300吨转炉喷吹CO_2炼钢工艺技术研究
二氧化碳在炼钢工艺的应用及发展
二氧化碳在炼钢工艺的应用及发展朱荣毕秀荣吕明（北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083）摘要钢铁生产过程二氧化碳排放占工业二氧化碳排放量的16%左右。
如何降低二氧化碳排放及使二氧化碳进行资源化利用是钢铁工作者关心的重要问题。
本文以二氧化碳在炼钢过程中的资源化利用为出发点，分析了国内外二氧化碳作为炼钢过程的搅拌气源、反应介质及保护气源的应用情况，并介绍了作者在炼钢应用二氧化碳方面所做的前期研究工作的进展。
关键词二氧化碳炼钢环境保护Application and Development of Carbon Dioxide in theSteelmaking ProcessZhu Rong Bi Xiurong Lv Ming（Metallurgical and Ecological Engineering School，University of Science and Technology Beijing，Beijing, 100083）Abstract The emission of carbon dioxide in the iron and steelmaking process is about 16% of that emissed in the industrial system. How to reduce the emission of carbon dioxide and take use of carbon dioxide is a main problem that has attracted many steel engineers' attention. In this paper，taking the utilization of carbon dioxide as a resource in steelmaking process as the starting point，and analysing application of carbon dioxide as stirring gas，reaction media and protection gas at home and abroad. And introducing authors’ previous research on the application of carbon dioxide in steelmaking process.Key words carbon dioxide，steelmaking，environmental protection1 引言我国年产钢约6亿吨，按吨钢二氧化碳排放量2.3 吨计算，总排放量达到13.8亿吨，成为二氧化碳排放的大户，占国内工业总排放量的16%左右。
科技成果——白灰窑尾气CO2回收用于CO2-O2混合喷吹炼钢工艺技术
科技成果——白灰窑尾气CO2回收用于CO2-O2混合喷吹炼钢工艺技术技术类别减碳技术所属领域钢铁行业适用范围适用于白灰窑、炼钢应用情况该技术采用变压吸附法+液化提纯法，目前仅在首钢京唐钢铁联合有限公司建设有一条示范生产线，已经建成投产。
CO2用于转炉冶炼提高了炼钢冶金效果，及转炉煤气质量。
成果简介（1）技术原理1、利用不同气体在变压情况下吸附剂吸附气体量不同及CO2加压容易液化的原理对CO2气体进行提纯；2、利用CO2和铁水中C反应可生成CO的原理增加冶金搅拌动能，降低炉渣铁含量，提高煤气质量；3、利用CO2和铁水中C反应生成CO时吸热原理降低火点区温度，减少粉尘的产生。
