宣鋼150t轉爐底吹CO2技術研究與實踐

李慧峰

（河鋼集團宣化鋼鐵公司，河北宣化 075100）

0 引言

鋼鐵工業是溫室氣體CO2排放大戶，據統計，我國鋼鐵工業每噸鋼要產生2噸CO2氣體，2020年鋼鐵工業CO2氣體排放總量超過20億噸，占全國溫室氣體總排放的14%。CO2作為一種不活潑氣體，在特定條件下具有惰性氣體的性質，低廉的價格使其在轉爐冶煉過程作為底吹氣體，既沒有吹N2帶來的增氮趨勢，也沒有吹Ar帶來的增高成本劣勢，因此采用CO2代替N2、Ar用于轉爐底吹將會獲得較好的經濟效益。目前我國提出“雙碳”經濟戰略發展目標，大力倡導以產業低碳化轉型與低碳產業化發展帶動經濟社會高質量的發展。在此形勢下，開展CO2再利用技術的研究與應用，尋求CO2在鋼鐵流程內的規模化自我消化途徑，是符合我國“雙碳”經濟戰略發展目標的[1]。

2019年宣鋼開展了CO2資源化應用于轉爐煉鋼的技術研究，研發了“轉爐底吹CO2冶煉技術”。通過開展CO2吸附穩定深脫氮技術、底吹CO2高強度攪拌技術等創新技術的研究，以及在宣鋼150t轉爐上的工業試驗，確定了CO2應用于轉爐冶煉的工藝路徑，實現了轉爐穩定、高效、潔凈化生產，提升了產品質量品級，在宣鋼開啟了轉爐煉鋼流程CO2資源化應用新時代。

1 技術研究

在提高鋼鐵產品質量和降低工序能耗的前提下，解決CO2資源化應用，是宣鋼轉爐煉鋼工序實現潔凈鋼生產和CO2減排的核心命題。宣鋼從150t轉爐底吹CO2過程穩定脫氮、強化攪拌等方面開展研究，探索CO2應用于轉爐冶煉的工藝路徑，以實現煉鋼過程節能減排、鋼質潔凈、降本增效的目標[2]。

1.1 CO 2吸附深度穩定脫氮技術研究

鋼水中氮的深度脫除和穩定控制是生產潔凈鋼的關鍵，這已成為宣鋼生產潔凈鋼的“卡脖子”環節。本文研究了煉鋼過程CO2-CO氣泡脫氮反應機理，提出了150t轉爐冶煉底吹CO2應用的標準和工藝方案。通過開展CO2吸附脫氮的工業試驗，實現了轉爐出鋼終點超低氮的穩定控制。

1.1.1 鋼液CO2-CO氣泡脫氮機理研究

以N2為代表的雙原子分子由鋼液脫除的氣-液界面反應過程為原子擴散、界面吸附和氣泡內擴散。通過計算，獲得了不同氣體原子向鋼液表面擴散特征參數λ，總的反應速率與液相傳質速率之比ζ與原子在鋼液中擴散特征參數λ的關系如圖1所示。

圖1 ζ與λ的關系圖

通常氣相傳質和界面吸附為鋼液脫氮的控制環節，而CO2與Ar相比能直接打破氣泡表面活性元素O/S的界面阻礙。這主要是由于CO2與鋼中C元素反應，產生增量CO氣體，氣液界面隨之被拉伸，表面活性元素O/S難以及時填滿空位，使鋼中N原子得以吸附和擴散；另外CO+[O]與CO2為動態可逆反應，氣泡表面O原子在氣-液相間不斷進出，活化換位，從而在致密的表面原子層形成孔洞，成為鋼中N原子傳質的路徑。CO2吸附脫氮反應作用過程如圖2所示。

圖2 CO2吸附脫氮反應作用過程

1.1.2 CO2-CO氣泡吸附脫氮熱態實驗驗證

使用200kg中頻感應爐以潔凈廢鋼為原料進行了低碳熔池底吹氣體脫氮實驗，低碳熔池底吹脫氮驗證實驗裝置如圖3所示。通過底吹透氣元件向熔池內分別噴入CO2、Ar和N2，連續取樣分析鋼中N元素含量變化，對比驗證底吹氣源種類對鋼液脫氮的效果。圖4為噴吹不同介質鋼中N元素含量變化曲線。由圖4可以看出，隨著吹氣時間延長，底吹CO2相比Ar和N2的脫氮效果更好。

