王德勇，何 亮

(甘肅酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關 735100)

摘 要: 酒鋼開展了 120 t 轉爐底吹 CO₂應用研究 ，分別從 CO₂底吹對冶煉過程中鋼水成分、爐渣、鋼鐵料消耗、冷卻效應、終點自由氧含量以及 O₂消耗的影響進行了探討分析，碳鋼 CO₂在轉爐底吹上的應用可有效降低生產成本、 提高鋼水質量。

關鍵詞: 轉爐; 底吹; CO₂ ; 煉鋼

0 引言

酒鋼碳鋼薄板廠煉鋼裝備情況: 現有 3 座容量120 t 頂底復吹轉爐，3 座 120 t 三相交流 LF 鋼包精煉爐，1 座 120 t ＲH 爐、2 臺常規連鑄機、2 臺薄板坯連鑄機。

國內傳統的碳鋼轉爐底吹氣體的選擇一般采用普通的 Ar、N2 等惰性氣體進行底吹，部分特鋼轉爐采用 O₂ 作為底吹氣體，一些特殊功能的轉爐采用了天然氣作為底吹氣體。伴隨碳交易的興起，國內碳達峰、碳中和要求的提出，鋼鐵行業在CO₂ 資源化利用方面出現了一些研究成果，特別是北科大關于 CO₂ 在鋼鐵冶煉過程的理論研究，為在煉鋼過程應用 CO₂ 提供理論支撐。結合 CO₂ 基本特性，圍繞其在轉爐底吹的應用展開研究。由于 CO₂ 作為一種氣源在鋼鐵企業中多數尚不能實現自給，故此采用外購液態 CO₂ 進行供氣，氣體資源受到一定限制，頂槍流量大氣體資源難以自持，底吹流量相對較小，故優先考慮在轉爐底吹氣體上進行應用。

1 試驗基本條件

本次試驗主要生產低碳鋼和中碳鋼，轉爐基本情況見表 1。根據實際工況條件，常規工藝與試驗工藝均采用 6 支底吹元件，布置在兩個不同半徑的分度圓上，如圖 1 所示。本次試驗使用 CO₂氣體濃度＞99%，CO2槽車單次填裝量為 25 t。

2 轉爐 CO₂ 底吹工藝的應用效果及理論分析

2．1 底吹供氣模式和供氣強度選擇

在正常的產品生產過程中根據成分變化，對底吹供氣模式和供氣強度做出調整。底吹CO₂ 的供氣模式可分為不同的情況: ①開吹到出鋼結束全程采用底吹 CO₂ ; ②吹煉前期、中期、后期可根據不同的產品選擇不同的 CO₂ 底吹供氣曲線，供氣強度可選擇在脫碳期加大強度，吹煉末期降低強度; 具體可根據冶煉的產品要求選擇不同的供氣模式和供氣強度。

2．2 CO₂ 冷卻效應

CO₂ 在冶煉過中的主要反應如下:

CO₂( g) + ［C］= 2CO( g)

137 890－126．52 T ΔGθ ＜0

因該反應是吸熱反應，故反應會使熔池溫度有相應的降低。冷卻效應分析見表 2。

根據冶煉過程中物料平衡及熱平衡，依據本廠物料冷卻效應進行熱平衡量差分析; 出鋼溫度試驗爐次比正常爐次高 2．82 ℃，綜合計算得出 CO₂ 冷卻效應為 12．22 ℃，考慮實際的偏差，CO₂ 的冷卻效應不大于 15 ℃。

在計算過程中，在全鐵水為冶煉原料的條件下， 煉鋼過程的熱量總收入與熱量總支出的差值。由于CO₂與熔池元素的反應為吸熱或微放熱反應，隨著CO₂噴吹比例的增加，CO₂參與熔池反應帶來的熱量減少越多( 相比純氧) 。因此，可以根據實際轉爐熔池對熱量的需求控制 CO₂噴吹比例，為形成最佳供氣方案和原料配比，為優化煉鋼過程的爐料結構提供了思路和基礎數據。

2．3 鋼水主要成分分析

本次試驗選取中碳鋼、低碳鋼分別對終點控制情況進行對比，見表 3。

2．3．1 P、Mn 的成分控制

在入爐裝入結構、鐵水溫度和成分基本一致的情況下，試驗爐次與正常爐次相比鋼水成分控制出現變化，試驗爐次鋼水終點殘錳、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，可選擇在吹煉的不同時期吹入 CO₂，以獲得不同的效果。如吹煉末期吹入 CO₂ 提高終點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磷含量進一步降低等，終點磷含量情況對比如圖 2 所示。

