陈豪卫

（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司， 山东莱芜271104）

摘  要：钢铁生产过程有中有大量的CO₂ 产生，围绕CO₂ 在转炉炼钢中的作用，简述了CO₂ 在转炉炼钢以及炼钢全流程中的应用方式和效果，探讨了炼钢过程中减少CO₂ 对环境的影响并提高冶炼效果的方法。

关键词：转炉炼钢二氧化碳应用

钢铁行业在我国国民经济发展及构成当中占有极为重要的地位。我国每年的产钢量大约为6 亿t，按照相关比例进行计算生产钢排放的CO₂ 就达到13.8 亿t，可见我国钢铁行业排放的CO₂ 量非常大^[1]。为降低CO₂ 的排放量实现节能降耗绿色发展，需要通过相应的技术及设备充分利用二氧化碳。就此，目前转炉炼钢当中已经对CO₂ 有一定的应用，其中包括了将其作为冷却剂的应用、作为反应介质的应用、用于冶炼不锈钢等。以下先对转炉炼钢与二氧化碳的相关内容进行简要的阐述，然后对二氧化碳具体的应用进行深入分析和探讨。

1 转炉炼钢中二氧化碳的产生与回收方式

转炉炼钢（converter steelmaking）以铁水、废钢、铁合金为主要原料，无需在外加能源的基础上便可通过物理以及化学反应共同作用下产生的热量，在转炉当中实现钢的冶炼^[2]。转炉炼钢有其自身的发展历程，随着时代的发展转炉炼钢方法也在不断发展。转炉炼钢当中，转炉是炼钢的重要工具，它的材料主要分为两种，即酸性和碱性耐火材料。当然，不同类型的转炉有不同的特色，例如炼钢时吹入气体的方式有顶吹、底吹和侧吹。在众多钢铁冶炼企业中，使用最多的是碱性材料转炉，主要是因为该类型转炉生产效率较高并且投入成本也相对较低。

二氧化碳无色、无味、无毒，其物理特征包括：分子量为44 g/mol、熔点为- 78.46 ℃、沸点为- 56.56 ℃、气态密度为1.977 g/L、液态密度为1.816 kg/L。在钢铁生产中，二氧化碳排放一直非常大，该气体的回收利用也是当前钢铁行业十分关注的问题。

二氧化碳的来源和产生与钢铁生产设备及流程紧密相关，例如焦炉、转炉、带式焙烧机等机器设备应用中产生二氧化碳^[3]。以转炉为例，转炉煤气燃烧的过程中，石灰石分解产生二氧化碳，且体积分数相对较高，其含量达到30%~40%。

目前钢铁企业针对二氧化碳的回收主要有六种方式，其中主要是液相吸收法、变压吸附法、化学循环燃烧法等。以液相吸收法为例，回收二氧化碳可以进行物理吸收，也可进行化学吸收。如果采用物理吸收CO₂，则是通过加压水洗、低温甲醇等方法进行吸收；如果使用化学方法吸收CO₂，则是通过烷基醇胺法（MEA、MDEA）等方法进行。

2 二氧化碳在转炉炼钢中的应用分析

CO₂ 的排放量增多会对环境产生不利的影响，钢铁生产排放的CO₂ 非常大，因此必须通过相应的技术对CO₂ 进行回收和利用，以下则是CO₂ 在转炉炼钢中的应用分析。

2.1 二氧化碳作为冷却剂的应用

经过北京科技大学冶金与生态工程学院朱荣教授及其科研团队的研究证明，二氧化碳可以作为冷却剂应用于钢铁冶炼和生产当中，其原理涉及到CO₂ 和Fe 的反应、CO₂ 和C 的反应，其相关的计算在此就不一一呈现。但从其反应过程可以看出，CO₂和Fe、C 可以产生化学吸热反应，从而在炼钢当中达到冷却的效果。就其效果而言，CO₂ 在转炉炼钢中产生的效果依赖的是化学反应热。假设，在化学反应温度为1 500 ℃，入炉的温度为25 ℃的情况下，根据计算，CO₂ 在转炉炼钢中的总吸热量为5 297kJ/kg，相应而言CO₂ 的冷却效果优于废钢的冷却效果。因此，在转炉炼钢当中，CO₂ 目前也在用作冷却剂。

