D0I:10.13374/i.issm1001t63x.2010.02.006 第32卷第2期 北京科技大学学报 Vol 32 No 2 2010年2月 Journal of Un iversity of Science and Technobgy Beijing Feb 2010 应用COM炼钢工艺进行转炉全铁水冶炼基础研究 易操朱荣吕明刘剑辉 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 摘要基于二氧化碳与氧气混合喷吹（简称COMI)炼钢工艺热力学理论计算及实验研究，建立了转炉全铁水COM炼钢工 艺物料与能量模型.研究发现：应用C0M炼钢工艺进行转炉全铁水治炼工艺研究不仅能解决转炉全铁水常规冶炼过程中存 在的大渣量及大喷溅问题，而且在提高转炉煤气热值，降低转炉吨钢氧耗及石灰消耗、调节矿石加入量方面有显著效果。 关键词转炉；炼钢：模型：铁水 分类号TF724.1 Fundam ental research on converter steem ak ing w ith all hot m etal by COM I steem ak ing process YI Cao ZHU Rong IU M ing LIU Jian-hui School ofMetallrgical and Ecobgical Engineerng University of Science and Technobgy Beijng Beijng 100083 China ABSTRACT Acconding to research on themodynam ic calulation and experinent of carbon dioxile and oxygen m ixed injection(CO- M I)steemak ing process material and energy equilbrim models of converter steemak ing w ith all hotmetal by COM I process were es- tablished The results show that COM I process is significant for converter steemaking with all hotmetal It can not only overcome the problems of a large am ount of slag and big splashing in a conventional converter but also can iprove the calorific vale of converter gas reduce the oxygen consumption per ton steel lower the consimption of lme and accommodate the anount of imn ore KEY WORDS converter steemaking modeling hotmetal 受当前全球金融风暴的影响，全球经济波动较 C02,电炉短流程则要排放约0.5的C02:2004年， 大，特别是钢铁行业直接面临国内外市场萎缩和产 全球钢产量超过10亿t全球钢铁工业C02的年排 能过剩的双重压力·一些生产成本和管理成本高于 放量在20亿左右，占全球C02排放量的10%~ 行业平均水平的钢铁企业将会出现严重亏损甚至被 15%. 迫退出市场山.由于我国废钢资源积蓄有限，加之 结合当今缩减温室气体这一严峻挑战，本文基 废钢价格高于铁水，则对于以普钢生产为主的钢铁 于CO2与钢液元素相互作用的相关热力学理论和 企业来说，应尽快实现转炉原料结构转型，利用全铁 实验研究，探讨应用COMI炼钢工艺进行转炉全铁 水冶炼的钢铁制品来降低生产成本无疑是最直接有 水冶炼的可行性，为全铁水冶炼提供理论依据 效的应对措施 1COMI炼钢工艺原理 全球气候受温室气体影响严重，作为温室气体 的主要气体一C02因排放量巨大而受到重 本课题组自2005年以来致力于研发一种将温 视2).钢铁工业由于其能源密集型特点而成为 室气体C02应用于转炉炼钢的新工艺，即二氧化 C02排放的大户.据有关资料介绍-]，现阶段每生 碳氧气混合喷吹炼钢工艺，简称COMI(CO2andO2 产1t钢，采用高炉转炉长流程将排放2.1t的 m ixed injection)炼钢工艺， 收稿日期：2009-05-06 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。50974013) 作者简介：易操(1984一)男，硕士研究生；朱荣(1962)，男，教授，博士生导师，Email zhurongl20@126.cm
