底吹二氧化碳技術(shù)在宣鋼150t轉(zhuǎn)爐的實(shí)踐應(yīng)用

牛莉莉

減少CO2排放是當(dāng)今世界關(guān)注的焦點(diǎn)，鋼鐵工業(yè)由于其屬于能源密集型產(chǎn)業(yè)而成為CO2排放的大戶。2019年我國粗鋼產(chǎn)量達(dá)到9.96億t，CO2排放強(qiáng)度為2.0t/t，鋼鐵行業(yè)CO2排放量超過20億t，我國重點(diǎn)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(fā)新技術(shù)、使用新能源，減少石油等能源的使用；二是研發(fā)CO2封存技術(shù)；三是將CO2回收作為資源重復(fù)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(jié)能及余能利用等。

1 工藝裝備情況

宣鋼150t轉(zhuǎn)爐煉鋼作業(yè)區(qū)主要包括以下設(shè)備：8套在線鐵水罐傾翻裝置，2座公稱容量為150t的頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)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(huán)脫氣裝置，兩臺(tái)12機(jī)12流小型方坯連鑄機(jī)。

150t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐底吹供氣元件位于爐底內(nèi)外環(huán)承X狀對(duì)稱分布，共有八組單孔式供氣磚，內(nèi)外環(huán)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(yè)區(qū)150t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐于2010年11月投產(chǎn)，其同步投入生產(chǎn)的底吹工藝一直使用至今。原工藝設(shè)計(jì)使用底吹氣體為氮?dú)夂蜌鍤猓鶕?jù)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?dú)饽Ｊ剑珺模式為全程使用氬氣模式，C模式為氮?dú)?2min切換模式。底吹供氣磚共有8塊，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況，目前單眼底吹流量普鋼設(shè)定為35m3/h，非普碳鋼底吹流量設(shè)置為25m3/h，底吹元件供氣強(qiáng)度分別為0.017m3/t·min～0.023m3/t·min。

2 底吹CO2系統(tǒng)介紹

2.1 底吹CO2工藝簡(jiǎn)介

宣鋼150t轉(zhuǎn)爐底吹CO2工藝流程為：CO2液態(tài)儲(chǔ)罐→空浴式汽化器→水浴式汽化器→CO2氣態(tài)儲(chǔ)罐→穩(wěn)壓裝置→底吹控制閥組→轉(zhuǎn)爐。

2.2 底吹CO2技術(shù)原理

依據(jù)冶金熱力學(xué)原理：CO2雖然屬于弱氧化性氣體，但在煉鋼環(huán)境所處的較高溫度下，CO2與碳等元素發(fā)生氧化反應(yīng)是完全可以進(jìn)行的，如表1所示。

表1 反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)

圖3 底吹CO2工藝流程圖

由于CO2與鋼中碳反應(yīng)需要吸收熱量，所以通過調(diào)節(jié)CO2底吹流量和切換底吹介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煉鋼脫磷過程中溫度的調(diào)控，為脫磷反應(yīng)的順利進(jìn)行創(chuàng)造良好的熱力學(xué)條件；在冶煉過程中CO2與鋼液中碳元素反應(yīng)生成大量的CO氣泡，強(qiáng)化了鋼液熔池的攪拌，為脫磷反應(yīng)創(chuàng)造了良好的動(dòng)力學(xué)條件，為熔池提供了良好的脫磷及終點(diǎn)碳、氧的控制條件。將CO2作為轉(zhuǎn)爐的底吹攪拌氣代替Ar進(jìn)行底吹，可減少氬氣消耗，增強(qiáng)攪拌能力，提高脫磷及降低渣中鐵損，節(jié)約生產(chǎn)成本，以上結(jié)果均具有理論依據(jù)并在工業(yè)試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

3 底吹CO2技術(shù)的應(yīng)用效果

3.1 底吹CO2對(duì)鋼鐵料消耗的影響分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)的六百爐次數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分鋼種HRB400，SWRH82B，ER70S-6E，如下圖。

圖4 底吹CO2對(duì)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(shù)據(jù)反應(yīng)來看，可以得出使用底吹CO2有利于鋼鐵料消耗降低的結(jié)論。