2.2 二氧化碳在炼钢流程中的应用

在世界范围内钢铁工业的发展相对较早，尤其是在20 世纪钢铁工业产生的经济效益非常巨大，一些老牌的钢铁生产国如德国、美国为创造更大的经济利益不断更新炼钢技术，其中的转炉炼钢法也因此产生^[4]。在20 世纪60—70 年代，日本和德国则开始将CO₂ 应用到转炉炼钢当中。以日本为例，日本住友金属和歌山钢铁厂在脱磷转炉应用CO₂ 替代N₂做为底吹气源，脱磷率达到90%以上，炼钢达到较好的节能降耗的效果，同时也降低了钢铁生产的成本。

CO₂ 在炼钢流程中的具体应用步骤及过程如下：

1）CO2 替代底吹N₂ 和Ar。CO₂ 替代底吹N₂ 和Ar 的化学反应式则为CO₂+[C]=2CO+Q _吸，在这一反应过程中CO₂ 可以使得转炉内部钢水搅拌更具有效果，并且能够增加1 倍的气体吹入。而CO₂ 与转炉炼钢中的铁水中的C 会发生吸热反应，则可以充分提高脱磷效率，也能增加转炉煤气的回收量。

2）顶吹O₂ 中混入一定比例的CO₂。由此降低吹炼时的火点区温度，金属铁以及粉尘则相对减少。

3）用精炼CO₂ 代替Ar。该应用的目的主要是为加大钢水的搅拌效果，提高精炼冶炼高碳钢的效率。

4）在冶炼不锈钢当中，用CO₂ 取代Ar 提高去碳保铬冶金效果，可减少10%的氩气消耗。

5）将CO2 用作钢液的覆盖气体，由此来降低钢液增氮和二次氧化的现象，主要是由于CO₂ 的密度与N2 和Ar 相比更高。

总而言之，在钢铁冶炼的过程中，CO₂ 可以起到较好的作用和效果，无论是在冷却，还是在提高炼钢的质量方面，CO₂ 能够体现出与其他气体更突出的优势。根据实践和调查，CO₂ 在转炉炼钢的实际应用中的确能产生更好的效果，尤其是在生产中可以减少烟尘、炉渣、氮、磷的含量等。

3 结语

炼钢时必然会产生一定量的二氧化碳，但是在转炉炼钢过程中充分利用二氧化碳也具有较好的效果^[5]。一方面能够有效控制二氧化碳的排放，达到降耗节能的目的，另一方面也能极大提高钢铁生产的效率，极大降低钢铁生产成本提升钢铁在市场中的优势。尤其是在当前我国倡导经济与环境共同发展的背景下，CO₂ 的应用更是符合该行业时代发展的潮流。

参考文献

[1] 盖东兴.喷吹CO₂ 作为冷却剂的转炉炼钢工艺探索[J].炼钢，2012（4）：40- 42；58.

[2] 吕明，朱荣，毕秀荣，等.二氧化碳在转炉炼钢中的应用研究[J].北京科技大学学报，2011（S1）：126- 130.

[3] 万雪峰，曹东，刘祥，等.转炉应用CO₂ 技术[J].钢铁，2015（5）：30- 33.

[4] 武郁璞.基于CO₂ 在炼钢工艺应用及发展的分析[J].河南科技，2014（19）：69- 70.

[5] 李宏，冯佳，李永卿，等.转炉炼钢前期石灰石分解及CO₂ 氧化作用的热力学分析[J].北京科技大学学报，2011（S1）：83- 87.