第 32卷 第 2期 2010年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．2 Ｆｅｂ．2010 应用 ＣＯＭＩ炼钢工艺进行转炉全铁水冶炼基础研究 易 操 朱 荣 吕 明 刘剑辉 北京科技大学冶金与生态工程学院北京 100083 摘 要 基于二氧化碳与氧气混合喷吹 （简称 ＣＯＭＩ）炼钢工艺热力学理论计算及实验研究建立了转炉全铁水 ＣＯＭＩ炼钢工 艺物料与能量模型．研究发现：应用 ＣＯＭＩ炼钢工艺进行转炉全铁水冶炼工艺研究不仅能解决转炉全铁水常规冶炼过程中存 在的大渣量及大喷溅问题而且在提高转炉煤气热值降低转炉吨钢氧耗及石灰消耗、调节矿石加入量方面有显著效果． 关键词 转炉；炼钢；模型；铁水 分类号 ＴＦ724∙1 ＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇｗｉｔｈａｌｌｈｏｔｍｅｔａｌｂｙＣＯＭＩ ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ ＹＩＣａｏＺＨＵＲｏｎｇＬÜＭｉｎｇＬＩＵＪｉａｎ-ｈｕｉ ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅａｎｄｏｘｙｇｅｎｍｉｘｅｄｉｎｊｅｃｔｉｏｎ（ＣＯ- ＭＩ） ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｅｎｅｒｇｙｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｍｏｄｅｌｓｏｆｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇｗｉｔｈａｌｌｈｏｔｍｅｔａｌｂｙＣＯＭＩｐｒｏｃｅｓｓｗｅｒｅｅｓ- ｔａｂｌｉｓｈｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＣＯＭＩｐｒｏｃｅｓｓｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｆｏｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇｗｉｔｈａｌｌｈｏｔｍｅｔａｌ．Ｉｔｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆａｌａｒｇｅａｍｏｕｎｔｏｆｓｌａｇａｎｄｂｉｇｓｐｌａｓｈｉｎｇｉｎａｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒｂｕｔａｌｓｏｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃａｌｏｒｉｆｉｃｖａｌｕｅｏｆｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｇａｓｒｅｄｕｃｅｔｈｅｏｘｙｇｅｎｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｐｅｒｔｏｎｓｔｅｅｌｌｏｗｅｒｔｈｅｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｌｉｍｅａｎｄａｃｃｏｍｍｏｄａｔｅｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｉｒｏｎｏｒｅ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ；ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｈｏｔｍｅｔａｌ 收稿日期：2009--05--06 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （Ｎｏ．50974013） 作者简介：易 操 （1984— ）男硕士研究生；朱 荣 （1962— ）男教授博士生导师Ｅ-ｍａｉｌ：ｚｈｕｒｏｎｇ1201＠126．ｃｏｍ 受当前全球金融风暴的影响全球经济波动较 大特别是钢铁行业直接面临国内外市场萎缩和产 能过剩的双重压力．一些生产成本和管理成本高于 行业平均水平的钢铁企业将会出现严重亏损甚至被 迫退出市场 ［1］．由于我国废钢资源积蓄有限加之 废钢价格高于铁水则对于以普钢生产为主的钢铁 企业来说应尽快实现转炉原料结构转型利用全铁 水冶炼的钢铁制品来降低生产成本无疑是最直接有 效的应对措施． 全球气候受温室气体影响严重作为温室气体 的主 要 气 体———ＣＯ2 因 排 放 量 巨 大 而 受 到 重 视 ［2--3］．钢铁工业由于其能源密集型特点而成为 ＣＯ2排放的大户．据有关资料介绍 ［4--6］现阶段每生 产 1ｔ钢采用高炉--转炉长流程将排放 2∙1ｔ的 ＣＯ2电炉短流程则要排放约 0∙5ｔ的 ＣＯ2．2004年 全球钢产量超过 10亿 ｔ全球钢铁工业 ＣＯ2 的年排 放量在 20亿 ｔ左右占全球 ＣＯ2 排放量的 10％ ～ 15％． 结合当今缩减温室气体这一严峻挑战本文基 于 ＣＯ2与钢液元素相互作用的相关热力学理论和 实验研究探讨应用 ＣＯＭＩ炼钢工艺进行转炉全铁 水冶炼的可行性为全铁水冶炼提供理论依据． 1 ＣＯＭＩ炼钢工艺原理 本课题组自 2005年以来致力于研发一种将温 室气体 ＣＯ2 应用于转炉炼钢的新工艺即二氧化 碳--氧气混合喷吹炼钢工艺简称 ＣＯＭＩ（ＣＯ2ａｎｄＯ2 ｍｉｘｅｄｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）炼钢工艺． DOI :10．13374／j．issn1001—053x．2010．02．005