（2）关键技术1、基于白灰窑提浓和回收CO2技术白灰窑提浓技术涉及白灰窑烟气循环燃烧、密封改造、空燃比的控制等技术；回收CO2技术涉及到烟气精除尘、降温、脱水、脱硫、脱硝、PSA回收、TSA精脱水、加压、液化和汽化等技术。
2、CO2-O2混合喷吹炼钢工艺技术CO2-O2混合喷吹炼钢工艺技术涉及到冶炼时的底吹流量、压力的控制；顶吹混合喷吹的阀组设计；冶炼时顶吹与O2混合比例、压力控制；煤气回收控制等技术。
3、CO2回收与炼钢CO2-O2混合喷吹系统集成技术系统集成技术涉及CO2回收时的白灰窑优化操作控制技术；CO2回收时根据白灰窑尾气CO2浓度动态调整操作技术；CO2成品气输送技术；CO2回收与炼钢CO2-O2混合顶底喷吹技术等。
（3）工艺流程从白灰窑烟囱取尾气经过高精度除尘装置除尘、鼓风机升压到25kPa.G，然后进入窑气冷却器，降温后去TSA深度净化塔（2个)脱除其中的水、NO X和SO2，净化后的气体进入PSA（12个）进行CO2提浓，当CO2气体浓度达到94%左右时，对CO2进行加压液化提纯达到99.8%以上，液化后的CO2经过汽化后存储在2个100m3的储罐内，当转炉冶炼时通过管道输送到炼钢车间供转炉进行CO2-O2混合喷吹炼钢。
转炉炼钢原理及工艺介绍
因此，炼钢的基本任务可归纳为： （1）脱碳并将其含量调整到一定范围。碳含量的不同不但是引起生铁和钢性能差 异的决定性因素，同样也是控制钢性能的最主要元素。钢中含碳量增加，则硬度、 强度、脆性都将提高，而延展性能将下降；反之，含碳量减少，则硬度、强度下降 而延展性能提高。所以，炼钢过程必须按钢种规格将碳氧化至一定范围。 （2）去除杂质，主要包括： 1）脱磷、脱硫：对绝大多数钢种来说，P、S均为有害杂质。P可引起钢的冷脆，而 S则引起钢的热脆。 2）脱氧：由于在氧化精炼过程中，向熔池输入大量氧以氧化杂质，至使钢液中溶 入一定量的氧，它将大大影响钢的质量。因此，需降低钢中的含氧量。一般是向钢 液中加入比铁有更大亲氧力的元素来完成（如Al、Si、Mn等合金）。 3）去除气体和非金属夹杂物：钢中气体主要指溶解在钢中的氢和氮。非金属夹杂 物包括氧化物、硫化物、磷化物、氮化物以及它们所形成的复杂化合物。在一般炼 钢方法中，主要靠碳-氧反应时产生CO气泡的逸出，所引起的熔池沸腾来降低钢中 气体和非金属夹杂物。 （3）调整钢液成分和温度。为保证钢的各种物理、化学性能，除控制钢液的碳含 量和降低杂质含量外，还应加入适量的合金元素使其含量达到钢种规格范围。
由图可知： 当t<1400℃时，元素的氧化顺序 是Si、V、Mn、C、P、Fe； 当1400℃<t<1530℃时，元素的氧
化顺序是Si、C、V、Mn、P、Fe；
当t>1530℃时，元素的氧化顺序 是C、Si、V、Mn、P、Fe；
纯氧化物分解压与温度关系
（2）炼钢实际熔池中元素氧化顺序。
上述元素氧化顺序是根据纯氧化物分解压的大小来判断的。纯氧化物分 解压仅与温度有关，而在实际熔池中，各元素及其氧化物是处于多组元的溶 液中，不是纯物质，因此，溶液中的氧化物的分解压不仅与温度有关，还与 元素的浓度和炉渣的成分有关。例如，根据上图曲线，铁液内各元素中铁与 氧的亲和力最小，只要有别的元素存在，铁就不会被氧化。但实际上，在氧 气顶吹转炉吹炼一开始就可看到铁被大量氧化。再如，P2O5的分解压大于CO 的分解压，C、P是不可能同时氧化的，但在氧气顶吹转炉吹炼前期，由于温 度不太高，C的氧化受到抑制，同时渣中（FeO）较高，又形成了一定碱度、 流动性良好的炉渣，为P的氧化去除创造了条件，因此，在转炉吹炼的前期， P即被大量氧化而去除。
转炉炼钢工艺
转炉炼钢工艺转炉炼钢工艺绪论1、转炉炼钢法的分类转炉是以铁水为主要原料的现代炼钢方法。
