底吹二氧化碳技術在宣鋼150t轉爐的實踐應用

牛莉莉

減少CO2排放是當今世界關注的焦點，鋼鐵工業由于其屬于能源密集型產業而成為CO2排放的大戶。2019年我國粗鋼產量達到9.96億t，CO2排放強度為2.0t/t，鋼鐵行業CO2排放量超過20億t，我國重點鋼廠的碳排放占到全國碳排放總量的16%以上，我國承諾，到2030年單位GDP碳排放比2005年下降60%～65%。減少CO2排放的途徑主要有三種：一是研發新技術、使用新能源，減少石油等能源的使用；二是研發CO2封存技術；三是將CO2回收作為資源重復利用。目前冶金過程的CO2減排完全依賴第一種途徑，即工序節能及余能利用等。

1 工藝裝備情況

宣鋼150t轉爐煉鋼作業區主要包括以下設備：8套在線鐵水罐傾翻裝置，2座公稱容量為150t的頂底復吹轉爐，2座在線吹氬站，2座KR型鐵水脫硫站、2座150t的LF雙工位鋼包精煉爐，1座RH真空循環脫氣裝置，兩臺12機12流小型方坯連鑄機。

150t頂底復吹轉爐底吹供氣元件位于爐底內外環承X狀對稱分布，共有八組單孔式供氣磚，內外環各4塊。砌筑的具體位置分布見下圖。

圖1 爐底底吹供氣組件砌筑圖

圖2 爐底底吹供氣元件分布圖

宣鋼二鋼軋廠煉鋼作業區150t頂底復吹轉爐于2010年11月投產，其同步投入生產的底吹工藝一直使用至今。原工藝設計使用底吹氣體為氮氣和氬氣，根據日常冶煉鋼種不同，目前底吹供氣模式采用以下三種，分別以A、B、C命名，A模式為全程使用氮氣模式，B模式為全程使用氬氣模式，C模式為氮氬12min切換模式。底吹供氣磚共有8塊，依據現場生產實際情況，目前單眼底吹流量普鋼設定為35m3/h，非普碳鋼底吹流量設置為25m3/h，底吹元件供氣強度分別為0.017m3/t·min～0.023m3/t·min。

2 底吹CO2系統介紹

2.1 底吹CO2工藝簡介

宣鋼150t轉爐底吹CO2工藝流程為：CO2液態儲罐→空浴式汽化器→水浴式汽化器→CO2氣態儲罐→穩壓裝置→底吹控制閥組→轉爐。

2.2 底吹CO2技術原理

依據冶金熱力學原理：CO2雖然屬于弱氧化性氣體，但在煉鋼環境所處的較高溫度下，CO2與碳等元素發生氧化反應是完全可以進行的，如表1所示。

表1 反應的熱力學數據

圖3 底吹CO2工藝流程圖

由于CO2與鋼中碳反應需要吸收熱量，所以通過調節CO2底吹流量和切換底吹介質，可以實現對煉鋼脫磷過程中溫度的調控，為脫磷反應的順利進行創造良好的熱力學條件；在冶煉過程中CO2與鋼液中碳元素反應生成大量的CO氣泡，強化了鋼液熔池的攪拌，為脫磷反應創造了良好的動力學條件，為熔池提供了良好的脫磷及終點碳、氧的控制條件。將CO2作為轉爐的底吹攪拌氣代替Ar進行底吹，可減少氬氣消耗，增強攪拌能力，提高脫磷及降低渣中鐵損，節約生產成本，以上結果均具有理論依據并在工業試驗中得到驗證。

3 底吹CO2技術的應用效果

3.1 底吹CO2對鋼鐵料消耗的影響分析

對實驗的六百爐次數據進行統計分析，分鋼種HRB400，SWRH82B，ER70S-6E，如下圖。

圖4 底吹CO2對鋼鐵料消耗影響分析圖

從圖中不同鋼種使用底吹CO2和未使用底吹CO2的鋼鐵料消耗數據反應來看，可以得出使用底吹CO2有利于鋼鐵料消耗降低的結論。

3.2 底吹CO2對脫磷效果的影響

底吹CO2可以對脫磷的溫度和爐渣氧化性產生影響，可以穩定轉爐脫磷的溫度區域和延長低溫脫磷的時間，同時底吹CO2的攪拌能力約為底吹氬氣的1.7倍，使得脫磷的動力學條件得到了極大地改善。通過平時對日常生產過程中使用底吹二氧化碳和未使用底吹二氧化碳的數據進行分析對比。