第2期 易操等：应用COMI炼钢工艺进行转炉全铁水冶炼基础研究 .171. C02属弱氧化性气体，但根据热力学初步分析， 与CFeS和Mn反应生成氧化物，参与直接氧化 在炼钢温度下，以下反应是完全可进行的：C02、O2 反应7，如表1所示. 表1相关化学反应热力学数据 Table 1 Themodynamn ic data of nterelated chen ical meactions 1773K 介质种类 化学反应式 △G91(5mo1) △G5mo1) △H°/kkg1) C02(g)+[C=2C0(g) 34580-30.95T -20294.35 11602.67 CO2 (g)+Fe(I (Fe0)+CO(g) 11880-9.92T -5708.16 720.91 C02 2C02(g)+[siF(SD2)+2C0(g) -3577967+357.27T -2944527.29 -9299.21 COz (g)+[MnF (MnO)+CO(g) -261507.82+72.91T -132247.26 -1512.40 12o2(g)+[cFc0(g) -22219.350-91.84T -185051.67 -11639 02(g)+[CFC02(g） -166666.534-40.80T -239004.93 -34834 02 12o2(g)+Fe(=(F0) -459400+87.45T -304351.15 -4250 02(g)+[Si=(S02) -866510+152.30T -596482.10 -29202 1202(g)+[MnF (MnO) -803750+171.57T -499556.39 -6594 CO2与FeC元素在炼钢温度下反应虽属氧化 测定熔池的脱碳速度和熔池温度变化，通过测量得 反应，但却是吸热反应；而与SiMn元素的反应虽 到不同气体体积比Vo2人Nz下钢液中碳含量与时间 是放热反应，但相对于O2与SiMn元素的反应，放 的关系（图1）和不同比例Vo,No2下碳含量与温度 热仅有其30%左右.因此，将少量C02掺入02中 的关系（图2） 进行混合喷吹，即可减少熔池内富余热量，对于转 4.5 炉全铁水冶炼，减少熔池内富余热量即相当于降低 了矿石加入量，从而可避免因矿石的过量加入而造 ,纯C0, 成大渣量和大喷溅现象，达到提高铁元素收得率、降 Voo/Vo=11 低生产成本的目的， 15 Ven,/Vo=1:9 CFeS和Mn等元素与(FeO)形式发生的间 接氧化反应机理同各元素与纯氧反应的机理是一 致的 0 101520 冶炼时间min 日本学者野村宏之等[7认为将C02含量较高 图1碳含量与冶炼时间的关系 的混合气体喷入铁液中，铁液的脱碳反应受以下反 Fig I Relations between cadon con tent and selting tie 应的综合控制： C02(g)+[CF2C0(g) 1600 △G=34580-30.95Tmo; 1580 1560 [0]+[CFC0(g), --Voo/Vo=1:9 -Voo/Vo=1:1 △G=-17166-42.5Tmo; 兰1540 1520 d-纯C02 [0]+C0(g尸C02(g) 1500 △G=-161945+87Tmo1. 1480 当C02-02混合气体喷入铁液时，熔体中不 1460 4.03.53.02.52.01.51.00.5 同[C随喷吹混合气体中P,的升高而迅速下降， 碳的质量分数% 图2碳含量与温度的关系 2初步实验研究 Fig 2 Relations between cadbon content and temperature 本实验首先将10kg生铁放入电磁感应炉内进 从图1可以看到，采用不同比例的Vo2人o2脱 行熔化，在常温下，C02与02以不同比例混合，通 碳速度不同，但均在15mn内接近终点碳.同时从 过刚玉管插入升温至1550℃的金属熔池进行吹炼， 图2可以看到，氧气浓度低于一定值后，熔池温度下
第 2期 易 操等： 应用 ＣＯＭＩ炼钢工艺进行转炉全铁水冶炼基础研究 ＣＯ2属弱氧化性气体但根据热力学初步分析 在炼钢温度下以下反应是完全可进行的：ＣＯ2、Ｏ2 与 Ｃ、Ｆｅ、Ｓｉ和 Ｍｎ反应生成氧化物参与直接氧化 反应 ［7--8］如表 1所示． 表 1 相关化学反应热力学数据 Ｔａｂｌｅ1 Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｄａｔａｏｆｉｎｔｅｒｒｅｌａｔｅｄｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｉｏｎｓ 介质种类 化学反应式 ΔＧ○— ／（Ｊ·ｍｏｌ—1） 1773Ｋ ΔＧ○— ／（Ｊ·ｍｏｌ—1） ΔＨ○— ／（ｋＪ·ｋｇ—1） ＣＯ2（ｇ）＋［Ｃ］ 2ＣＯ（ｇ） 34580—30∙95Ｔ —20294∙35 11602∙67 ＣＯ2 ＣＯ2（ｇ）＋Ｆｅ（ｌ） （ＦｅＯ）＋ＣＯ（ｇ） 11880—9∙92Ｔ —5708∙16 720∙91 2ＣＯ2（ｇ）＋［Ｓｉ］ （ＳｉＯ2）＋2ＣＯ（ｇ） —3577967＋357∙27Ｔ —2944527∙29 —9299∙21 ＣＯ2（ｇ）＋［Ｍｎ］ （ＭｎＯ）＋ＣＯ（ｇ） —261507∙82＋72∙91Ｔ —132247∙26 —1512∙40 1／2Ｏ2（ｇ）＋［Ｃ］ ＣＯ（ｇ） —22219∙350—91∙84Ｔ —185051∙67 —11639 Ｏ2（ｇ）＋［Ｃ］ ＣＯ2（ｇ） —166666∙534—40∙80Ｔ —239004∙93 —34834 Ｏ2 1／2Ｏ2（ｇ）＋Ｆｅ（ｌ） （ＦｅＯ） —459400＋87∙45Ｔ —304351∙15 —4250 Ｏ2（ｇ）＋［Ｓｉ］ （ＳｉＯ2） —866510＋152∙30Ｔ —596482∙10 —29202 1／2Ｏ2（ｇ）＋［Ｍｎ］ （ＭｎＯ） —803750＋171∙57Ｔ —499556∙39 —6594 ＣＯ2与 Ｆｅ、Ｃ元素在炼钢温度下反应虽属氧化 反应但却是吸热反应；而与 Ｓｉ、Ｍｎ元素的反应虽 是放热反应但相对于 Ｏ2 与 Ｓｉ、Ｍｎ元素的反应放 热仅有其 30％左右．