该种炼钢炉由圆台型炉帽、圆柱型炉身和球缺型炉底组成。
炉身设有可绕之旋转的耳轴，以满足装料和出钢、倒渣操作，故而得名。
酸性空气底吹转炉——贝塞麦炉〔英国1856年〕空气转炉{ 碱性空气底吹转炉——托马斯炉〔德国1878年〕碱性空气侧吹转炉〔中国1952年〕转炉{ 氧气顶吹转炉——LD〔奥地利1952年〕氧气转炉{ 氧气底吹转炉——OBM〔德国1967年〕顶底复吹转炉〔法国1975年〕2、氧气顶吹转炉炼钢法简介(1) 诞生的布景及简称现代炼钢出产首先是一个氧化精炼过程，最初的贝氏炉和托马斯炉之所以采用空气吹炼正是操纵此中的氧。
二次世界大战以后，工业制氧机在美国问世，使操纵纯氧炼钢成为可能，但本来的底吹方式炉底及喷枪极易烧坏。
美国联合碳化物公司于1947年在尝试室进行氧气顶吹转炉的尝试并获成功，定名为BOF。
奥地利闻之即派有关专家前往参不雅学习，回来后于1949年在2吨的转炉长进行半工业性尝试并获成功，1952年、1953年30吨氧气顶吹转炉别离在Linz和Donawitz建成投产，故常简称LD。
1967年12月德国与加拿大合作缔造了氧气底吹转炉，使用双层套管喷嘴并通以气态碳氢化合物进行冷却。
1975年法国研发了顶底复吹转炉，综合了LD和OBM的长处，77年在世界年会上颁发。
(2) 氧气顶吹转炉的特点1〕长处氧气顶吹转炉一经问世就显示出了极大的优越性，世界各国竟相开展，目前成为最主要的炼钢法。
其长处主要暗示在：〔1〕熔炼速度快，出产率高〔一炉钢只需20分钟〕；〔2〕热效率高，冶炼中不需外来热源，且可配用10%～30%的废钢；〔3〕钢的品种多，质量好〔上下碳钢都能炼，S、P、H、N、O及夹杂含量低〕；〔4〕便于开展综合操纵和实现出产过程计算机控制。
2〕错误谬误当然，LD尚存在一些问题，如吹损较高〔10%，〕、所炼钢种仍受必然限制〔冶炼含大量难熔元素和易氧化元素的高合金钢有必然的困难〕等。
第三章转炉炼钢工艺1
铁水和废钢配比是根据热平衡计算确定。
通常，铁水配比为70~90%，其值取决于铁水温度和成 分、炉容量、冶炼钢种、原材料质量和操作水平等。
炉容比：
指转炉内自由空间的容积（V）与金属装入量(t)之比 (V/t , m3/t)。
它通常波动在0.83~1.0，它与铁水成分、冷却剂类型、 氧枪喷头结构和供氧强度等因素有关。
区）和光亮较弱的狭窄外围（二次反应区）所构成 。
反应区的温度在2000~2700℃之间(高温、高氧浓度) 。
穿透深度和冲击面积是 凹坑特征的主要标志。
枪位：喷嘴在静止 液面上的高度。
转炉炼钢供氧制度
熔池的搅拌程度与氧射流的冲击强度密切相关：
氧射流冲击力大（硬吹），则射流的穿透深度大 ，冲击面积小，对熔池的搅拌强烈；
厂名 太钢 二炼
吨位/t 50
炉容 0.97 比 /m3.t-1
首钢三 炼
80
攀钢 120
0.84 0.90
本钢二 炼
120
鞍钢三 首钢二
炼
炼
150 210
宝钢一 炼
300
0.91
0.86 0.97
1.05
第三节 转炉炼钢供氧制度
一.氧射流及其对熔池的相互作用
1.氧射流 顶部氧射流是转炉炼钢最重要的供氧渠道。 顶氧射流是通过水冷氧枪将高压、高纯的氧气从出
(3-1) (3-2) (3-3)
(3-4) (3-5)
(3-6) (3-7)
(3-8) (3-9)
反应（3-9）的发展程度取决于C、Si、Mn的浓度。
转炉炼钢供氧制度
②
在一次反应区以外的二次反应区，主要是间
接氧化； [Fe]+ 1/2{O2 } =(FeO)
120t复吹转炉高强度底吹CO_(2)工业试验
16〇lfnm 136>
116|mm
140 m m 图 2 底吹透气砖结构 Fig. 2 T h e structure of permeable brick
