李長(zhǎng)華

（唐鋼中厚板材有限公司生產(chǎn)科，河北 唐山 063000）

在我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量中，轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)量占總比例85%以上。轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中通常采用O2為頂吹氣體、N2或Ar 或N2-Ar 切換作為底吹氣體，但這樣的工藝模式煙塵量大，并且鋼鐵料消耗高，脫磷效果也不理想。隨著我國(guó)轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的不斷改進(jìn)，采用底吹二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝。在生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳?xì)怏w參與熔池反應(yīng)，這樣的工藝模式遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)煉鋼方法。近年來(lái)伴隨著煉鋼工藝的逐步改進(jìn)，通過(guò)大量的生產(chǎn)時(shí)間摸索。在底吹二氧化碳中摻入氧氣射流，可有效控制煉鋼過(guò)程中煙塵產(chǎn)生量，大幅提升轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，各種指標(biāo)優(yōu)化?；谀壳拔覈?guó)轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀本文，結(jié)合相關(guān)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論知識(shí)，分析了在煉鋼過(guò)程中二氧化碳與熔池元素反應(yīng)機(jī)理，分析二氧化碳在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中，作為底頂復(fù)吹氣體的可行性，從而為轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，節(jié)能降耗發(fā)展提供理論參考。

1 熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理

1.1 熱力學(xué)分析

在 1300℃以上，CO2屬于弱氧化性氣體，與熔池中C、Si、Mn 和Fe 均能發(fā)生氧化反應(yīng)，各種反應(yīng)機(jī)理明細(xì)如表1 所示。

表1 CO2 與熔池元素的反應(yīng)機(jī)理

在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程初期，溶池中的硅錳元素含量較高，二氧化碳與Si、Mn 元素進(jìn)行放熱反應(yīng)。將對(duì)傳統(tǒng)工藝而言，放熱量可節(jié)約70%左右，在吹煉中期Si、Mn 元素已被大量氧化，二氧化碳主要與鐵水中的C 元素進(jìn)行反應(yīng)，此反應(yīng)過(guò)程為吸熱反應(yīng)，在這一過(guò)程中，頂部吹入伴隨氧氣射流的二氧化碳?xì)怏w可降低高溫火點(diǎn)區(qū)溫度。從轉(zhuǎn)爐底部吹入CO2，可代替底吹N2-Ar，加強(qiáng)熔池?cái)嚢?，進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程快速完成。

1.2 動(dòng)力學(xué)分析

與Ar 和N2不同，CO2與熔池中Si、Mn 進(jìn)行氧化反應(yīng)，在這一反應(yīng)過(guò)程中，整個(gè)氣體體積并沒(méi)發(fā)生變化。所以在整個(gè)轉(zhuǎn)爐底吹二氧化碳?xì)怏w發(fā)生熔池?cái)嚢璧倪^(guò)程中整個(gè)能量包括以下幾個(gè)方面：第一，二氧化碳?xì)怏w噴出過(guò)程的初始動(dòng)能；第二，CO2氣體從室溫?zé)崤蛎浀戒撍疁囟冗^(guò)程中的膨脹熱能；第三，CO2氣體與鋼水反應(yīng)釋放的熱能；第四，CO2等混合氣體上浮時(shí)的動(dòng)能。

2 火點(diǎn)溫度分析

對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝過(guò)程中的煙塵產(chǎn)生原理進(jìn)行分析，通過(guò)大量的生產(chǎn)實(shí)踐，在整個(gè)煉鋼過(guò)程中，煙氣的產(chǎn)生主要源于氧氣射流在高溫狀態(tài)下使鐵發(fā)生氧化反應(yīng)，F(xiàn)eO 和Fe2O3是煉鋼煙塵的主要成分，因此降低射流火點(diǎn)區(qū)域溫度可有效降低整個(gè)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中的鐵耗。

在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中負(fù)一熱量主要集中在轉(zhuǎn)爐煉鋼的高溫反應(yīng)區(qū)，煉鋼過(guò)程中二氧化碳與熔池中的元素發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)比例占火點(diǎn)區(qū)溫度的30%以內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程的進(jìn)行，火點(diǎn)區(qū)溫度伴隨二氧化碳反應(yīng)而降低，當(dāng)反應(yīng)比例超過(guò)50%，火點(diǎn)區(qū)溫度應(yīng)低于2400℃，這一溫度遠(yuǎn)小于鐵的蒸發(fā)溫度2750℃，從而可以有效的抑制轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中的煙塵量產(chǎn)生。這一反應(yīng)原理如圖1 所示。

圖1 火點(diǎn)區(qū)溫度隨CO2 比例變化

3 轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)實(shí)踐

3.1 生產(chǎn)實(shí)踐匯總

（1）供氣方案

本文對(duì)150 噸轉(zhuǎn)爐進(jìn)行頂?shù)讖?fù)吹二氧化碳煉鋼工藝過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐跟蹤。與傳統(tǒng)煉鋼工藝不同，復(fù)吹二氧化碳工藝轉(zhuǎn)爐頂部吹入O2和二氧化碳混合氣流，底部吹入二氧化碳?xì)怏w。如表2 所示。

