轉(zhuǎn)爐煉鋼中的二氧化碳應(yīng)用分析

陳豪衛(wèi)

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司， 山東 萊蕪 271104）

經(jīng)驗(yàn)交流

轉(zhuǎn)爐煉鋼中的二氧化碳應(yīng)用分析

陳豪衛(wèi)

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司， 山東 萊蕪 271104）

鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程有中有大量的CO2產(chǎn)生，圍繞CO2在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的作用，簡(jiǎn)述了CO2在轉(zhuǎn)爐煉鋼以及煉鋼全流程中的應(yīng)用方式和效果，探討了煉鋼過(guò)程中減少CO2對(duì)環(huán)境的影響并提高冶煉效果的方法。

轉(zhuǎn)爐煉鋼 二氧化碳 應(yīng)用

鋼鐵行業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及構(gòu)成當(dāng)中占有極為重要的地位。我國(guó)每年的產(chǎn)鋼量大約為6億t，按照相關(guān)比例進(jìn)行計(jì)算生產(chǎn)鋼排放的CO2就達(dá)到13.8億t，可見(jiàn)我國(guó)鋼鐵行業(yè)排放的CO2量非常大[1]。為降低CO2的排放量實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗綠色發(fā)展，需要通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)及設(shè)備充分利用二氧化碳。就此，目前轉(zhuǎn)爐煉鋼當(dāng)中已經(jīng)對(duì)CO2有一定的應(yīng)用，其中包括了將其作為冷卻劑的應(yīng)用、作為反應(yīng)介質(zhì)的應(yīng)用、用于冶煉不銹鋼等。以下先對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼與二氧化碳的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述，然后對(duì)二氧化碳具體的應(yīng)用進(jìn)行深入分析和探討。

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼中二氧化碳的產(chǎn)生與回收方式

轉(zhuǎn)爐煉鋼（convertersteelmaking）以鐵水、廢鋼、鐵合金為主要原料，無(wú)需在外加能源的基礎(chǔ)上便可通過(guò)物理以及化學(xué)反應(yīng)共同作用下產(chǎn)生的熱量，在轉(zhuǎn)爐當(dāng)中實(shí)現(xiàn)鋼的冶煉[2]。轉(zhuǎn)爐煉鋼有其自身的發(fā)展歷程，隨著時(shí)代的發(fā)展轉(zhuǎn)爐煉鋼方法也在不斷發(fā)展。

轉(zhuǎn)爐煉鋼當(dāng)中，轉(zhuǎn)爐是煉鋼的重要工具，它的材料主要分為兩種，即酸性和堿性耐火材料。當(dāng)然，不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)爐有不同的特色，例如煉鋼時(shí)吹入氣體的方式有頂吹、底吹和側(cè)吹。在眾多鋼鐵冶煉企業(yè)中，使用最多的是堿性材料轉(zhuǎn)爐，主要是因?yàn)樵擃?lèi)型轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率較高并且投入成本也相對(duì)較低。

二氧化碳無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒，其物理特征包括：分子量為44 g/mol、熔點(diǎn)為-78.46℃、沸點(diǎn)為-56.56℃、氣態(tài)密度為1.977 g/L、液態(tài)密度為1.816 kg/L。在鋼鐵生產(chǎn)中，二氧化碳排放一直非常大，該氣體的回收利用也是當(dāng)前鋼鐵行業(yè)十分關(guān)注的問(wèn)題。

二氧化碳的來(lái)源和產(chǎn)生與鋼鐵生產(chǎn)設(shè)備及流程緊密相關(guān)，例如焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐、帶式焙燒機(jī)等機(jī)器設(shè)備應(yīng)用中產(chǎn)生二氧化碳[3]。以轉(zhuǎn)爐為例，轉(zhuǎn)爐煤氣燃燒的過(guò)程中，石灰石分解產(chǎn)生二氧化碳，且體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，其含量達(dá)到30%～40%。

目前鋼鐵企業(yè)針對(duì)二氧化碳的回收主要有六種方式，其中主要是液相吸收法、變壓吸附法、化學(xué)循環(huán)燃燒法等。以液相吸收法為例，回收二氧化碳可以進(jìn)行物理吸收，也可進(jìn)行化學(xué)吸收。如果采用物理吸收CO2，則是通過(guò)加壓水洗、低溫甲醇等方法進(jìn)行吸收；如果使用化學(xué)方法吸收CO2，則是通過(guò)烷基醇胺法（MEA、MDEA）等方法進(jìn)行。

2 二氧化碳在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用分析

CO2的排放量增多會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響，鋼鐵生產(chǎn)排放的CO2非常大，因此必須通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)對(duì)CO2進(jìn)行回收和利用，以下則是CO2在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用分析。

2.1 二氧化碳作為冷卻劑的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院朱榮教授及其科研團(tuán)隊(duì)的研究證明，二氧化碳可以作為冷卻劑應(yīng)用于鋼鐵冶煉和生產(chǎn)當(dāng)中，其原理涉及到CO2和Fe的反應(yīng)、CO2和C的反應(yīng)，其相關(guān)的計(jì)算在此就不一一呈現(xiàn)。但從其反應(yīng)過(guò)程可以看出，CO2和Fe、C可以產(chǎn)生化學(xué)吸熱反應(yīng)，從而在煉鋼當(dāng)中達(dá)到冷卻的效果。就其效果而言，CO2在轉(zhuǎn)爐煉鋼中產(chǎn)生的效果依賴(lài)的是化學(xué)反應(yīng)熱。假設(shè)，在化學(xué)反應(yīng)溫度為1 500℃，入爐的溫度為25℃的情況下，根據(jù)計(jì)算，CO2在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的總吸熱量為5 297 kJ/kg，相應(yīng)而言CO2的冷卻效果優(yōu)于廢鋼的冷卻效果。因此，在轉(zhuǎn)爐煉鋼當(dāng)中，CO2目前也在用作冷卻劑。