图 1 底吹供气元件布置 Fig. 1 Layout of bottom blowing points
底 吹 元 件 采 用 集 束 管 型 透 气 砖 ，厚 度 为 64(> m m ，每 块 透 气 砖 上 1(K1 m m x 130 m m 区域布置 有 3 0 根 外 径 <t>4 m m 、壁 厚 1 m m 不锈钢金属细 管 ，底吹透气砖结构如图2 所 示 。底 吹 气 体 为 N 2 和 A r ，根 据 冶 炼 钢 种 可 实 现 不 同 流 量 氮 、氩自动 切换。
2 底吹系统改进及新工艺底吹布置
底吹的作用是利用底吹气体上浮和膨胀来强 化 熔 池 搅 拌 ，改 善 炼 钢 过 程 动 力 学 条 件 ，加速炉内
碳 氧 反 应 ，促 进 碳 氧 平 衡 ，达到降低钢水碳氧积， 降低转炉终渣中（F e O )质量分数的目的[9^ ]。在
不 改 变 原 底 吹 透 气 砖 类 型 的 情 况 下 ，要 获 得 较 好 的 冶 金 效 果 难 度 较 大 ，主 要 受 透 气 砖 设 计 流 量 限 制 。因此，为进一步加强熔池搅拌效果，实现高强 度 底 吹 ，将 集 束 管 型 透 气 砖 改 为 喷 枪 型 底 吹 元 件 ， 采用的喷枪型底吹元件结构如图3 所 示 。试验时 将 原 有 6 支底吹元件全部堵死，重新在炉底直径 ().4£»的 耳 轴 水 平 线 位 置 布 置 2 支喷枪型底吹元 件 ，距 炉 底 中 心 1 176 mm，两支喷枪型底吹元件 呈 180°夹 角 ，新 换 喷 枪 型 底 吹 元 件 布 置 点 如 图 4 所示。
转炉炼钢设备和工艺
炉型主要尺寸的确定
b)筒球形熔池： 圆柱体和球缺两部分组成。 考虑炉底稳定性和熔池适当深度，一般球缺体的半径R为熔 池直径的1.1~1.25倍。国外大于200t转炉为0.8~1.0倍。 当R=1.1D时，金属熔池的体积为：
V熔 0.79H0D2 0.046D3
因此：熔池深度为：
V熔 0.046D3 H0 0.79D 2
炉型主要尺寸的确定
b)锥球形熔池： 由倒锥台和球缺体两部分组成。 据统计，球缺体曲率半径R=1.1D，球缺体高h2=0.09D， 倒锥台地面直径d1=(0.895~0.92）D。 熔池体积为：
V熔 0.70H0D2 0.0363 D3
熔池深度为：
V熔 0.0363D 3 H0 0.70D 2
炉底寿命短 炉容小 钢水含氮高 喷溅 污染 废钢比低
生产率高 N 、P 、 S 、 C 、 O 低 渣内FeO低 无喷溅 污染低 废钢比低 全 低 吹 O2+ 石 灰 粉
顶底复合吹氧+ 全量废钢 喷吹煤粉 大量高热值废 废钢预热 气 喷石灰粉 二次燃烧 很高废钢比 大量高热值废气
转炉炼钢车间设备组成
炉型主要尺寸的确定
h2 H0 H身 H帽 H内 H总 D D壳 d D出 一球缺高度； 一熔池深度； 一炉身高度； 一炉帽高度； 一转炉有效高度； 一转炉总高 一熔池直径； 一炉壳外径； 一炉口内径； 一出钢日直径； 一炉帽倾角
筒球型氧气顶吹转炉主要尺寸
炉型主要尺寸的确定
熔池直径（D）： 转炉熔池在平静状态时金属液面的直径。 计算方法： G D K t 推荐经验公式：
氧气顶吹转炉总图
转炉系统设备
炉型 炉壳 炉体支撑 转炉倾动机构
炼钢厂一次除尘OG系统维修技术标准
OG湿法除尘系统维修技术标准一、适用范围：1.本技术标准适用于炼钢厂2#转炉一次烟气全湿法净化系统。
2.本技术标准解释权归属炼钢厂设备科点检站。
二、工艺技术、原理1.工艺简介在转炉吹氧过程中，炉内反应过程中产生〜1500°C的高温烟气携带平均100(波动范围70-200)g∕Nm3的粉尘从炉口溢出进入烟罩，通过汽化冷却烟道的辐射吸热将烟气的温度降到700°C~900o C的同时回收余热生产蒸汽。
