萬(wàn)雪峰，曹東，朱曉雷，郭春媛

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

轉(zhuǎn)爐噴吹CO2+O2混合氣體基礎(chǔ)研究

萬(wàn)雪峰，曹東，朱曉雷，郭春媛

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐噴吹CO2+O2混合氣體的熱力學(xué)分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室模擬轉(zhuǎn)爐吹煉末期噴吹CO2+O2實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探討了在頂吹轉(zhuǎn)爐中應(yīng)用CO2+O2進(jìn)行脫碳抑氧的可行性。得出結(jié)論，混合氣體中CO2比例增大，碳氧積降低，槍位對(duì)碳氧積的影響減弱，但回磷量增加，當(dāng)CO2比例增大到CO2:O2=1:1時(shí)，頂吹轉(zhuǎn)爐碳氧積可控制在0.23×10-6～0.25×10-6，平均回磷量0.001％，混合氣體中CO2最大理論比例可增加到79.1％。

轉(zhuǎn)爐；CO2；O2；碳氧積

以能源密集為顯著特點(diǎn)的鋼鐵工業(yè)是排放CO2的大戶，CO2是導(dǎo)致溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w，若能將其回收利用，其意義不僅僅是在經(jīng)濟(jì)上降低煉鋼成本，而且對(duì)因減少CO2排放而減緩溫室效應(yīng)的蔓延有重要的社會(huì)效益。目前，有冶金工作者把CO2引入轉(zhuǎn)爐［1-5］，取得降低鐵液揮發(fā)、減少粉塵及提高脫磷效率的效果，甚至還把CO2用于LF爐精煉［6］，通過(guò)改善電弧狀況來(lái)提高升溫效率。本文基于500 kg多功能實(shí)驗(yàn)爐，探討在頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉末期噴吹CO2+O2混合氣體實(shí)現(xiàn)脫碳抑氧的可行性。

1　熱力學(xué)分析

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐吹煉進(jìn)入末期后，由于熔池中的碳含量已大大降低，脫碳反應(yīng)減弱，此時(shí)吹入熔池中的氧大部分與鋼液中的鐵反應(yīng)或直接溶解于鋼水中，造成爐渣氧化性大幅提高以及鋼水中溶解氧迅速增加，對(duì)于冶煉低碳及超低碳鋼，復(fù)吹轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積多在0.26×10-6～0.28×10-6，頂吹轉(zhuǎn)爐在0.28×10-6～0.30×10-6，有時(shí)甚至大于0.35×10-6，遠(yuǎn)高于理論平衡值0.25×10-6。這種過(guò)氧化的直接后果一方面增加了脫氧合金的用量，即增加了生產(chǎn)成本，另一方面也大大增加了控制鋼質(zhì)純凈化的難度。為解決上述問(wèn)題，在轉(zhuǎn)爐中噴吹CO2，熔池中的碳主要以兩種方式氧化：

在1 300～1 700℃（轉(zhuǎn)爐正常冶煉溫度范圍內(nèi)），式（1）、（3）均可以進(jìn)行，圖1為標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能與反應(yīng)溫度的關(guān)系。由圖1可以看出，1 550℃以上，式（3）的驅(qū)動(dòng)力（標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能）較式（1）要強(qiáng)。因此，在轉(zhuǎn)爐吹煉末期，可噴吹CO2進(jìn)行脫碳。由于脫碳產(chǎn)物為CO，脫碳的同時(shí)不會(huì)對(duì)鋼水的溶解氧含量造成影響。

因?yàn)槭剑?）為吸熱反應(yīng)，所以不可能在轉(zhuǎn)爐吹煉全程依靠噴吹純CO2進(jìn)行脫碳、升溫，但在轉(zhuǎn)爐吹煉末期可在CO2中配加一定量的O2，通過(guò)Fe-O和C-O放熱反應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，不僅實(shí)現(xiàn)低碳出鋼目的，又能有效降低鋼中氧含量，從而為后續(xù)的精煉過(guò)程減少合金用量及提高鋼水質(zhì)量創(chuàng)造有利條件。

2　實(shí)驗(yàn)研究

2.1實(shí)驗(yàn)條件

依托500 kg多功能實(shí)驗(yàn)爐，開展頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉末期噴吹CO2+O2混合氣體熱模擬實(shí)驗(yàn)，低碳鋼鑄坯225 kg，生鐵25 kg，金屬料成分如表1所示。轉(zhuǎn)爐終渣10 kg，成分如表2所示。全程底吹A(chǔ)r流量2 m3/h，吹煉溫度控制在1 620～1 680℃，噴吹混合氣體時(shí)間控制在60～90 s，總供氣強(qiáng)度控制在2.0～2.5 m3/（t·min）。實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖2所示。