因此将少量 ＣＯ2 掺入 Ｏ2 中 进行混合喷吹即可减少熔池内富余热量．对于转 炉全铁水冶炼减少熔池内富余热量即相当于降低 了矿石加入量从而可避免因矿石的过量加入而造 成大渣量和大喷溅现象达到提高铁元素收得率、降 低生产成本的目的． Ｃ、Ｆｅ、Ｓｉ和 Ｍｎ等元素与 （ＦｅＯ）形式发生的间 接氧化反应机理同各元素与纯氧反应的机理是一 致的． 日本学者野村宏之等 ［7--8］认为将 ＣＯ2 含量较高 的混合气体喷入铁液中铁液的脱碳反应受以下反 应的综合控制： ＣＯ2（ｇ）＋［Ｃ］ 2ＣＯ（ｇ） ΔＧ ○— ＝34580—30∙95ＴＪ·ｍｏｌ —1； ［Ｏ］ ＋［Ｃ］ ＣＯ（ｇ） ΔＧ ○— ＝—17166—42∙5ＴＪ·ｍｏｌ —1； ［Ｏ］ ＋ＣＯ（ｇ） ＣＯ2（ｇ） ΔＧ ○— ＝—161945＋87ＴＪ·ｍｏｌ —1． 当 ＣＯ2--Ｏ2 混合气体喷入铁液时熔体中不 同 ［Ｃ］随喷吹混合气体中 ＰＣＯ2的升高而迅速下降． 2 初步实验研究 本实验首先将 10ｋｇ生铁放入电磁感应炉内进 行熔化．在常温下ＣＯ2 与 Ｏ2 以不同比例混合通 过刚玉管插入升温至 1550℃的金属熔池进行吹炼 测定熔池的脱碳速度和熔池温度变化．通过测量得 到不同气体体积比 ＶＣＯ2／ＶＯ2下钢液中碳含量与时间 的关系 （图 1）和不同比例 ＶＣＯ2／ＶＯ2下碳含量与温度 的关系 （图 2）． 图 1 碳含量与冶炼时间的关系 Ｆｉｇ．1 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｓｍｅｌｔｉｎｇｔｉｍｅ 图 2 碳含量与温度的关系 Ｆｉｇ．2 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 从图 1可以看到采用不同比例的 ＶＣＯ2／ＶＯ2脱 碳速度不同但均在 15ｍｉｎ内接近终点碳．同时从 图 2可以看到氧气浓度低于一定值后熔池温度下 ·171·
.172 北京科技大学学报 第32卷 降，氧化反应以吸热反应为主，因此，控制Vo2人o2 3.2计算结果分析 的比例是保证熔池温度达到出钢温度的关键. 本文物料与能量模型以理论参数及表2中现场 数据为基础，同时以C02与16%的熔池元素反应为 3物料能量模型 例进行研究，对于转炉全铁水冶炼模式熔池内富余 本全铁水冶炼模型的建立是基于C02、02与熔 热量，仅利用矿石作为降温材料对其进行调节 池元素反应的热效应差异，通过调节COMI炼钢工 表2铁水成分（质量分数）和温度 艺中两种气体配比来替代废钢、生铁等冷料对熔池 Table2 Conposition and tempemtue of hotmetal % 的降温冷却效果.本模型既能解决由于全铁水常规 类别 C Mn T尤 冶炼加入大量的矿石控制炉内温度，而导致渣量较 铁水 4.20 0.61 0.800.0990.0451290 大影响转炉出钢量的问题，又不影响正常冶炼节奏， 终点钢水0.15痕量 0.250.0300.030 1640 最终达到指导转炉全铁水炼钢的目的 3.1理论参数设定 由表3表4可知，C02与熔池元素反应的热效 结合资料和实际冶炼情况，本模型假设参数 应对转炉物料和能量结构比例组合有较大影响， 如下：(1)炉渣中铁珠质量为渣质量的%；(2)喷 CO2与SiMn元素反应属微放热，而与C,Fe元素反 溅损失为铁水质量的0.89%；(3)烟尘质量为铁水质 应为吸热.由本能量模型计算可知，常规工艺（未混 量的1.6%，其中，F0占77%，e03占20%； 合C02)全铁水转变成钢水后，熔池将富余热量 (4)上炉所溅的渣被冲刷的质量占铁水质量的 29838.54kJ而当C02与19%的熔池元素反应时，熔池 0.5%;(5)炉气温度取1450℃，炉气中自由氧的体 内富余热量降至7342.35kJ从而使在应用C0MI 积分数为0.5%；(6)02利用率为85%，C02利用率 炼钢工艺后，转炉全铁水冶炼富余热量基本与常规 为75%. 工艺下加废钢冷却后的富余热量一致，因此，本工 表3转炉全铁水冶炼COMI炼钢工艺能量模型 Table 3 Enengy model of converter steemak ing w ith all hot metal by COM I steemak ing pmcess 收入项 支出项 项目 热量么」 比例% 项目 热量k」 比例% 铁水物理热 117827.07 59.39 钢水物理热 129259.88 65.15 C元素（与02）氧化放热 47486.82 23.94 炉渣物理热 19545.13 9.85 S元素（与02）氧化放热 14963.10 7.54 烟尘物理热 2614.40 1.32 Mn元素（与02）氧化放热 3046.43 1.53 炉气物理热 19860.97 10.01 P元素（与02）氧化放热 1325.80 0.67 铁珠物理热 680.10 0.34 Fc元素（与02）氧化放热 4634.22 2.33 喷溅金属物理热 1134.36 0.57 PO5成渣热 771.20 0.39 其他热损失 8927,71 4.50 SD2成渣热 1778.76 0.90 富余物理热 7342.35 3.70 烟尘氧化热 5519.48 2.78 烧碱分解热 1097.81 0.56 Si计2C02=sD2+2C0 907.60 0.46 轻烧白云石 292.13 0.15 Mn+C02=M0十c0 133.09 0.07 C02+C=2C0 7518.53 3.79 Fe十C02=F0十C0 120.20 0.06 合计 198393.57 100.00 合计 198393.57 100.00 艺可减少转炉全铁水冶炼模式的矿石加入量，降低 最佳供气方案，为转炉全铁水冶炼生产提供参考 转炉炉渣和喷溅概率，即减少铁损 由图4可知：随着熔池元素与C02反应比例增 结合COMI炼钢工艺冶金热力学分析，由图3 大，炉气中C0含量明显上升.当C02与16%的熔 可知，随着熔池元素与C02反应比例的增加，熔池 池元素反应时，煤气VoN2值由7.15上升至 内的富余热量越来越少，因此，可以根据实际转炉 10.11当喷吹纯C02进行转炉全铁水冶炼时，Vo/ 熔池对热量的需求控制CO2的混合比例，最终形成 Vo,值上可升至85.由此可推测COMI炼钢工艺在
