宣钢150t转炉底吹CO2技术研究与实践

李慧峰

（河钢集团宣化钢铁公司，河北宣化 075100）

0 引言

钢铁工业是温室气体CO2排放大户，据统计，我国钢铁工业每吨钢要产生2吨CO2气体，2020年钢铁工业CO2气体排放总量超过20亿吨，占全国温室气体总排放的14%。CO2作为一种不活泼气体，在特定条件下具有惰性气体的性质，低廉的价格使其在转炉冶炼过程作为底吹气体，既没有吹N2带来的增氮趋势，也没有吹Ar带来的增高成本劣势，因此采用CO2代替N2、Ar用于转炉底吹将会获得较好的经济效益。目前我国提出“双碳”经济战略发展目标，大力倡导以产业低碳化转型与低碳产业化发展带动经济社会高质量的发展。在此形势下，开展CO2再利用技术的研究与应用，寻求CO2在钢铁流程内的规模化自我消化途径，是符合我国“双碳”经济战略发展目标的[1]。

2019年宣钢开展了CO2资源化应用于转炉炼钢的技术研究，研发了“转炉底吹CO2冶炼技术”。通过开展CO2吸附稳定深脱氮技术、底吹CO2高强度搅拌技术等创新技术的研究，以及在宣钢150t转炉上的工业试验，确定了CO2应用于转炉冶炼的工艺路径，实现了转炉稳定、高效、洁净化生产，提升了产品质量品级，在宣钢开启了转炉炼钢流程CO2资源化应用新时代。

1 技术研究

在提高钢铁产品质量和降低工序能耗的前提下，解决CO2资源化应用，是宣钢转炉炼钢工序实现洁净钢生产和CO2减排的核心命题。宣钢从150t转炉底吹CO2过程稳定脱氮、强化搅拌等方面开展研究，探索CO2应用于转炉冶炼的工艺路径，以实现炼钢过程节能减排、钢质洁净、降本增效的目标[2]。

1.1 CO 2吸附深度稳定脱氮技术研究

钢水中氮的深度脱除和稳定控制是生产洁净钢的关键，这已成为宣钢生产洁净钢的“卡脖子”环节。本文研究了炼钢过程CO2-CO气泡脱氮反应机理，提出了150t转炉冶炼底吹CO2应用的标准和工艺方案。通过开展CO2吸附脱氮的工业试验，实现了转炉出钢终点超低氮的稳定控制。

1.1.1 钢液CO2-CO气泡脱氮机理研究

以N2为代表的双原子分子由钢液脱除的气-液界面反应过程为原子扩散、界面吸附和气泡内扩散。通过计算，获得了不同气体原子向钢液表面扩散特征参数λ，总的反应速率与液相传质速率之比ζ与原子在钢液中扩散特征参数λ的关系如图1所示。

图1 ζ与λ的关系图

通常气相传质和界面吸附为钢液脱氮的控制环节，而CO2与Ar相比能直接打破气泡表面活性元素O/S的界面阻碍。这主要是由于CO2与钢中C元素反应，产生增量CO气体，气液界面随之被拉伸，表面活性元素O/S难以及时填满空位，使钢中N原子得以吸附和扩散；另外CO+[O]与CO2为动态可逆反应，气泡表面O原子在气-液相间不断进出，活化换位，从而在致密的表面原子层形成孔洞，成为钢中N原子传质的路径。CO2吸附脱氮反应作用过程如图2所示。

图2 CO2吸附脱氮反应作用过程

1.1.2 CO2-CO气泡吸附脱氮热态实验验证

使用200kg中频感应炉以洁净废钢为原料进行了低碳熔池底吹气体脱氮实验，低碳熔池底吹脱氮验证实验装置如图3所示。通过底吹透气元件向熔池内分别喷入CO2、Ar和N2，连续取样分析钢中N元素含量变化，对比验证底吹气源种类对钢液脱氮的效果。图4为喷吹不同介质钢中N元素含量变化曲线。由图4可以看出，随着吹气时间延长，底吹CO2相比Ar和N2的脱氮效果更好。

图3 低碳熔池底吹脱氮验证实验装置

图4 喷吹不同介质钢中N元素含量变化曲线

基于二级反应公式推导，对CO2和Ar的脱氮反应速率常数进行数据斜率回归，建立金属熔池吸/脱氮动力学模型，揭示了钢液吸/脱氮动力学规律。图5为底吹CO2和Ar钢液脱氮反应动力学级数线，由图5可以看出，CO2脱氮反应速率常数为底吹Ar的9.6倍，验证了底吹CO2时，气泡反应增量以及打破原子界面阻碍的深度稳定脱氮效果。

