宣鋼150 t 轉爐底吹二氧化碳技術研究

馮永磊

（河鋼集團宣鋼公司， 河北 宣化 075100）

CO2減排是當今世界關注的焦點，鋼鐵工業由于其能源密集型特點而成為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2.0 t/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%。

在實現CO2減排的同時，可實現節能降本及提高鋼水質量，降低渣中鐵損，節約生產成本，提高CO 回收量，符合宣鋼轉型升級、節能減排的發展目標，且為后續采用電爐工藝替代轉爐工藝，解決生產綠色化及產品潔凈化等難題提供技術支撐。

宣鋼二鋼軋廠煉鋼作業區于2010 年11 月投產，底吹工藝投入使用至今。為響應國家CO2減排號召，在現有設備基礎上進行轉爐底吹CO2技術改造。改造后，煉鋼作業區實現底吹CO2供氣工藝。CO2作為底吹氣體，其與鋼中碳反應是吸熱反應，調節CO2底吹流量和切換介質；反應生成大量的CO 氣泡，強化熔池攪拌，為脫磷反應創造良好的動力學條件；所以底吹CO2的應用可以有效提高轉爐脫磷效率。

1 工藝裝備情況

河鋼集團宣鋼公司（全文簡稱宣鋼）二鋼軋廠煉鋼作業區于2010 年11 月投產，底吹工藝投入使用至今，煉鋼工藝流程主要包括8 套鐵水罐傾翻裝置、2座KR 鐵水脫硫站、2 座150 t 頂底復吹轉爐，2 座吹氬站，2 座LF 鋼包精煉爐，1 座RH 真空精煉裝置，2臺12 機12 流小方坯連鑄機、及配套水泵站、水處理、空壓機等公輔設施。

宣鋼轉爐底吹系統內外環承X 狀分布，具體砌筑和爐底位置分布見圖1、圖2。

圖1 爐底底吹供氣組件砌筑圖（mm）

圖2 爐底底吹供氣元件分布圖

目前底吹供氣模式（見圖3）主要有以下四種模式：

圖3 底吹模式

1）A 模式。全程吹氮模式。該模式工藝要求：若選擇A 模式，要求吹煉階段以及其他輔助階段均為N2。

2）B 模式。全程吹氬模式。該模式工藝要求：開吹至出鋼結束全程吹氬，為避免其他輔助階段吹氬氣造成的浪費，要求在接收到濺渣護爐信號后切換成價格便宜的氮氣至下一爐開吹開氧信號之前的輔助階段全為氮氣，周而復始。

3）C 模式。12 min 氮氬切換模式。適用于普通級別的品種鋼。該模式工藝要求：開吹開氧至720 s 階段底吹氣體為氮氣，720 s 至出鋼結束切換為氬氣，以減少鋼液增氮，提高鋼水質量，為避免浪費要求在接收到濺渣護爐信號后切換成價格便宜的氮氣至下一爐開吹開氧信號之前的輔助階段全為氮氣，周而復始。

4）D模式。10 min 氮氬切換模式。適用于35MnBH要求10 min 氮氬切換的鋼種。該模式工藝要求：開吹至600 s 階段底吹氣體為氮氣，600 s 至出鋼結束切換為氬氣，減少鋼液增氮，提高鋼水質量，為避免浪費要求在接收到濺渣護爐。

信號后切換成價格便宜的氮氣至下一爐開吹開氧信號之前的輔助階段全為氮氣，周而復始。

目前來看，上述四種模式可滿足現階段全部鋼種的要求，為長遠考慮該項目的優化改造還預留H、K等模式，為后續新增鋼種對轉爐底吹模式與上述四種模式不同的其他要求而預留的優化窗口。