表1　金屬料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）％

表2　爐渣成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）％

2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程及分析

2.2.1氣體比例對(duì)碳氧積的影響

將鋼液升溫至預(yù)設(shè)溫度后，調(diào)配氣體比例，分別控制CO2∶O2=1∶1和1∶2，開始噴吹混合氣體，不同氣體比例條件下碳含量與碳氧積的關(guān)系如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，混合氣體中CO2∶O2=1∶1時(shí)的碳氧積明顯低于CO2∶O2=1∶2，且在碳含量0.03％～0.06％范圍，CO2∶O2=1∶1時(shí)的碳氧積已非常接近頂?shù)讖?fù)吹時(shí)的理論平衡值0.23×10-6～0.25×10-6。

2.2.2槍位對(duì)碳氧積的影響

實(shí)驗(yàn)條件下得出150 mm和200 mm的氧槍槍位對(duì)碳氧積的影響結(jié)果是，CO2∶O2=1∶2時(shí)明顯大于CO2∶O2=1∶1，即隨著混合氣體中CO2比例的上升，槍位對(duì)碳氧積的影響作用逐步減弱。分析認(rèn)為，CO2與O2共同攪拌熔池，相當(dāng)于CO2稀釋O2的同時(shí)，又填補(bǔ)了部分因槍位升高導(dǎo)致的動(dòng)能不足，起到均勻鋼液的作用，故碳氧積降低。但當(dāng)槍位降低時(shí)，供氣強(qiáng)度對(duì)熔池?cái)嚢鑴?dòng)能明顯提高，CO2提供攪拌動(dòng)能的作用便不再像高槍位時(shí)那樣明顯。簡(jiǎn)言之，盡管混氣配比不變，但影響碳氧積的主要矛盾隨著槍位的變化而發(fā)生了變化。

2.2.3供氣強(qiáng)度對(duì)碳氧積的影響

雖設(shè)定供氣強(qiáng)度，但由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程噴吹混氣時(shí)間較短，只有60～90 s，實(shí)際供氣強(qiáng)度圍繞設(shè)定值正常波動(dòng)±12％。圖4為碳氧積與供氣強(qiáng)度的關(guān)系。

由圖4可以看出，隨著供氣強(qiáng)度的提高，碳氧積僅有微弱的上升趨勢(shì)。分析認(rèn)為，盡管供氣強(qiáng)度提高可使頂吹氣體對(duì)熔池的攪拌能力加強(qiáng)，對(duì)鋼液起到更好的均勻作用，對(duì)脫碳反應(yīng)有利，但由于是脫碳末期，碳含量已處于非常低的水平（0.02％～0.07％），脫碳反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)已轉(zhuǎn)化為熔池中碳溶質(zhì)向反應(yīng)界面的傳質(zhì)過(guò)程，過(guò)多的氧化性氣體只會(huì)與［Fe］反應(yīng)，造成熔池及渣中氧含量上升，反而導(dǎo)致碳氧積升高。

2.2.4混合噴吹對(duì)磷含量的影響

不同氣體配比條件下，噴吹混合氣體前后磷含量的變化如圖5所示。

由圖5可以看出，回磷量隨著混氣中CO2比例的增大而增大。當(dāng)CO2∶O2=1∶1時(shí)，平均回磷量0.001％；當(dāng)CO2∶O2=1∶2時(shí)，平均回磷量?jī)H為0.000 6％。分析認(rèn)為，與噴吹純氧相比，噴吹混合氣體在一定程度上對(duì)碳氧積有抑制作用，致使鋼液及渣中氧含量相對(duì)較低，打破了磷在鋼-渣間原有的平衡，從而導(dǎo)致了微弱的回磷。在實(shí)際工況條件下，大部分鋼種均可接受0.000 6％～0.001 0％的回磷量。

2.2.5混合噴吹對(duì)溫度的影響

由于實(shí)驗(yàn)爐體積?。M裝金屬料為500 kg），散熱快，外加感應(yīng)線圈冷卻水流量不可控，致使在實(shí)驗(yàn)條件下無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定混合噴吹對(duì)溫度的影響程度。因?yàn)椋跜］+CO2（g）=2CO（g）為吸熱反應(yīng)，所以在噴吹氣體中配加一定量的O2，通過(guò)Fe-O和C-O反應(yīng)放熱進(jìn)行溫度補(bǔ)償。假設(shè)：