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 降氧化反应以吸热反应为主．因此控制 ＶＣＯ2／ＶＯ2 的比例是保证熔池温度达到出钢温度的关键． 3 物料能量模型 本全铁水冶炼模型的建立是基于 ＣＯ2、Ｏ2 与熔 池元素反应的热效应差异通过调节 ＣＯＭＩ炼钢工 艺中两种气体配比来替代废钢、生铁等冷料对熔池 的降温冷却效果．本模型既能解决由于全铁水常规 冶炼加入大量的矿石控制炉内温度而导致渣量较 大影响转炉出钢量的问题又不影响正常冶炼节奏 最终达到指导转炉全铁水炼钢的目的． 3∙1 理论参数设定 结合资料 ［9］和实际冶炼情况本模型假设参数 如下：（1）炉渣中铁珠质量为渣质量的 5％；（2）喷 溅损失为铁水质量的 0∙8％；（3）烟尘质量为铁水质 量的 1∙6％其 中ＦｅＯ 占 77％Ｆｅ2Ｏ3 占 20％； （4）上炉所溅的渣被冲刷的质量占铁水质量的 0∙5％；（5）炉气温度取 1450℃炉气中自由氧的体 积分数为 0∙5％；（6）Ｏ2利用率为 85％ＣＯ2利用率 为 75％． 3∙2 计算结果分析 本文物料与能量模型以理论参数及表 2中现场 数据为基础同时以 ＣＯ2与 16％的熔池元素反应为 例进行研究．对于转炉全铁水冶炼模式熔池内富余 热量仅利用矿石作为降温材料对其进行调节． 表 2 铁水成分 （质量分数 ）和温度 Ｔａｂｌｅ2 Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｈｏｔｍｅｔａｌ ％ 类别 Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｔ／℃ 铁水 4∙20 0∙61 0∙80 0∙099 0∙045 1290 终点钢水 0∙15 痕量 0∙25 0∙030 0∙030 1640 由表 3、表 4可知ＣＯ2 与熔池元素反应的热效 应对转炉物料和能量结构比例组合有较大影响． ＣＯ2与 Ｓｉ、Ｍｎ元素反应属微放热而与 Ｃ、Ｆｅ元素反 应为吸热．由本能量模型计算可知常规工艺 （未混 合 ＣＯ2 ）全铁水转变成钢水后熔池将富余热量 29838∙54ｋＪ而当 ＣＯ2与16％的熔池元素反应时熔池 内富余热量降至 7342∙35ｋＪ从而使在应用 ＣＯＭＩ 炼钢工艺后转炉全铁水冶炼富余热量基本与常规 工艺下加废钢冷却后的富余热量一致．因此 本工 表 3 转炉全铁水冶炼 ＣＯＭＩ炼钢工艺能量模型 Ｔａｂｌｅ3 ＥｎｅｒｇｙｍｏｄｅｌｏｆｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇｗｉｔｈａｌｌｈｏｔｍｅｔａｌｂｙＣＯＭＩｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ 收入项 项目 热量／ｋＪ 比例／％ 铁水物理热 117827∙07 59∙39 Ｃ元素 （与 Ｏ2）氧化放热 47486∙82 23∙94 Ｓｉ元素 （与 Ｏ2）氧化放热 14963∙10 7∙54 Ｍｎ元素 （与 Ｏ2）氧化放热 3046∙43 1∙53 Ｐ元素 （与 Ｏ2）氧化放热 1325∙80 0∙67 Ｆｅ元素 （与 Ｏ2）氧化放热 4634∙22 2∙33 Ｐ2Ｏ5成渣热 771∙20 0∙39 ＳｉＯ2成渣热 1778∙76 0∙90 烟尘氧化热 5519∙48 2∙78 Ｓｉ＋2ＣＯ2＝ＳｉＯ2＋2ＣＯ 907∙60 0∙46 Ｍｎ＋ＣＯ2＝ＭｎＯ＋ＣＯ 133∙09 0∙07 合计 198393∙57 100∙00 支出项 项目 热量／ｋＪ 比例／％ 钢水物理热 129259∙88 65∙15 炉渣物理热 19545∙13 9∙85 烟尘物理热 2614∙40 1∙32 炉气物理热 19860∙97 10∙01 铁珠物理热 680∙10 0∙34 喷溅金属物理热 1134∙36 0∙57 其他热损失 8927∙71 4∙50 富余物理热 7342∙35 3∙70 烧碱分解热 1097∙81 0∙56 轻烧白云石 292∙13 0∙15 ＣＯ2＋Ｃ＝2ＣＯ 7518∙53 3∙79 Ｆｅ＋ＣＯ2＝ＦｅＯ＋ＣＯ 120∙20 0∙06 合计 198393∙57 100∙00 艺可减少转炉全铁水冶炼模式的矿石加入量降低 转炉炉渣和喷溅概率即减少铁损． 结合 ＣＯＭＩ炼钢工艺冶金热力学分析由图 3 可知随着熔池元素与 ＣＯ2 反应比例的增加熔池 内的富余热量越来越少．因此可以根据实际转炉 熔池对热量的需求控制 ＣＯ2 的混合比例最终形成 最佳供气方案为转炉全铁水冶炼生产提供参考． 由图 4可知：随着熔池元素与 ＣＯ2 反应比例增 大炉气中 ＣＯ含量明显上升．当 ＣＯ2 与 16％的熔 池元素反应时煤气 ＶＣＯ／ＶＣＯ2值由 7∙15上升至 10∙11；当喷吹纯 ＣＯ2 进行转炉全铁水冶炼时ＶＣＯ／ ＶＣＯ2值上可升至 85．由此可推测 ＣＯＭＩ炼钢工艺在 ·172·