图5 钢液脱氮反应动力学级数线

1.2 底吹CO 2高强度搅拌技术

高强度底吹能够增强熔池搅拌，改善熔池动力学条件，促进渣-钢界面反应，为脱磷、控氧提供良好的动力学条件。若只为维持底吹元件寿命采用小流量底吹，将严重影响底吹气体搅拌效益的发挥，对于炼钢指标影响很大。如何实现转炉大流量底吹，是全面改善转炉冶炼指标的重要驱动力。宣钢组织开展了CO2化学吸热作用和CO2-CO转换气泡增殖效应研究，验证了底吹CO2冷却效果是Ar的10倍左右，发明了底吹CO2高强度搅拌技术，改善了150t转炉冶炼脱磷效率和控氧效果，完成了底吹CO2高强度搅拌技术的工业应用。

1.2.1 钢液CO2-CO气泡增强脱磷控氧机理研究

图6为不同比例CO2比搅拌功随底吹流量变化。由图6可以看出，随着底吹CO2比例的增加，底吹气体比搅拌功增加。针对喷吹CO2参与反应产生更多的气体，研究团队探明了CO2用于脱磷搅拌的动力学规律，即CO2的搅拌能力大于惰性气体，在熔池中C元素含量高于0.8%时，相同流量CO2的搅拌功可达Ar的1.8倍。

图6 不同比例CO2比搅拌功随底吹流量变化

图7为不同底吹气体总搅拌功随吹炼时间的变化。由图7可以看出：惰性气体N2吹入熔池后，因不发生化学反应，无体积变化，其搅拌功主要受熔池温度的影响；吹炼过程中，CO2与熔池中C、Si、Fe、P等元素发生反应产生CO气泡，且CO2与C、Fe元素反应为吸热反应，在增强熔池搅拌强度的同时可调控熔池温度，提高脱磷效率、降低转炉冶炼终点碳氧积。

图7 不同底吹气体总搅拌功随吹炼时间变化

图8为不同底吹气体总搅拌功的分项组成。由图8可以看出，冶炼中期，CO2气泡增殖产生的反应膨胀功和上浮膨胀功是增强熔池搅拌的重要因素。

图8 不同底吹气体总搅拌功分项组成

1.2.2 钢液CO2-CO气泡增强脱磷控氧实验研究

通过在感应炉分别底吹CO2、O2、Ar、N2，对比验证了CO2对钢液控氧、脱磷的效果，图9为底吹不同介质对钢液脱碳的影响[3]。由图9可以看出，底吹不同气体介质下，钢中C元素含量变化差异较大，其中底吹氧化性气体介质O2或CO2时，熔池平均脱碳速率基本相同，验证了CO2气泡增殖效应，实现了底吹气体的高强度搅拌。

图9 底吹不同介质对脱碳的影响

图10为不同底吹CO2比例下熔池脱磷曲线。由图10可以看出：不同底吹CO2比例下熔池脱磷速率变化趋势基本一致，在前5min脱磷速率较低，在5～15min脱磷速率加快，在15min以后脱磷速率再次降低；当CO2喷吹比例为50%或75%时，熔池产生的大量CO，促进了钢渣界面反应的进行，脱磷速率加快，实验证实了底吹CO2能够增强底吹强度，有利于提高转炉冶炼的脱磷效率、增强控氧能力。

图10 不同底吹CO2比例下熔池脱磷曲线

2 转炉底吹CO2冶炼技术应用

2.1 系统配置

宣钢二钢轧厂炼钢作业区于2010年11月投产。原工艺设计转炉底吹气体为N2、Ar，依据冶炼钢种不同采用A、B、C三种底吹模式，A模式为全程吹N2，B模式为全程吹Ar，C模式为N2、Ar切换底吹。转炉底吹透气砖共有8块，依据冶炼钢种情况，目前单支底吹透气砖流量设定为普钢60m3/h、品种钢80m3/h，底吹供气强度为0.04～0.053Nm3/（t·min）。

