王德勇，何 亮

(甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司，甘肃 嘉峪关 735100)

摘 要: 酒钢开展了 120 t 转炉底吹 CO₂应用研究 ，分别从 CO₂底吹对冶炼过程中钢水成分、炉渣、钢铁料消耗、冷却效应、终点自由氧含量以及 O₂消耗的影响进行了探讨分析，碳钢 CO₂在转炉底吹上的应用可有效降低生产成本、 提高钢水质量。

关键词: 转炉; 底吹; CO₂ ; 炼钢

0 引言

酒钢碳钢薄板厂炼钢装备情况: 现有 3 座容量120 t 顶底复吹转炉，3 座 120 t 三相交流 LF 钢包精炼炉，1 座 120 t ＲH 炉、2 台常规连铸机、2 台薄板坯连铸机。

国内传统的碳钢转炉底吹气体的选择一般采用普通的 Ar、N2 等惰性气体进行底吹，部分特钢转炉采用 O₂ 作为底吹气体，一些特殊功能的转炉采用了天然气作为底吹气体。伴随碳交易的兴起，国内碳达峰、碳中和要求的提出，钢铁行业在CO₂ 资源化利用方面出现了一些研究成果，特别是北科大关于 CO₂ 在钢铁冶炼过程的理论研究，为在炼钢过程应用 CO₂ 提供理论支撑。结合 CO₂ 基本特性，围绕其在转炉底吹的应用展开研究。由于 CO₂ 作为一种气源在钢铁企业中多数尚不能实现自给，故此采用外购液态 CO₂ 进行供气，气体资源受到一定限制，顶枪流量大气体资源难以自持，底吹流量相对较小，故优先考虑在转炉底吹气体上进行应用。

1 试验基本条件

本次试验主要生产低碳钢和中碳钢，转炉基本情况见表 1。根据实际工况条件，常规工艺与试验工艺均采用 6 支底吹元件，布置在两个不同半径的分度圆上，如图 1 所示。本次试验使用 CO₂气体浓度＞99%，CO2槽车单次填装量为 25 t。

2 转炉 CO₂ 底吹工艺的应用效果及理论分析

2．1 底吹供气模式和供气强度选择

在正常的产品生产过程中根据成分变化，对底吹供气模式和供气强度做出调整。底吹CO₂ 的供气模式可分为不同的情况: ①开吹到出钢结束全程采用底吹 CO₂ ; ②吹炼前期、中期、后期可根据不同的产品选择不同的 CO₂ 底吹供气曲线，供气强度可选择在脱碳期加大强度，吹炼末期降低强度; 具体可根据冶炼的产品要求选择不同的供气模式和供气强度。

2．2 CO₂ 冷却效应

CO₂ 在冶炼过中的主要反应如下:

CO₂( g) + ［C］= 2CO( g)

137 890－126．52 T ΔGθ ＜0

因该反应是吸热反应，故反应会使熔池温度有相应的降低。冷却效应分析见表 2。

根据冶炼过程中物料平衡及热平衡，依据本厂物料冷却效应进行热平衡量差分析; 出钢温度试验炉次比正常炉次高 2．82 ℃，综合计算得出 CO₂ 冷却效应为 12．22 ℃，考虑实际的偏差，CO₂ 的冷却效应不大于 15 ℃。

在计算过程中，在全铁水为冶炼原料的条件下， 炼钢过程的热量总收入与热量总支出的差值。由于CO₂与熔池元素的反应为吸热或微放热反应，随着CO₂喷吹比例的增加，CO₂参与熔池反应带来的热量减少越多( 相比纯氧) 。因此，可以根据实际转炉熔池对热量的需求控制 CO₂喷吹比例，为形成最佳供气方案和原料配比，为优化炼钢过程的炉料结构提供了思路和基础数据。