表 2 供氣方案

3.2 取樣方案

整個(gè)煉鋼過(guò)程采用濕法除塵。從開(kāi)始吹煉過(guò)程到終結(jié)，每隔1.5 分鐘對(duì)煙塵進(jìn)行一次取樣，每次取樣100 毫升。對(duì)樣品利用烘箱進(jìn)行處理，一般鎂爐鋼共取8 個(gè)煙塵試樣。轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程結(jié)束后，倒?fàn)t完成曲鋼樣和渣樣。對(duì)所有樣品進(jìn)行綜合化驗(yàn)分析。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)大量的煙塵量，鋼水和爐渣成分進(jìn)行化驗(yàn)分析。探討二氧化碳?xì)怏w對(duì)于轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程的可行性。

4.1 煙塵量及 TFe 含量

圖2 為兩種工藝條件下轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中煙塵含量隨時(shí)間變化情況分析圖。從圖中可以看出，采用復(fù)吹二氧化碳工藝后在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程的前期和后期相對(duì)傳統(tǒng)工藝而言煙塵含量中TFe 元素可降低10%左右，中期煙塵含量中TFe 元素降低幅度開(kāi)始逐步趨于緩和。

圖2 平均煙塵量及煙塵 TFe 隨冶煉時(shí)間的變化

在冶煉額前期和后期，Si、Mn與二氧化碳發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的攪拌作用，主要依靠頂吹氣體和頂吹氣體的射流作用。吹入轉(zhuǎn)爐中的二氧化碳?xì)怏w，有效降低了轉(zhuǎn)爐溫度，從而減少了煙塵的產(chǎn)生。圖 3 為兩種工藝條件下平均煙塵總量及煙塵TFe 對(duì)比圖。

圖3 平均煙塵總量及煙塵TFe 對(duì)比

與傳統(tǒng)煉鋼工藝相比，采用頂?shù)讖?fù)吹二氧化碳?xì)怏w煉鋼工藝模式后，煙塵含量明顯降低，每爐鋼可降低1.64g/100 mL，降幅為11.1%，其中煙塵中 TFe含量降低1.16g/100 mL，降幅為12.8%。

4.2 煙塵及 TFe 分布

圖4 圖5 分別為兩種工藝條件下轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中煙塵含量和煙塵中 TFe 含量分布圖，圖中曲線所代表含義為常規(guī)工藝模式和采用復(fù)吹二氧化碳工藝條件下煙塵含量及煙塵 TFe 含量分布趨勢(shì)線。

圖4 兩種工藝條件下的煙塵量分布

圖5 兩種工藝條件下的煙塵 TFe 分布

4.3 鋼水及爐渣成分變化

圖6 為兩種工藝模式下鋼水及爐渣成分變化對(duì)比圖。從圖中可以看出采用復(fù)吹二氧化碳煉鋼工藝模式，有利于降低鋼水中的N、P 含量和鐵損耗，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)匯總，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的工藝模式N、P 含量降低比例分別為50% 和 23.33%，爐渣 TFe和( FeO) 含量分別降低了3.10%和3.97%。

圖 6 鋼液及爐渣平均成分對(duì)比

4.4 氧氣消耗及冶煉時(shí)間

轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝采用撫吹二氧化碳模式后，平均每爐鋼氧氣消耗量從原有1700m3降至1670m3。大幅縮減了整個(gè)煉鋼工藝過(guò)程中的氧氣消耗量。原有煉鋼時(shí)間為12～13 分鐘。通過(guò)工藝模式的改進(jìn)后，這一煉鋼時(shí)間基本未發(fā)生變化，但采用噴吹二氧化碳作為氧化性氣體后，提高了轉(zhuǎn)爐煉鋼的反應(yīng)速率。

5 結(jié)論

在煉鋼轉(zhuǎn)爐頂部噴吹CO2～O2、底部噴吹CO2氣體，這一模式后，通過(guò)大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可得出一下結(jié)論：①采用轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹二氧化碳?xì)怏w煉鋼工藝模式，有效降低了煉鋼過(guò)程中煙塵的含量，同時(shí)也降低了煙塵中 TFe 含量。每爐鋼煙塵降低1.64g/100mL，降幅為11.1%，TFe 含量降低1.16g/100 mL，降幅為12.8%。②二氧化碳?xì)怏w在整個(gè)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中，對(duì)鋼水中的N、P 元素起到了有效的去除作用，并且降低了爐渣中的鐵損耗。N、P 含量降低比例分別為50%和23.33%，爐渣TFe 和( FeO)含量分別降低3.10%和3.97%。③采用轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹CO2氣體煉鋼工藝降低了煉鋼氧耗，煉鋼時(shí)間未發(fā)生變化。