第2期 易操等：应用COMI炼钢工艺进行转炉全铁水治炼基础研究 .173 表4转炉全铁水冶炼COM炼钢工艺物料模型 每增加5%，吨钢氧耗大约减少2.35m3,C02消耗增 Tab le 4 Materialmodels of converter steemak ing w ith all hot metal by 加6.5m3.这主要是由于熔池中部分元素与C02进 COM I steemak ng pmcess 行反应，减少了02的消耗，增加了煤气中C0所占 收入项 支出项 比例所致， 项目 质量么g比例防 项目 质量么g比例% 铁水 100.0000 85.27 钢水 91.9225 78.33 60 石灰 4.5798 3.91 炉渣 10.1285 8.63 白镁球 0.7900 0.67 炉气 12.4105 10.57 8 40 -6-0,消耗 ·一CO,消耗 矿石 1.4115 1.20 烟尘 1.6000 1.36 30 溅渣层 0.5000 0.43 喷泼 0.8034 0.69 20 氧气 6.2933 5.37 铁珠 0.4957 0.42 10 二氧化碳 2.8841 2.46 0 董石 0.1550 0.13 5 101520 元素与C0,反应比例/% 铁水渣 0.5000 0.43 图5元素与C02反应比例对氧耗的影响 轻烧白云石 0.1550 0.13 Fig 5 Influence of the proportion of ekments reacted w ith CO2 on 合计 117.2687100.00 合计117.3606100.00 oxygen consim ption 由图6可知，增加C02与熔池内元素的反应比 例，即需增加C02的实际喷吹量，其对减少矿石加 04 三 入量、降低吨钢石灰消耗效果明显，这主要是因为 -40 随着CO2喷吹比例的增加，C02与熔池元素的反应 比例增大，熔池内富余热量相应减少.对于全铁水 -80 冶炼工艺来说，矿石是其主要冷却料，COM炼钢工 艺可减少炉内富余热量，通过减少其对矿石的需求 -120 0 20406080 100 量以降低吨钢石灰消耗 元素与C0,反应比例/% 70 图3元素与C02反应比例对熔池热效应的影响 60 34.45 Fig 3 Change n themal effect of the metal poolwith the pmportion 芝50 27.18 of elements reacted w ith CO2 40 30 19.12 90 20 心一石灰 80 102、s 10 ★一矿石 一+一C0,喷吹比例 0 60 0 5 10 15 20 元素与C0,反应比例% 40 图6辅料加入量、供气比例随熔池元素与C02反应比例变化 30 20 Fig 6 Infhence of the pmoportion of ekments reacted with CO2 on 10 the mass of auxiliary materials and the pmoportion of gas supply 0 20 4060 80 100 4结论 元素与C0,反应比例/% 图4元素与C02反应比例对煤气量的影响 (1)经实验室研究发现，利用C02进行全铁水 Fig 4 Infuence of the pmoportion of elments weacted w ith CO2 on 吹炼脱碳是可行的 gas vohme (2)根据COM炼钢工艺全铁水物料能量模型 提升煤气中C0所占比例、提高煤气热值方面效果 计算可知，COM炼钢工艺在提高转炉煤气热值，降 显著， 低氧耗、石灰消耗等方面均有显著效果.当C02与 如图5所示，随着熔池元素与C02反应比例递 16%的熔池元素反应时，煤气VoNm,值由7.15上 增，吨钢氧耗逐渐下降，熔池元素与CO2反应比例 升至10.11辅料，吨钢的氧耗量、石灰耗量可分别降
第 2期 易 操等： 应用 ＣＯＭＩ炼钢工艺进行转炉全铁水冶炼基础研究 表 4 转炉全铁水冶炼 ＣＯＭＩ炼钢工艺物料模型 Ｔａｂｌｅ4 Ｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌｓｏｆｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇｗｉｔｈａｌｌｈｏｔｍｅｔａｌｂｙ ＣＯＭＩｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ 收入项 项目 质量／ｋｇ 比例／％ 铁水 100∙0000 85∙27 石灰 4∙5798 3∙91 白镁球 0∙7900 0∙67 矿石 1∙4115 1∙20 溅渣层 0∙5000 0∙43 氧气 6∙2933 5∙37 二氧化碳 2∙8841 2∙46 萤石 0∙1550 0∙13 铁水渣 0∙5000 0∙43 轻烧白云石 0∙1550 0∙13 合计 117∙2687 100∙00 支出项 项目 质量／ｋｇ 比例／％ 钢水 91∙9225 78∙33 炉渣 10∙1285 8∙63 炉气 12∙4105 10∙57 烟尘 1∙6000 1∙36 喷溅 0∙8034 0∙69 铁珠 0∙4957 0∙42 合计 117∙3606 100∙00 图 3 元素与 ＣＯ2反应比例对熔池热效应的影响 Ｆｉｇ．