2.2 二氧化碳在煉鋼流程中的應(yīng)用

在世界范圍內(nèi)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展相對(duì)較早，尤其是在20世紀(jì)鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益非常巨大，一些老牌的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)如德國(guó)、美國(guó)為創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)利益不斷更新煉鋼技術(shù)，其中的轉(zhuǎn)爐煉鋼法也因此產(chǎn)生[4]。在20世紀(jì)60—70年代，日本和德國(guó)則開(kāi)始將CO2應(yīng)用到轉(zhuǎn)爐煉鋼當(dāng)中。以日本為例，日本住友金屬和歌山鋼鐵廠(chǎng)在脫磷轉(zhuǎn)爐應(yīng)用CO2替代N2做為底吹氣源，脫磷率達(dá)到90%以上，煉鋼達(dá)到較好的節(jié)能降耗的效果，同時(shí)也降低了鋼鐵生產(chǎn)的成本。

CO2在煉鋼流程中的具體應(yīng)用步驟及過(guò)程如下：

1）CO2替代底吹N2和Ar。CO2替代底吹N2和Ar的化學(xué)反應(yīng)式則為CO2+[C]=2CO+Q吸，在這一反應(yīng)過(guò)程中CO2可以使得轉(zhuǎn)爐內(nèi)部鋼水?dāng)嚢韪哂行Ч?，并且能夠增?倍的氣體吹入。而CO2與轉(zhuǎn)爐煉鋼中的鐵水中的C會(huì)發(fā)生吸熱反應(yīng)，則可以充分提高脫磷效率，也能增加轉(zhuǎn)爐煤氣的回收量。

2）頂吹O2中混入一定比例的CO2。由此降低吹煉時(shí)的火點(diǎn)區(qū)溫度，金屬鐵以及粉塵則相對(duì)減少。

3）用精煉CO2代替Ar。該應(yīng)用的目的主要是為加大鋼水的攪拌效果，提高精煉冶煉高碳鋼的效率。

4）在冶煉不銹鋼當(dāng)中，用CO2取代Ar提高去碳保鉻冶金效果，可減少10%的氬氣消耗。

5）將CO2用作鋼液的覆蓋氣體，由此來(lái)降低鋼液增氮和二次氧化的現(xiàn)象，主要是由于CO2的密度與N2和Ar相比更高。

總而言之，在鋼鐵冶煉的過(guò)程中，CO2可以起到較好的作用和效果，無(wú)論是在冷卻，還是在提高煉鋼的質(zhì)量方面，CO2能夠體現(xiàn)出與其他氣體更突出的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)實(shí)踐和調(diào)查，CO2在轉(zhuǎn)爐煉鋼的實(shí)際應(yīng)用中的確能產(chǎn)生更好的效果，尤其是在生產(chǎn)中可以減少煙塵、爐渣、氮、磷的含量等。

3 結(jié)語(yǔ)

煉鋼時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生一定量的二氧化碳，但是在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中充分利用二氧化碳也具有較好的效果[5]。一方面能夠有效控制二氧化碳的排放，達(dá)到降耗節(jié)能的目的，另一方面也能極大提高鋼鐵生產(chǎn)的效率，極大降低鋼鐵生產(chǎn)成本提升鋼鐵在市場(chǎng)中的優(yōu)勢(shì)。尤其是在當(dāng)前我國(guó)倡導(dǎo)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境共同發(fā)展的背景下，CO2的應(yīng)用更是符合該行業(yè)時(shí)代發(fā)展的潮流。

[1] 蓋東興.噴吹CO2作為冷卻劑的轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝探索[J].煉鋼，2012（4）：40-42；58.

[2] 呂明，朱榮，畢秀榮，等.二氧化碳在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用研究[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（S1）：126-130.

[3] 萬(wàn)雪峰，曹東，劉祥，等.轉(zhuǎn)爐應(yīng)用CO2技術(shù)[J].鋼鐵，2015（5）：30-33.

[4] 武郁璞.基于CO2在煉鋼工藝應(yīng)用及發(fā)展的分析[J].河南科技，2014（19）：69-70.

[5] 李宏，馮佳，李永卿，等.轉(zhuǎn)爐煉鋼前期石灰石分解及CO2氧化作用的熱力學(xué)分析[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（S1）：83-87.

（編輯：苗運(yùn)平）

Application of Carbon Dioxide in Converter Steelmaking

Chen Haowei
（Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Laiwu Shandong 271104）

Steel production process has produced large amounts of CO2.This paper focuses on the role of CO2in converter steelmaking process,introduces application and effect of CO2in converter steelmaking and the whole process of steelmaking,and discusses the methods for reducing the impact of CO2on environment in steelmaking process and the methods for improving the effect of smelting.

converter steelmaking,carbon dioxide,application

TF713.4

A

1672-1152（2017）01-0096-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.01.38

2016-10-16

陳豪衛(wèi)（1986—），男，河南洛陽(yáng)人，大學(xué)本科，畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)冶金工程專(zhuān)業(yè)，工程師，研究方向：主要從事鋼鐵生產(chǎn)性工藝、新產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā)工作。