根据上述研究成果，2019年宣钢开始在两座150t转炉上开展底吹CO2冶炼技术应用。新建了一套底吹CO2供气系统，底吹CO2系统的控制并入转炉底吹控制系统，其操作界面置于转炉主控室，并在操作台上显示。转炉冶炼所有工艺参数均输入到转炉底吹控制系统中，转炉底吹控制系统通过远传信号控制二氧化碳气源站流量阀组，二氧化碳气体经压力和流量调节后，通过转炉底吹透气元件吹入熔池。

2.2 底吹控制模式

该项研究成果应用后，在原有三种底吹供气模式下，分别以CO2代替N2、Ar进行试验。经试验后，新增了H和K两个底吹模式，H模式为前期吹CO2后期切换为N2，K模式为前期吹CO2后期切换为Ar，实现5种供气方案。转炉可根据冶炼的钢种不同,随时选定其中的任何一种供气模式[4]。目前宣钢转炉底吹控制系统已实现如下功能:

（1）清晰的动态、静态画面显示；

（2）完成10个电磁阀的协调控制；

（3）对一些变量进行监视，当出现不正常时发出报警，并采取一些必要的安全措施；

（4）在保证安全生产前提下，可以对气体进行切换，且实现了某些电磁阀的互锁；

（5）自动操作，人工干预少，运行稳定可靠。

3 转炉底吹CO2冶炼技术应用效果

3.1 CO 2吸附深度稳定脱氮技术应用效果

根据CO2吸附深度稳定脱氮技术研究结果，宣钢制定了转炉炼钢动态调节底吹CO2流量，改善脱氮的工艺，并在150t转炉上开展了应用。根据冶炼阶段选定不同底吹脱氮供气模式，脱氮供气方案如表1所示。

表1 宣钢150t转炉炼钢底吹CO2改善脱氮工艺方案

该项研究成果在宣钢150t转炉工业试验期间，平均每炉钢底吹CO2为135Nm3，转炉出钢时N元素含量从29ppm稳步降低至14ppm，N元素含量波动幅度减小了27%，实现了转炉出钢终点N元素含量的稳定控制，实现了C72DA等低氮钢的稳定、高效生产[5]。

3.2 底吹CO 2高强度搅拌技术应用效果

根据底吹CO2高强度搅拌技术研究成果，宣钢在150t转炉上开展了应用。转炉平均底吹供气强度由0.02Nm3/（t·min）提高至0.05Nm3/（t·min）；同时由于CO2参与反应产生增量的CO气泡，使得相同流量CO2的搅拌功可达Ar的1.8倍，大幅度改善了渣-钢界面反应效率，渣中FeO降低了1.26%，转炉脱磷率提高了1.44%，钢水终点O元素含量降低了23ppm。

3.3 应用效果与当前国内外同类技术比较

上述研究成果完成工业应用后，合计产钢306万吨，实现工业CO2利用4500吨，新增产值0.44亿元，为公司带来了可观的经济及社会效益。与传统炼钢工艺相比，该研究成果显著提升了炼钢技术水平，在终点氮含量、渣中全铁（TFe）、终点碳氧积、底吹供气强度等指标上全面占优[6]，表2为本研究成果与国内外相关技术指标对比。同时该项成果为钢铁工业提供了一条行之有效的CO2资源化利用途径，有助于我国实现“碳中和”的战略发展目标。

表2 本研究成果与国内外相关技术指标对比（平均值）

4 结语

生产实践表明，宣钢转炉底吹CO2创新技术应用于150t转炉工业化生产后，转炉冶炼过程脱磷、脱氮、控氧效果明显改善，企业新增产值0.44亿元，实现工业CO2利用4500吨，经济及社会效益显著。

（1）转炉底吹CO2脱氮效果要优于Ar、N2，CO2与Ar、N2相比能直接打破气泡表面活性元素O/S的界面阻碍，因CO2与钢液中C元素反应产生增量CO气体，气液界面随之拉伸，表面活性元素O/S难以及时填满空位，钢中N原子得以吸附和扩散，增加了氮的去除能力。

（2）冶炼过程中，CO2与熔池中的碳、硅、铁、磷等元素发生反应产生CO气泡，且CO2与碳和铁反应为吸热反应，可调控熔池温度和增强熔池搅拌，提高脱磷效率、降低冶炼终点碳氧积。

（3）通过“转炉底吹CO2技术”研究成果的应用，成功将CO2应用于宣钢180t转炉炼钢生产底吹工艺，实现了CO2的工业大规模高效、有价转化利用，是温室气体CO2治理方法的技术创新。