3 Ｃｈａｎｇｅｉｎｔｈｅｒｍａｌｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｍｅｔａｌｐｏｏｌｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆｅｌｅｍｅｎｔｓｒｅａｃｔｅｄｗｉｔｈＣＯ2 图 4 元素与 ＣＯ2反应比例对煤气量的影响 Ｆｉｇ．4 ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆｅｌｅｍｅｎｔｓｒｅａｃｔｅｄｗｉｔｈＣＯ2 ｏｎ ｇａｓｖｏｌｕｍｅ 提升煤气中 ＣＯ所占比例、提高煤气热值方面效果 显著． 如图 5所示随着熔池元素与 ＣＯ2 反应比例递 增吨钢氧耗逐渐下降．熔池元素与 ＣＯ2 反应比例 每增加5％吨钢氧耗大约减少2∙35ｍ 3ＣＯ2消耗增 加 6∙5ｍ 3．这主要是由于熔池中部分元素与 ＣＯ2进 行反应减少了 Ｏ2 的消耗增加了煤气中 ＣＯ所占 比例所致． 图 5 元素与 ＣＯ2反应比例对氧耗的影响 Ｆｉｇ．5 ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆｅｌｅｍｅｎｔｓｒｅａｃｔｅｄｗｉｔｈＣＯ2 ｏｎ ｏｘｙｇｅｎｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ 由图 6可知增加 ＣＯ2 与熔池内元素的反应比 例即需增加 ＣＯ2 的实际喷吹量其对减少矿石加 入量、降低吨钢石灰消耗效果明显．这主要是因为 随着 ＣＯ2喷吹比例的增加ＣＯ2 与熔池元素的反应 比例增大熔池内富余热量相应减少．对于全铁水 冶炼工艺来说矿石是其主要冷却料．ＣＯＭＩ炼钢工 艺可减少炉内富余热量通过减少其对矿石的需求 量以降低吨钢石灰消耗． 图 6 辅料加入量、供气比例随熔池元素与 ＣＯ2反应比例变化 Ｆｉｇ．6 ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆｅｌｅｍｅｎｔｓｒｅａｃｔｅｄｗｉｔｈＣＯ2 ｏｎ ｔｈｅｍａｓｓｏｆａｕｘｉｌｉａｒｙｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｔｈｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆｇａｓｓｕｐｐｌｙ 4 结论 （1） 经实验室研究发现利用 ＣＯ2 进行全铁水 吹炼脱碳是可行的． （2） 根据 ＣＯＭＩ炼钢工艺全铁水物料能量模型 计算可知ＣＯＭＩ炼钢工艺在提高转炉煤气热值降 低氧耗、石灰消耗等方面均有显著效果．当 ＣＯ2 与 16％的熔池元素反应时煤气 ＶＣＯ／ＶＣＯ2值由 7∙15上 升至 10∙11辅料吨钢的氧耗量、石灰耗量可分别降 ·173·
,174. 北京科技大学学报 第32卷 低7.67m3、7.82kg (Philipp Jurgen A.欧洲和德国的钢铁工业的环保现状和发 展.中国治金，200476(3)：1) 参考文献 [6]Yang X D.Zhang L G reenhouse gas on ission frm iron and steel [1]Xu L J Enhancing technobgical ability and realizing enterprise's industry and its reduction Iron Steel 2003 38(7):65 sustainable development Baosteel Technol 2009.1:1 (杨晓东，张玲.钢铁工业温室气排放与减排.钢铁，200338 (徐乐江，提升技术能力实现企业可持续发展，宝钢技术， (7):65) 2009.1.1) [7]Nanura H.MoriK.K inetics of decadburization of liqu i iron with [2]Griston M C Karakoussis B Fouquet R.et al The Eumpean high concentration of catbon Tetsu-tohagane 1971.57 (9): and gbbal potential of catbon dioxide sequestration in tack ling cli 1468 mate charge Clinate Policy 2001.1.155 (野村宏之，森一美.高炭素领域（二书十石溶铁）脱炭反应机 [3]Hashmnoto K.YanasakiM.Materials for glbal catbon dioxde re- 构1仁关寸石研究.铁上钢，1971,57(9)：1468) eyeling Corms Sci 2002 44:371 [8]Nonura H.Mori K.K inetics of decadburiation of liqquid irn at [4]Imura O.Envirnmental protection measures in Japan steel indus- bow concentrations of catbon Tetar-to hagane 1972 58(1):30 try/Weng Y Q.Ed Pmceedings of Intemational Symposim on (野村宏之，森一美。低炭素领域！二书石溶铁)脱炭反应机 Glohal Enviromment and Steel Industry Beijng The Chinese Soci 构二关寸石研究.