（1）混合氣體中O2全部與鋼液中的C和Fe反應(yīng)，C-O反應(yīng)生成CO∶CO2=9∶1，則放熱13 959 kJ/kg；Fe-O反應(yīng)生成FeO∶Fe2O3=2∶1，則放熱4 986 kJ/kg，有10％的O2用于脫碳，其余90％參與Fe-O反應(yīng)，則O2放熱效率為

（2）CO2的脫碳利用率設(shè)為10％，其余90％用于物理吸熱，則計(jì)算CO2吸熱效率為

（3）反應(yīng)體系為絕熱體系，即忽略體系散熱損失。則:

聯(lián)立方程（5）和（6），解得xCO2=79.1％。即為使轉(zhuǎn)爐吹煉末期噴吹混合氣體時(shí)保持溫度不降低，混合氣體中CO2最大理論比例為79.1％。

3　結(jié)論

在轉(zhuǎn)爐吹煉末期，可通過(guò)頂噴吹O2+CO2實(shí)現(xiàn)脫碳抑氧目的，在實(shí)驗(yàn)條件下得出如下結(jié)論：

（1）隨著混合氣體中CO2比例的增大，碳氧積降低，碳含量在0.03％～0.06％范圍，CO2∶O2=1∶1時(shí)，碳氧積可控制在0.22×10-6～0.25×10-6；

（2）隨著混合氣體中CO2比例的上升，槍位對(duì)碳氧積的影響逐步減弱；

（3）在CO2∶O2=1∶1～1∶2條件下，提高供氣強(qiáng)度，碳氧積僅有微弱上升；

（4）回磷量隨著混氣中CO2比例的增大而增加，當(dāng)CO2∶O2=1∶2時(shí)，平均回磷量?jī)H0.000 6％，當(dāng)CO2∶O2=1∶1時(shí)，平均回磷量0.001 0％；

（5）為保持噴吹混合氣體時(shí)溫度不降低，混合氣體中CO2最大理論比例為79.1％。

［1］朱榮.應(yīng)用COMI煉鋼工藝控制煉鋼煙塵內(nèi)循環(huán)的研究［J］.冶金能源，2010，29（1）：48-51.

［2］寧曉鈞.利用CO2減少煉鋼煙塵的實(shí)驗(yàn)研究［J］.煉鋼，2009，25（5）：32-34.

［3］易操.基于30 t轉(zhuǎn)爐的COMI煉鋼工藝實(shí)驗(yàn)研究［J］.過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2009，9（增1）：222-225.

［4］靳任杰.二氧化碳一氧氣混合噴吹煉鋼的初步研究［C］∥第六屆冶金工程科學(xué)論壇論文集，北京：北京科技大學(xué)，2007：125-128.

［5］呂明.應(yīng)用COMI煉鋼工藝控制轉(zhuǎn)爐脫磷基礎(chǔ)研究［J］.鋼鐵，2011，46（8）：31-35.

［6］張慧書.直流鋼包爐中空電極噴吹A(chǔ)r-CO2對(duì)鋼水溫度的影響［J］.工業(yè)爐，2009，31（5）：1-4.

（編輯許營(yíng)）

Basic Study on Mixture Gas Including CO2and O2Blown into Converter

Wan Xuefeng，Cao Dong，Zhu Xiaolei，Guo Chunyuan
（Iron＆amp;Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

Based on the thermodynamic analysis of mixture gas including CO2and O2blown into BOF together with the experimental results of blowing mixture gas including CO2and O2into simulative converter at the final blowing stage in laboratory，the feasibility of blowing CO2and O2into the top blown converter for decarburization and control of oxygen is discussed.It is concluded that the product of carbon and oxygen reduces and the influence of the lance location on the product weakens as the ratio of CO2in mixture gas increases，but the quantity of rephosphoration increases.when the ratio of CO2in mixture gas increases to the 1 to 1 degree of CO2and O2，the product of carbon and oxygen can be controlled between 0.23×10-6and 0.25×10-6in top blown converter and the average quantity of rephosphoration 0.001％while the theoretical maximum ratio of CO2in mixture gas can increase up to 79.1％.

converter；CO2；O2；product of carbon and oxygen

TF711

A

1006-4613（2015）06-0016-04

2015-01-20

萬(wàn)雪峰，博士，高級(jí)工程師，2007年畢業(yè)于東北大學(xué)鋼鐵冶金專業(yè)。E-mail：lisa77947@sina.com