2 底吹CO2 概述

新引入的底吹CO2系統設備主要包含CO2液態儲罐、CO2水浴式汽化器、CO2氣體儲罐、雙路減壓裝置、PLC 控制系統，關鍵設備作用如表1[1]。

表1 底吹CO2 關鍵設備作用

具體工藝流程如圖4 所示。

圖4 底吹CO2 工藝流程圖

控制模式分為兩種：

1）手動操作，即操作工通過就地閥組控制系統的開、關運行和調整。

2）計算機操作，即計算機可遠程控制系統的開、關和調節，二氧化碳的流量，壓力和溫度等參數可在操作畫面中實時顯示。

受到現場設備管路影響，底吹CO2系統沒有重新鋪設管道，而是將CO2氣化后與Ar 氣源管道連接，在需要時對氣源管路進行切換，已達到改變底吹氣源的目的，并在操作界面上加設底吹模式選擇按鈕（如圖5 所示），用來選擇底吹氣源。這樣一來，即完成了底吹CO2氣源的引入，又保留了原有底吹模式，可以滿足不同鋼種對底吹模式的要求。

圖5 底吹CO2 操作界面

3 煉鋼轉爐底吹CO2 氣體的應用效果

3.1 底吹CO2 對鋼鐵料消耗的影響

對實驗的700 爐次數據進行統計分析，分鋼種HRB400，SWRH82B，ER70S-6，數據如圖6 所示。

圖6 使用CO2 鋼鐵料消耗對比圖

其中HRB400 系列鋼種鋼鐵料消耗降低1.08 kg/t；SWRH82B 系列鋼種鋼鐵料消耗降低0.96 kg/t，ER70S-6 鋼種系列鋼鐵料消耗降低0.58 kg/t。各鋼種消耗均有所降低，由于影響鋼鐵料消耗因素較多，比如鐵水成分、廢鋼質量、轉爐爐況等，宣鋼保守認為鋼鐵料消耗受到底吹CO2影響所占比列為50%，以作業區現階段品種鋼比列（SWRH82B 系列為6%；ER70S為6 系列為6%），噸鋼鋼鐵料消耗成本3.628 元/t 計算，噸鋼鋼鐵料消耗成本降低：（0.88×1.08+0.06×0.96+0.06×0.58）×3.628×50%=1.892 元。

3.2 脫磷效果對比（下頁表2 和表3）

表2 未使用二氧化碳磷含量統計表

表3 使用二氧化碳磷含量統計表

以宣鋼現階段鐵水平均磷含量0.145%計算，通過實驗數據對比可以看出，未使用底吹二氧化碳爐次平均脫磷率為82.07%，使用底吹二氧化碳爐次平均脫磷率為84.14%，脫磷率提高了2.07%。

3.3 底吹CO2 對煤氣回收的影響

由于底吹二氧化碳不但與碳發生反應CO2（g）+[C]=2CO（g），也同硅錳發生反應生成一氧化碳，一氧化碳產出有所增加，對部分實驗數據統計分析，如圖6 所示，底吹二氧化碳使煤氣回收量增加。

圖7 煤氣回收量

對實驗的七百爐次煤氣回收量進行統計，單爐煤氣回收量平均3.53×104m3，對比上一年度同期煤氣回收量3.24×104m3煤氣回收量增加了0.29×104m3，以現階段轉爐煤氣價格0.25 元/m3，每爐鋼增加效益0.29×104×0.25=725 元

3.4 爐渣成分

對鐵水成分相近爐次進行跟蹤，采取加入相同物料，盡量減少變量，取出相近爐次的爐渣進行分析如表4。

表4 爐渣成分 %

4 結語

通過試驗爐次得出，CO2作為底吹氣體較傳統N2、Ar 底吹氣源存在一定優勢：

1）CO2與鋼中碳反應生成大量的CO 氣泡，強化熔池攪拌，降低了渣中氧化鐵含量，有利于降低鋼鐵料消耗[2]。

2）CO2與鋼中碳反應是吸熱反應，調節CO2底吹流量和切換介質。

3）由于底吹二氧化碳不但與碳發生反應CO2（g）+[C]=2CO（g），也同硅錳發生反應生成CO，CO 產出有所增加，促進了轉爐煤氣回收量的增加。另外，將CO2作為轉爐的底吹攪拌氣代替N2、Ar 進行底吹，增強攪拌能力，減少氬氣消耗，節約生產成本，降低鋼中氮元素含量，進一步提高鋼水質量[3-4]。