)爐底吹二氧化碳氣體發(fā)生熔池攪拌的過程中整個能量包括以下幾個方面：第一，二氧化碳氣體噴出過程的初始動能；第二，CO2氣體從室溫熱膨脹到鋼水溫度過程中的膨脹熱能；第三，CO2氣體與鋼水反應釋放的熱能；第四，CO2等混合氣體上浮時的動能。

2 火點溫度分析

對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝過程中的煙塵產(chǎn)生原理進行分析，通過大量的生產(chǎn)實踐，在整個煉鋼過程中，煙氣的產(chǎn)生主要源于氧氣射流在高溫狀態(tài)下使鐵發(fā)生氧化反應，F(xiàn)eO 和Fe2O3是煉鋼煙塵的主要成分，因此降低射流火點區(qū)域溫度可有效降低整個轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中的鐵耗。

在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中負一熱量主要集中在轉(zhuǎn)爐煉鋼的高溫反應區(qū)，煉鋼過程中二氧化碳與熔池中的元素發(fā)生反應，反應比例占火點區(qū)溫度的30%以內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的進行，火點區(qū)溫度伴隨二氧化碳反應而降低，當反應比例超過50%，火點區(qū)溫度應低于2400℃，這一溫度遠小于鐵的蒸發(fā)溫度2750℃，從而可以有效的抑制轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中的煙塵量產(chǎn)生。這一反應原理如圖1 所示。

圖1 火點區(qū)溫度隨CO2 比例變化

3 轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)實踐

3.1 生產(chǎn)實踐匯總

（1）供氣方案

本文對150 噸轉(zhuǎn)爐進行頂?shù)讖痛刀趸紵掍摴に囘^程進行現(xiàn)場實踐跟蹤。與傳統(tǒng)煉鋼工藝不同，復吹二氧化碳工藝轉(zhuǎn)爐頂部吹入O2和二氧化碳混合氣流，底部吹入二氧化碳氣體。如表2 所示。

表 2 供氣方案

3.2 取樣方案

整個煉鋼過程采用濕法除塵。從開始吹煉過程到終結(jié)，每隔1.5 分鐘對煙塵進行一次取樣，每次取樣100 毫升。對樣品利用烘箱進行處理，一般鎂爐鋼共取8 個煙塵試樣。轉(zhuǎn)爐煉鋼過程結(jié)束后，倒爐完成曲鋼樣和渣樣。對所有樣品進行綜合化驗分析。

4 實驗結(jié)果分析

通過對大量的煙塵量，鋼水和爐渣成分進行化驗分析。探討二氧化碳氣體對于轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的可行性。

4.1 煙塵量及 TFe 含量

圖2 為兩種工藝條件下轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中煙塵含量隨時間變化情況分析圖。從圖中可以看出，采用復吹二氧化碳工藝后在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的前期和后期相對傳統(tǒng)工藝而言煙塵含量中TFe 元素可降低10%左右，中期煙塵含量中TFe 元素降低幅度開始逐步趨于緩和。

圖2 平均煙塵量及煙塵 TFe 隨冶煉時間的變化

在冶煉額前期和后期，Si、Mn與二氧化碳發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生的攪拌作用，主要依靠頂吹氣體和頂吹氣體的射流作用。吹入轉(zhuǎn)爐中的二氧化碳氣體，有效降低了轉(zhuǎn)爐溫度，從而減少了煙塵的產(chǎn)生。圖 3 為兩種工藝條件下平均煙塵總量及煙塵TFe 對比圖。

圖3 平均煙塵總量及煙塵TFe 對比

與傳統(tǒng)煉鋼工藝相比，采用頂?shù)讖痛刀趸細怏w煉鋼工藝模式后，煙塵含量明顯降低，每爐鋼可降低1.64g/100 mL，降幅為11.1%，其中煙塵中 TFe含量降低1.16g/100 mL，降幅為12.8%。

4.2 煙塵及 TFe 分布

圖4 圖5 分別為兩種工藝條件下轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中煙塵含量和煙塵中 TFe 含量分布圖，圖中曲線所代表含義為常規(guī)工藝模式和采用復吹二氧化碳工藝條件下煙塵含量及煙塵 TFe 含量分布趨勢線。

圖4 兩種工藝條件下的煙塵量分布

圖5 兩種工藝條件下的煙塵 TFe 分布

4.3 鋼水及爐渣成分變化

圖6 為兩種工藝模式下鋼水及爐渣成分變化對比圖。從圖中可以看出采用復吹二氧化碳煉鋼工藝模式，有利于降低鋼水中的N、P 含量和鐵損耗，通過生產(chǎn)實踐數(shù)據(jù)匯總，發(fā)現(xiàn)改進后的工藝模式N、P 含量降低比例分別為50% 和 23.33%，爐渣 TFe和( FeO) 含量分別降低了3.10%和3.97%。

圖 6 鋼液及爐渣平均成分對比

4.4 氧氣消耗及冶煉時間

轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝采用撫吹二氧化碳模式后，平均每爐鋼氧氣消耗量從原有1700m3降至1670m3。大幅縮減了整個煉鋼工藝過程中的氧氣消耗量。原有煉鋼時間為12～13 分鐘。通過工藝模式的改進后，這一煉鋼時間基本未發(fā)生變化，但采用噴吹二氧化碳作為氧化性氣體后，提高了轉(zhuǎn)爐煉鋼的反應速率。

5 結(jié)論

在煉鋼轉(zhuǎn)爐頂部噴吹CO2～O2、底部噴吹CO2氣體，這一模式后，通過大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可得出一下結(jié)論：①采用轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖痛刀趸細怏w煉鋼工藝模式，有效降低了煉鋼過程中煙塵的含量，同時也降低了煙塵中 TFe 含量。每爐鋼煙塵降低1.64g/100mL，降幅為11.1%，TFe 含量降低1.16g/100 mL，降幅為12.8%。②二氧化碳氣體在整個轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，對鋼水中的N、P 元素起到了有效的去除作用，并且降低了爐渣中的鐵損耗。N、P 含量降低比例分別為50%和23.33%，爐渣TFe 和( FeO)含量分別降低3.10%和3.97%。③采用轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖痛礐O2氣體煉鋼工藝降低了煉鋼氧耗，煉鋼時間未發(fā)生變化。