CO₂應用于轉爐底吹時，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的反應將放出大量的熱量，熔池溫度波動較大，而當混入 CO₂后，具有一定的吸熱效應，會減少熔池中元素總的氧化放熱量，對吹煉前期具有較好的控溫作用，提供良好的脫磷熱力學條件，有利于轉爐熔池脫磷; ②吹入的 CO₂與熔池元素反應均可產生 CO 氣體，同時由于 2 體積的 CO₂代替 1 體積的 O₂，增大了吹入的氣體量，氣體量越大對熔池攪拌越強，提供良好的脫磷動力學條件，促進了脫磷應的進行; ③由于 CO₂參與反應的控溫作用，使轉爐熔池溫度較長時間處于利于脫磷的溫度區間，脫磷期相對延長，使脫磷反應能夠較為充分的進行。

2．3．2 碳的選擇性氧化

在一定的總壓條件下，當氣相中 CO 較少而CO₂較多時，C、P 選擇性氧化的轉變溫度較低，此時實際冶煉溫度低于轉變溫度，P 比 C 優先被氧化。當氣相中 CO 較多，CO₂較少時，C 比 P 優先被氧化。當吹煉終點接近脫碳臨界值時，C 含量向反應界面的傳質受到限制，CO 產生減少，此時鋼水 O 含量上升，此時優先氧化 P。也可以認為此時脫碳臨界值升高。

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比分析

2．4．1 爐渣成分對比分析

終點爐渣成分對比分析情況見表 4。

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

總體上爐渣堿度降低、渣中 FeO 降低的同時爐渣脫磷能力得到了提高，反應動力學條件改善是主要原因。

2．4．2 輔料消耗分析

本次試驗采用 CSP 鋼種，底吹 CO₂ 爐次與正常爐次裝入未做調整，試驗爐次與正常爐次裝入制度基本一致。對輔料消耗情況分別進行對比，見表 5。

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

2．5 鋼鐵料消耗分析

根據不同的鋼種冶煉情況，分別進行鋼鐵料消耗的分析，見表 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。

根據煉鋼粉塵蒸發理論機理，煉鋼粉塵主要是由熔池高溫引起的元素蒸發造成的，底吹 CO₂使熔池產生 CO₂( g) + ［C］= 2CO( g) ，產生的 CO 氣泡體積是吹入 CO₂的 2 倍可加速熔池攪拌，CO₂的脫碳反應是吸熱反應，因而吹入 CO 均勻火點區和熔池溫度; 同時，因攪拌強度加大，反應速率提高，降低了Fe 的氧化，煙塵中的損失相應減少。

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

2．6 碳氧積分析

以 CSP 低碳鋼碳氧積為例進行對比分析，CSP低碳鋼選擇同類鋼種，轉爐終點 C 含量為 0．035% ～0．04%的爐次進行對比，見表 7。

進行終點碳氧積對比，正常冶煉終點的碳氧積平均為 22．23×10^－4 ，底吹 CO₂ 工藝下終點碳氧積為20．75×10^－4 ，降低了 1．48×10^－4 ，轉爐終點的氧含量降低了 52×10^－6 。總體上降低了鋼水自由氧含量，降低了脫氧合金的用量，對鋼水夾雜物的控制從源頭上進行降低。

2．7  O₂ 消耗

試驗過程中 O₂ 消耗情況對比，見表 8。

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

底吹 CO₂與底吹 Ar 爐次對比，底吹 CO₂的攪拌強度增加脫碳速度提高，當到達吹煉終點時，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。實際檢測O₂消耗試驗爐次 O₂消耗低于正常爐次 3 ～ 4 m³ ，供氧時間相應縮短 50～60 s。鋼水終點碳含量一致的情況下，吹入 CO₂ 可有效的降低終點鋼水過剩氧。

鐵水C含量 1% ～ 4% 內CO₂利用率最高達到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度，提高脫碳速率。

2．8 對爐底透氣元件的影響

CO₂與熔池中［C］、Fe 反應時吸熱，與［Si］、［Mn］反應時放熱。底吹元件如采用毛細管式透氣磚，在吹煉前期透氣元件不應暴露在鋼水中，新爐開爐后在爐底透氣磚上應快速形成爐渣保護層。

3 成本測算

轉爐底吹 CO₂適用于全部鋼種的冶煉。可在鋼鐵料、輔料、合金、能源介質等方面降低成本，通過實踐降低綜合成本 6．06 元/t。

4 結語

⑴轉爐底吹 CO₂ 適用于轉爐冶煉的所有鋼種，冶煉過程脫碳期的存在為 CO₂ 發揮其特性提供了支撐。

⑵根據冶煉產品的要求，用戶可根據需求調整供氣模式和供氣強度。

⑶CO₂ 在轉爐底吹上的應用可有效降低冶煉成本、提高鋼水質量。

參考文獻:

［1］ 朱 榮．二氧化碳煉鋼理論與實踐［M］．北京: 科學出版社，2019．