表2 各鋼種未使用底吹CO2磷含量統計表

表3 各鋼種使用底吹CO2磷含量統計表

表4 未使用底吹二氧化碳統計表

表5 使用底吹二氧化碳統計表

由兩組實驗數據對比可以看出，五個鋼種的過程磷和終點磷含量平均值顯示后者低于前者，這說明底吹二氧化碳有助于轉爐脫磷率提高。

3.3 底吹CO2對鋼水含氮量的影響

對實驗的六百爐次數據進行統計分析，分SWRH82B，ER70S-6E兩個鋼種的氮含量做對比。

圖5 底吹CO2對鋼種含氮量影響分析圖

從以上統計的試驗數據來看，CO2底吹工藝對比傳統的底吹氬模式來看，終點鋼水N含量均有不同程度降低，對鋼水質量尤其是品種鋼提升有貢獻。

3.4 底吹CO2 對煤氣回收的影響

通過CO2（g）+[C]=2CO（g）的反應方程式可以得出，在日常冶煉生產中底吹氣使用CO2可以提高轉爐煤氣的回收量。

3.5 底吹CO2 對底吹氣體成本的影響

參與計算的氣體介質成本按照成本計劃中的單價進行計算，氮氣為0.15元/m3，氬氣為2.5元/m3。分鋼種統計使用二氧化碳和未使用二氧化碳數據見下表（統計數據為平均值）。

用采購標壓下，0℃時，一噸液體可以轉換557m3氣體，以500倍的轉換系數進行計算，以上表中數據分別對比SWRH82B、ER70S-6E兩個鋼種，噸鋼成本情況。詳細見下：（二氧化碳非含稅價929元/t，一噸液體可轉換557m3氣體，那么二氧化碳氣體單價為1.668元/m3）。

SWRH82B鋼種成本增加：（19.38×0.15+17.85×2.5）÷208.61-（16.38×0.15+16.42×1.668）÷207.97=0.08元/t；

ER70S-6E鋼種成本增加：（20.5×0.15+15.5×2.5）÷200.5-（18.34×0.15+17.6×1.668）÷201.26=0.07元/t。

由此得出使用底吹CO2有利于底吹氣體成本的降低。

3.6 底吹CO2對轉爐爐渣組分的影響

根據對比原則，在高爐穩定順行的前提下對相近鐵水成分爐次采用不同底吹氣種類進行跟蹤統計，采取加入相同種類及數量的造渣材料，取出相應爐次的爐渣進行分析如下表。

表6 爐渣組分

由于Ar、N2與熔池中其它元素不發生反應，所以熔渣中w（（SiO2））、w（（MgO））、w（（P2O5）均處于較低水平，卻發現熔渣中含鐵量較多，主要是由于渣中w（（CaO））過高導致爐渣黏度變大，造成渣鐵分離困難，導致渣中金屬鐵較高。由于底吹的CO2能與熔池的硅、錳元素發生反應，會使爐渣中w（（MnO））較高。采用底吹CO2技術會使爐渣中w（（P2O5））相對于底吹氬氣氮氣時升高。根據脫磷平衡方程式得出，CO2的脫磷能力較強。

CO2作為轉爐生產的底吹氣源，其與熔池中的碳、硅、錳元素發生反應均產生CO氣體，有利于加強熔池攪拌，促進鋼渣界面的反應。有利于降低渣中帶鐵量。

4 結語

將CO2氣體用于轉爐煉鋼生產中，可以用作煉鋼的氧化劑、攪拌氣及保護氣等，在實現CO2減排的同時，也可實現節能降耗及提高鋼水質量的目的。底吹CO2技術的應用使得噸鋼鐵損減少，煤氣回收CO量增加，爐渣中（TFe）含量降低，脫磷效率提高，終點過氧化下降，鋼中氮氫含量下降。

底吹CO2技術的應用有利于宣鋼在轉型升級中解決生產綠色化及產品潔凈化等難題，滿足未來宣鋼轉型的需要，為宣鋼升級提供新的引擎。