经汽化烟道降温后的烟气进入烟气净化系统，首先进入喷淋塔，经喷水降温及粗除尘,喷淋塔出口烟气温度一般控制在70o C~75°C;烟气经底部脱水后烟气流旋转转向上进入环缝文氏管，环缝文氏管为精除尘设备，可将粉尘浓度控制在30mg∕Nm3以下;之后烟气进入下降管进行调质降温,最后烟气经旋风除尘脱水塔后由风机输送到进入煤气柜或放散。
烟气净化部分主要包括一次冷却粗除尘和精除尘及烟气脱水三大部分组成，完成烟气的降温、除尘及脱水，以完成烟气排放标准及后续工序使用转炉煤气。
2.工艺流程转炉汽化烟道—→溢流水盆喷淋冷却塔上升斜管旋风除尘脱水塔下降管180°弯管长颈环缝文氏管机前管道—→一次除尘风机三通阀"→放散烟囱水封逆止阀煤气柜3.系统原理简述3.1汽化烟道通过溢流水盆与高效喷雾饱和塔相连接。
900°C~1100°C高温烟气经水冷短管进入高效喷雾饱和冷却塔，在塔内实行热交换后，达到饱和温度≤75°C~55℃o4.2在喷淋冷却塔中实行热交换是通过7支螺旋式喷枪来实现。
5.3饱和烟气在蒸发冷却过程中初步完成粗除尘而实现重力分离。
6.4初步分离的饱和烟气以大于100m∕s的高速，在文氏管中得到净化。
7.5环缝型喉口采用4只螺旋喷嘴完成精除尘任务，喷枪布局3支在上方，枪头朝上(30t∕h)1支枪在下方，枪头朝上(70t∕h);而净化后的含水烟气通过180°大弯头使弯头原积灰处同时得到清洗。
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300吨转炉喷吹CO_2炼钢工艺技术研究
二氧化碳减排和碳交易因温室效应和全球变暖成为热点问题,二氧化碳的资源化应用近年来也引起广泛关注。
大型转炉炼钢过程存在着粉尘大,脱磷困难,温度难控制等问题,将CO2喷入转炉中,使CO2作为弱氧化剂参与钢液脱碳反应为此提供了一条新的解决途径。
CO2参与脱碳反应吸热,因此能够降低熔池温度,促进脱磷反应,调控钢液温度。
本文首先分析转炉喷吹CO2的炼钢机理,然后从转炉底吹元件角度对底吹CO2的可行性进行了研究,利用中频感应炉进行实验。
最后在300吨脱磷转炉和常规转炉,采用顶吹O2-CO2底吹CO2的冶炼工艺进行工业试验,研究转炉喷吹CO2的炼钢工艺技术。
中频感应炉实验研究发现,钢液底吹CO2有脱碳效果,不会增加铁液中氧含量。
C02与铁水中[C]反应吸收热量,对底吹砖有一定冷却效果。
实验进行约20炉次后,底吹孔未堵塞,底吹孔周围略有侵蚀。
喷吹C02气体有利于提高炼钢转炉底吹砖寿命,进而可加大转炉底吹流量增加底吹供气强度,熔池搅拌增强,进而带来一系列冶炼指标的改善。
300吨转炉预脱磷喷吹CO2试验表明,转炉预脱磷采用复吹CO2工艺可行,转炉预脱磷底吹CO2不会造成底吹元件侵蚀和堵塞。
顶吹部分CO2和底吹CO2复吹冶炼工艺可使半钢脱磷率提高,脱碳率下降,实现了脱磷保碳的目的,同时冶炼终点温度可以控制在允许范围之内。
随着吨钢喷吹CO2量增加,终点磷含量降低,脱磷率提高,终点碳含量提高。
300吨转炉常规炼钢采用顶吹O2-C02混合气和全程底吹C02冶炼工艺可以完成冶炼任务,保证终点温度和成分要求,CO2喷入转炉反应生成CO使转炉回
收煤气量增加,反应吸热可调控转炉冶炼温度。
CO2喷入转炉,与熔池中化学元素反应生成2倍的CO气泡,CO进入炉气,使转炉煤气CO含量大幅增加,煤气热值提高,有利于转炉煤气的后续应用;CO2试验炉次,转炉终渣全铁降低,降低渣中铁损;转炉喷吹CO2可以改善熔池反应动力学条件,终点碳氧积下降。
本文的研究结果为大型转炉喷吹CO2气体的冶炼工艺提供了理论和实践依据,促进了炼钢技术的进步和发展。