圖3 低碳熔池底吹脫氮驗證實驗裝置

圖4 噴吹不同介質鋼中N元素含量變化曲線

基于二級反應公式推導，對CO2和Ar的脫氮反應速率常數進行數據斜率回歸，建立金屬熔池吸/脫氮動力學模型，揭示了鋼液吸/脫氮動力學規律。圖5為底吹CO2和Ar鋼液脫氮反應動力學級數線，由圖5可以看出，CO2脫氮反應速率常數為底吹Ar的9.6倍，驗證了底吹CO2時，氣泡反應增量以及打破原子界面阻礙的深度穩定脫氮效果。

圖5 鋼液脫氮反應動力學級數線

1.2 底吹CO 2高強度攪拌技術

高強度底吹能夠增強熔池攪拌，改善熔池動力學條件，促進渣-鋼界面反應，為脫磷、控氧提供良好的動力學條件。若只為維持底吹元件壽命采用小流量底吹，將嚴重影響底吹氣體攪拌效益的發揮，對于煉鋼指標影響很大。如何實現轉爐大流量底吹，是全面改善轉爐冶煉指標的重要驅動力。宣鋼組織開展了CO2化學吸熱作用和CO2-CO轉換氣泡增殖效應研究，驗證了底吹CO2冷卻效果是Ar的10倍左右，發明了底吹CO2高強度攪拌技術，改善了150t轉爐冶煉脫磷效率和控氧效果，完成了底吹CO2高強度攪拌技術的工業應用。

1.2.1 鋼液CO2-CO氣泡增強脫磷控氧機理研究

圖6為不同比例CO2比攪拌功隨底吹流量變化。由圖6可以看出，隨著底吹CO2比例的增加，底吹氣體比攪拌功增加。針對噴吹CO2參與反應產生更多的氣體，研究團隊探明了CO2用于脫磷攪拌的動力學規律，即CO2的攪拌能力大于惰性氣體，在熔池中C元素含量高于0.8%時，相同流量CO2的攪拌功可達Ar的1.8倍。

圖6 不同比例CO2比攪拌功隨底吹流量變化

圖7為不同底吹氣體總攪拌功隨吹煉時間的變化。由圖7可以看出：惰性氣體N2吹入熔池后，因不發生化學反應，無體積變化，其攪拌功主要受熔池溫度的影響；吹煉過程中，CO2與熔池中C、Si、Fe、P等元素發生反應產生CO氣泡，且CO2與C、Fe元素反應為吸熱反應，在增強熔池攪拌強度的同時可調控熔池溫度，提高脫磷效率、降低轉爐冶煉終點碳氧積。

圖7 不同底吹氣體總攪拌功隨吹煉時間變化

圖8為不同底吹氣體總攪拌功的分項組成。由圖8可以看出，冶煉中期，CO2氣泡增殖產生的反應膨脹功和上浮膨脹功是增強熔池攪拌的重要因素。

圖8 不同底吹氣體總攪拌功分項組成

1.2.2 鋼液CO2-CO氣泡增強脫磷控氧實驗研究

通過在感應爐分別底吹CO2、O2、Ar、N2，對比驗證了CO2對鋼液控氧、脫磷的效果，圖9為底吹不同介質對鋼液脫碳的影響[3]。由圖9可以看出，底吹不同氣體介質下，鋼中C元素含量變化差異較大，其中底吹氧化性氣體介質O2或CO2時，熔池平均脫碳速率基本相同，驗證了CO2氣泡增殖效應，實現了底吹氣體的高強度攪拌。

圖9 底吹不同介質對脫碳的影響

圖10為不同底吹CO2比例下熔池脫磷曲線。由圖10可以看出：不同底吹CO2比例下熔池脫磷速率變化趨勢基本一致，在前5min脫磷速率較低，在5～15min脫磷速率加快，在15min以后脫磷速率再次降低；當CO2噴吹比例為50%或75%時，熔池產生的大量CO，促進了鋼渣界面反應的進行，脫磷速率加快，實驗證實了底吹CO2能夠增強底吹強度，有利于提高轉爐冶煉的脫磷效率、增強控氧能力。

圖10 不同底吹CO2比例下熔池脫磷曲線

2 轉爐底吹CO2冶煉技術應用

2.1 系統配置

宣鋼二鋼軋廠煉鋼作業區于2010年11月投產。原工藝設計轉爐底吹氣體為N2、Ar，依據冶煉鋼種不同采用A、B、C三種底吹模式，A模式為全程吹N2，B模式為全程吹Ar，C模式為N2、Ar切換底吹。轉爐底吹透氣磚共有8塊，依據冶煉鋼種情況，目前單支底吹透氣磚流量設定為普鋼60m3/h、品種鋼80m3/h，底吹供氣強度為0.04～0.053Nm3/（t·min）。