3.2 底吹CO2對(duì)脫磷效果的影響

底吹CO2可以對(duì)脫磷的溫度和爐渣氧化性產(chǎn)生影響，可以穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐脫磷的溫度區(qū)域和延長(zhǎng)低溫脫磷的時(shí)間，同時(shí)底吹CO2的攪拌能力約為底吹氬氣的1.7倍，使得脫磷的動(dòng)力學(xué)條件得到了極大地改善。通過平時(shí)對(duì)日常生產(chǎn)過程中使用底吹二氧化碳和未使用底吹二氧化碳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比。

表2 各鋼種未使用底吹CO2磷含量統(tǒng)計(jì)表

表3 各鋼種使用底吹CO2磷含量統(tǒng)計(jì)表

表4 未使用底吹二氧化碳統(tǒng)計(jì)表

表5 使用底吹二氧化碳統(tǒng)計(jì)表

由兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，五個(gè)鋼種的過程磷和終點(diǎn)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(zhuǎn)爐脫磷率提高。

3.3 底吹CO2對(duì)鋼水含氮量的影響

對(duì)實(shí)驗(yàn)的六百爐次數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分SWRH82B，ER70S-6E兩個(gè)鋼種的氮含量做對(duì)比。

圖5 底吹CO2對(duì)鋼種含氮量影響分析圖

從以上統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，CO2底吹工藝對(duì)比傳統(tǒng)的底吹氬模式來看，終點(diǎn)鋼水N含量均有不同程度降低，對(duì)鋼水質(zhì)量尤其是品種鋼提升有貢獻(xiàn)。

3.4 底吹CO2 對(duì)煤氣回收的影響

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

3.5 底吹CO2 對(duì)底吹氣體成本的影響

參與計(jì)算的氣體介質(zhì)成本按照成本計(jì)劃中的單價(jià)進(jìn)行計(jì)算，氮?dú)鉃?.15元/m3，氬氣為2.5元/m3。分鋼種統(tǒng)計(jì)使用二氧化碳和未使用二氧化碳數(shù)據(jù)見下表（統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為平均值）。

用采購標(biāo)壓下，0℃時(shí)，一噸液體可以轉(zhuǎn)換557m3氣體，以500倍的轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以上表中數(shù)據(jù)分別對(duì)比SWRH82B、ER70S-6E兩個(gè)鋼種，噸鋼成本情況。詳細(xì)見下：（二氧化碳非含稅價(jià)929元/t，一噸液體可轉(zhuǎn)換557m3氣體，那么二氧化碳?xì)怏w單價(jià)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(duì)轉(zhuǎn)爐爐渣組分的影響

根據(jù)對(duì)比原則，在高爐穩(wěn)定順行的前提下對(duì)相近鐵水成分爐次采用不同底吹氣種類進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)，采取加入相同種類及數(shù)量的造渣材料，取出相應(yīng)爐次的爐渣進(jìn)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(fā)生反應(yīng)，所以熔渣中w（（SiO2））、w（（MgO））、w（（P2O5）均處于較低水平，卻發(fā)現(xiàn)熔渣中含鐵量較多，主要是由于渣中w（（CaO））過高導(dǎo)致爐渣黏度變大，造成渣鐵分離困難，導(dǎo)致渣中金屬鐵較高。由于底吹的CO2能與熔池的硅、錳元素發(fā)生反應(yīng)，會(huì)使?fàn)t渣中w（（MnO））較高。采用底吹CO2技術(shù)會(huì)使?fàn)t渣中w（（P2O5））相對(duì)于底吹氬氣氮?dú)鈺r(shí)升高。根據(jù)脫磷平衡方程式得出，CO2的脫磷能力較強(qiáng)。

CO2作為轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的底吹氣源，其與熔池中的碳、硅、錳元素發(fā)生反應(yīng)均產(chǎn)生CO氣體，有利于加強(qiáng)熔池?cái)嚢瑁龠M(jìn)鋼渣界面的反應(yīng)。有利于降低渣中帶鐵量。

4 結(jié)語

將CO2氣體用于轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)中，可以用作煉鋼的氧化劑、攪拌氣及保護(hù)氣等，在實(shí)現(xiàn)CO2減排的同時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗及提高鋼水質(zhì)量的目的。底吹CO2技術(shù)的應(yīng)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(diǎn)過氧化下降，鋼中氮?dú)浜肯陆怠?/p>

底吹CO2技術(shù)的應(yīng)用有利于宣鋼在轉(zhuǎn)型升級(jí)中解決生產(chǎn)綠色化及產(chǎn)品潔凈化等難題，滿足未來宣鋼轉(zhuǎn)型的需要，為宣鋼升級(jí)提供新的引擎。