2．3 钢水主要成分分析

本次试验选取中碳钢、低碳钢分别对终点控制情况进行对比，见表 3。

2．3．1 P、Mn 的成分控制

在入炉装入结构、铁水温度和成分基本一致的情况下，试验炉次与正常炉次相比钢水成分控制出现变化，试验炉次钢水终点残锰、钢水磷含量略有升高，主要是 CO₂的氧化性低于 O₂，造成钢水 Mn、P 的氧化弱于 O₂。因此，选择 CO₂ 底吹时，可选择在吹炼的不同时期吹入 CO₂，以获得不同的效果。如吹炼末期吹入 CO₂ 提高终点残锰含量以降低锰系合金消耗，吹炼末期停止吹入 CO₂ 用其它惰性气体代替可使终点磷含量进一步降低等，终点磷含量情况对比如图 2 所示。

CO₂应用于转炉底吹时，有利于提高脱磷率，主要有以下三方面原因^［1］: ①在吹炼前期，Si、Mn 与 O的反应将放出大量的热量，熔池温度波动较大，而当混入 CO₂后，具有一定的吸热效应，会减少熔池中元素总的氧化放热量，对吹炼前期具有较好的控温作用，提供良好的脱磷热力学条件，有利于转炉熔池脱磷; ②吹入的 CO₂与熔池元素反应均可产生 CO 气体，同时由于 2 体积的 CO₂代替 1 体积的 O₂，增大了吹入的气体量，气体量越大对熔池搅拌越强，提供良好的脱磷动力学条件，促进了脱磷应的进行; ③由于 CO₂参与反应的控温作用，使转炉熔池温度较长时间处于利于脱磷的温度区间，脱磷期相对延长，使脱磷反应能够较为充分的进行。

2．3．2 碳的选择性氧化

在一定的总压条件下，当气相中 CO 较少而CO₂较多时，C、P 选择性氧化的转变温度较低，此时实际冶炼温度低于转变温度，P 比 C 优先被氧化。当气相中 CO 较多，CO₂较少时，C 比 P 优先被氧化。当吹炼终点接近脱碳临界值时，C 含量向反应界面的传质受到限制，CO 产生减少，此时钢水 O 含量上升，此时优先氧化 P。也可以认为此时脱碳临界值升高。

CO₂( g) + ［C］= 2CO( g)

137 890－126．52 T ΔGθ ＜0         (1)

CO₂( g) +2 /5［P］= 1 /5( P₂O₅ ) +CO( g)

245+19．753 T ΔGθ ＞0              (2)

2．4 炉渣成分与辅料消耗对比分析

2．4．1 炉渣成分对比分析

终点炉渣成分对比分析情况见表 4。

从表 4 对比可看出，试验炉次渣中炉渣 MnO、炉渣 Ｒ 均低于正常炉次; MgO、P 含量控制上，中碳钢试验炉次 MgO 与正常炉次相差不大，低碳钢试验炉次低于正常炉次，FeO 含量试验炉次低于正常炉次; 炉渣成分差异在可控范围内。

总体上炉渣碱度降低、渣中 FeO 降低的同时炉渣脱磷能力得到了提高，反应动力学条件改善是主要原因。

2．4．2 辅料消耗分析

本次试验采用 CSP 钢种，底吹 CO₂ 炉次与正常炉次装入未做调整，试验炉次与正常炉次装入制度基本一致。对辅料消耗情况分别进行对比，见表 5。

从表 5 可知，中碳钢试验炉次石灰用量比正常炉次石灰用量略低，低碳钢试验炉次石灰用量比正常炉次略高，轻烧白云石试验炉次总体比正常炉次多，矿石试验炉次吃入量相比正常炉次吃入量少。总体上辅料的变化与热量相关，就 CO₂ 的特性，因其搅拌强度增大，可有效降低碱度和总渣量，因此可按照降低轻烧白云石、石灰用量的方向进行辅料用量调整，为降低炼钢辅料成本提供了支撑。

2．5 钢铁料消耗分析

根据不同的钢种冶炼情况，分别进行钢铁料消耗的分析，见表 6。

从表 6 可知，中碳钢底吹 CO₂ 炉次钢铁料消耗相比正常炉次降低 0．93 kg /t，低碳钢底吹 CO₂ 炉次钢铁料消耗相比正常炉次降低 1．03 kg /t。