根據上述研究成果，2019年宣鋼開始在兩座150t轉爐上開展底吹CO2冶煉技術應用。新建了一套底吹CO2供氣系統，底吹CO2系統的控制并入轉爐底吹控制系統，其操作界面置于轉爐主控室，并在操作臺上顯示。轉爐冶煉所有工藝參數均輸入到轉爐底吹控制系統中，轉爐底吹控制系統通過遠傳信號控制二氧化碳氣源站流量閥組，二氧化碳氣體經壓力和流量調節后，通過轉爐底吹透氣元件吹入熔池。

2.2 底吹控制模式

該項研究成果應用后，在原有三種底吹供氣模式下，分別以CO2代替N2、Ar進行試驗。經試驗后，新增了H和K兩個底吹模式，H模式為前期吹CO2后期切換為N2，K模式為前期吹CO2后期切換為Ar，實現5種供氣方案。轉爐可根據冶煉的鋼種不同,隨時選定其中的任何一種供氣模式[4]。目前宣鋼轉爐底吹控制系統已實現如下功能:

（1）清晰的動態、靜態畫面顯示；

（2）完成10個電磁閥的協調控制；

（3）對一些變量進行監視，當出現不正常時發出報警，并采取一些必要的安全措施；

（4）在保證安全生產前提下，可以對氣體進行切換，且實現了某些電磁閥的互鎖；

（5）自動操作，人工干預少，運行穩定可靠。

3 轉爐底吹CO2冶煉技術應用效果

3.1 CO 2吸附深度穩定脫氮技術應用效果

根據CO2吸附深度穩定脫氮技術研究結果，宣鋼制定了轉爐煉鋼動態調節底吹CO2流量，改善脫氮的工藝，并在150t轉爐上開展了應用。根據冶煉階段選定不同底吹脫氮供氣模式，脫氮供氣方案如表1所示。

表1 宣鋼150t轉爐煉鋼底吹CO2改善脫氮工藝方案

該項研究成果在宣鋼150t轉爐工業試驗期間，平均每爐鋼底吹CO2為135Nm3，轉爐出鋼時N元素含量從29ppm穩步降低至14ppm，N元素含量波動幅度減小了27%，實現了轉爐出鋼終點N元素含量的穩定控制，實現了C72DA等低氮鋼的穩定、高效生產[5]。

3.2 底吹CO 2高強度攪拌技術應用效果

根據底吹CO2高強度攪拌技術研究成果，宣鋼在150t轉爐上開展了應用。轉爐平均底吹供氣強度由0.02Nm3/（t·min）提高至0.05Nm3/（t·min）；同時由于CO2參與反應產生增量的CO氣泡，使得相同流量CO2的攪拌功可達Ar的1.8倍，大幅度改善了渣-鋼界面反應效率，渣中FeO降低了1.26%，轉爐脫磷率提高了1.44%，鋼水終點O元素含量降低了23ppm。

3.3 應用效果與當前國內外同類技術比較

上述研究成果完成工業應用后，合計產鋼306萬噸，實現工業CO2利用4500噸，新增產值0.44億元，為公司帶來了可觀的經濟及社會效益。與傳統煉鋼工藝相比，該研究成果顯著提升了煉鋼技術水平，在終點氮含量、渣中全鐵（TFe）、終點碳氧積、底吹供氣強度等指標上全面占優[6]，表2為本研究成果與國內外相關技術指標對比。同時該項成果為鋼鐵工業提供了一條行之有效的CO2資源化利用途徑，有助于我國實現“碳中和”的戰略發展目標。

表2 本研究成果與國內外相關技術指標對比（平均值）

4 結語

生產實踐表明，宣鋼轉爐底吹CO2創新技術應用于150t轉爐工業化生產后，轉爐冶煉過程脫磷、脫氮、控氧效果明顯改善，企業新增產值0.44億元，實現工業CO2利用4500噸，經濟及社會效益顯著。

（1）轉爐底吹CO2脫氮效果要優于Ar、N2，CO2與Ar、N2相比能直接打破氣泡表面活性元素O/S的界面阻礙，因CO2與鋼液中C元素反應產生增量CO氣體，氣液界面隨之拉伸，表面活性元素O/S難以及時填滿空位，鋼中N原子得以吸附和擴散，增加了氮的去除能力。

（2）冶煉過程中，CO2與熔池中的碳、硅、鐵、磷等元素發生反應產生CO氣泡，且CO2與碳和鐵反應為吸熱反應，可調控熔池溫度和增強熔池攪拌，提高脫磷效率、降低冶煉終點碳氧積。

（3）通過“轉爐底吹CO2技術”研究成果的應用，成功將CO2應用于宣鋼180t轉爐煉鋼生產底吹工藝，實現了CO2的工業大規模高效、有價轉化利用，是溫室氣體CO2治理方法的技術創新。