铁上钢，197258(1)：30) ety for Metal 2003 38 [9]Wang Y Z Li C Z Converter Steemaking Question Ansvering [5]Philipp J A.Present status and fiuture aspects of envirommental Beijing Metallngical Industry Press 2007 prtection n the Eumpean and Geman steel industry China Me (王雅贞，李承炸。转炉炼钢问答·北京：冶金工业出版社， a2004,76(3):1 2007)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 低 7∙67ｍ 3、7∙82ｋｇ． 参 考 文 献 ［1］ ＸｕＬＪ．Ｅｎｈａｎｃｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｅａｌｉｚｉｎｇｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅʾｓ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．ＢａｏｓｔｅｅｌＴｅｃｈｎｏｌ20091：1 （徐乐江．提升技术能力实现企业可持续发展．宝钢技术 20091：1） ［2］ ＧｒｉｍｓｔｏｎＭＣＫａｒａｋｏｕｓｓｉｓＢＦｏｕｑｕｅｔＲｅｔａｌ．ＴｈｅＥｕｒｏｐｅａｎ ａｎｄｇｌｏｂａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｉｎｔａｃｋｌｉｎｇｃｌｉ- ｍａｔｅｃｈａｒｇｅ．ＣｌｉｍａｔｅＰｏｌｉｃｙ20011：155 ［3］ ＨａｓｈｉｍｏｔｏＫＹａｍａｓａｋｉＭ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒｇｌｏｂａｌｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｒｅ- ｃｙｃｌｉｎｇ．ＣｏｒｒｏｓＳｃｉ200244：371 ［4］ ＩｉｍｕｒａＯ．ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓｉｎＪａｐａｎｓｔｅｅｌｉｎｄｕｓ- ｔｒｙ∥ＷｅｎｇＹＱＥｄ．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎ ＧｌｏｂａｌＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＳｔｅｅｌＩｎｄｕｓｔｒｙ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉ- ｅｔｙｆｏｒＭｅｔａｌｓ2003：38 ［5］ ＰｈｉｌｉｐｐＪＡ．Ｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｔｕｓａｎｄｆｕｔｕｒｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅＥｕｒｏｐｅａｎａｎｄＧｅｒｍａｎｓｔｅｅｌｉｎｄｕｓｔｒｙ．ＣｈｉｎａＭｅｔ- ａｌｌ200476（3）：1 （ＰｈｉｌｉｐｐＪüｒｇｅｎＡ．欧洲和德国的钢铁工业的环保现状和发 展．中国冶金200476（3）：1） ［6］ ＹａｎｇＸＤＺｈａｎｇＬ．Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｇａｓｅｍｉｓｓｉｏｎｆｒｏｍｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌ ｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄｉｔｓｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．ＩｒｏｎＳｔｅｅｌ200338（7）：65 （杨晓东张玲．钢铁工业温室气排放与减排．钢铁200338 （7）：65） ［7］ ＮｏｍｕｒａＨＭｏｒｉＫ．Ｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｌｉｑｕｉｄｉｒｏｎｗｉｔｈ ｈｉｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎ．Ｔｅｔｓｕ-ｔｏ-ｈａｇａｎé197157（9）： 1468 （野村宏之森一美．高炭素领域における溶铁の脱炭反应机 构に关する研究．铁と钢197157（9）：1468） ［8］ ＮｏｍｕｒａＨＭｏｒｉＫ．Ｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｌｉｑｕｉｄｉｒｏｎａｔ ｌｏｗｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｃａｒｂｏｎ．Ｔｅｔｓｕ-ｔｏ-ｈａｇａｎé197258（1）：30 （野村宏之森一美．低炭素领域における溶铁の脱炭反应机 构に关する研究．铁と钢197258（1）：30） ［9］ ＷａｎｇＹＺＬｉＣＺ．ＣｏｎｖｅｒｔｅｒＳｔｅｅｌｍａｋｉｎｇＱｕｅｓｔｉｏｎＡｎｓｗｅｒｉｎｇ． Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ2007 （王雅贞李承炸．转炉炼钢问答．北京：冶金工业出版社 2007） ·174·