根据炼钢粉尘蒸发理论机理，炼钢粉尘主要是由熔池高温引起的元素蒸发造成的，底吹 CO₂使熔池产生 CO₂( g) + ［C］= 2CO( g) ，产生的 CO 气泡体积是吹入 CO₂的 2 倍可加速熔池搅拌，CO₂的脱碳反应是吸热反应，因而吹入 CO 均匀火点区和熔池温度; 同时，因搅拌强度加大，反应速率提高，降低了Fe 的氧化，烟尘中的损失相应减少。

在冶炼过程中，虽然搅拌强度加大，但冶炼过程中的喷溅明显降低，吹炼的稳定性明显提高，其原因是在炉渣表面性质不变的情况下，CO 气体体积增大利于气体的排出，因此，转炉的冶炼过程喷溅相应减少。钢铁料消耗的降低是由于转炉烟尘中的金属损失减少、转炉喷溅损失降低的结果。CO₂ 为钢铁料消耗指标降低提供了新途径。

2．6 碳氧积分析

以 CSP 低碳钢碳氧积为例进行对比分析，CSP低碳钢选择同类钢种，转炉终点 C 含量为 0．035% ～0．04%的炉次进行对比，见表 7。

进行终点碳氧积对比，正常冶炼终点的碳氧积平均为 22．23×10^－4 ，底吹 CO₂ 工艺下终点碳氧积为20．75×10^－4 ，降低了 1．48×10^－4 ，转炉终点的氧含量降低了 52×10^－6 。总体上降低了钢水自由氧含量，降低了脱氧合金的用量，对钢水夹杂物的控制从源头上进行降低。

2．7  O₂ 消耗

试验过程中 O₂ 消耗情况对比，见表 8。

从表 8 可知，各钢种 O₂ 消耗试验炉次相比正常炉次低，平均 O₂ 消耗每炉试验炉次比正常炉次低444．1 m³ 。

底吹 CO₂与底吹 Ar 炉次对比，底吹 CO₂的搅拌强度增加脱碳速度提高，当到达吹炼终点时，同等 C含量的情况下，O₂的消耗量降低，由于 CO₂的弱氧化性，O₂消耗随着 CO₂用量的增加而减少。实际检测O₂消耗试验炉次 O₂消耗低于正常炉次 3 ～ 4 m³ ，供氧时间相应缩短 50～60 s。钢水终点碳含量一致的情况下，吹入 CO₂ 可有效的降低终点钢水过剩氧。

铁水C含量 1% ～ 4% 内CO₂利用率最高达到89．8%，此后随着C含量逐步降低，C 含量在 0．1% ～0．5%，其利用率大幅度下降到59．2%，因此，为最大限度提高 CO₂ 的利用率，可加大吹炼前中期的供气强度，提高脱碳速率。

2．8 对炉底透气元件的影响

CO₂与熔池中［C］、Fe 反应时吸热，与［Si］、［Mn］反应时放热。底吹元件如采用毛细管式透气砖，在吹炼前期透气元件不应暴露在钢水中，新炉开炉后在炉底透气砖上应快速形成炉渣保护层。

3 成本测算

转炉底吹 CO₂适用于全部钢种的冶炼。可在钢铁料、辅料、合金、能源介质等方面降低成本，通过实践降低综合成本 6．06 元/t。

4 结语

⑴转炉底吹 CO₂ 适用于转炉冶炼的所有钢种，冶炼过程脱碳期的存在为 CO₂ 发挥其特性提供了支撑。

⑵根据冶炼产品的要求，用户可根据需求调整供气模式和供气强度。

⑶CO₂ 在转炉底吹上的应用可有效降低冶炼成本、提高钢水质量。

参考文献:

［1］ 朱 荣．二氧化碳炼钢理论与实践［M］．北京: 科学出版社，2019．