《工程科学学报》：二氧化碳绿色洁净炼钢技术及应用

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 二氧化碳绿色洁净炼钢技术及应用 姜娟娟董凯朱荣魏光升 Carbon dioxide green and clean steelmaking technology and its application JIANG Juan-juan,DONG Kai,ZHU Rong.WEI Guang-sheng 引用本文： 姜娟娟，董凯，朱荣，魏光升.二氧化碳绿色洁净炼钢技术及应用.工程科学学报，优先发表.doi:10.13374iss2095- 9389.2021.09.23.002 JIANG Juan-juan,DONG Kai,ZHU Rong.WEI Guang-sheng.Carbon dioxide green and clean steelmaking technology and its application[J].Chinese Journal of Engineering.In press.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.23.002 在线阅读View online::https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2021.09.23.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in

二氧化碳绿色洁净炼钢技术及应用 姜娟娟 董凯 朱荣 魏光升 Carbon dioxide green and clean steelmaking technology and its application JIANG Juan-juan, DONG Kai, ZHU Rong, WEI Guang-sheng 引用本文: 姜娟娟, 董凯, 朱荣, 魏光升. 二氧化碳绿色洁净炼钢技术及应用[J]. 工程科学学报, 优先发表. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2021.09.23.002 JIANG Juan-juan, DONG Kai, ZHU Rong, WEI Guang-sheng. Carbon dioxide green and clean steelmaking technology and its application[J]. Chinese Journal of Engineering, In press. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.23.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.23.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in

工程科学学报.第44卷，第X期：1-7.2021年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-7,X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.23.002;http://cje.ustb.edu.cn 二氧化碳绿色洁净炼钢技术及应用 姜娟娟2)，董凯2四，朱荣12，魏光升12) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学二氧化碳科学研究中心，北京100083 ☒通信作者，E-mail:dongkai@ustb.edu.cn 摘要钢铁工业是CO2的排放大户，也是CO2资源潜在用户，通过研究证实了C02能够在炼钢流程中实现高效利用.二氧 化碳绿色洁净炼钢技术通过利用C02的反应冷却、气泡增殖、弱氧化、强冲击等独有特性，解决了炼钢烟尘和炉渣固废源头 减量.钢水磷、氨、氧洁净控制诸多炼钢工艺难题.构建了CO,炼钢理论体系实现了CO,利用和炼钢生产工艺的结合.本技 术作为“中国低碳原创技术”，促进了我国钢铁工业绿色低碳技术的发展，我国每年将减少炼钢固体污染物产生约1000万吨， 温室气体减排约2600万吨，是建设“碳中和"国家的重要助力 关键词二氧化碳：资源化利用：炼钢：降尘：脱磷：脱气：洁净钢 分类号TF71 Carbon dioxide green and clean steelmaking technology and its application JIANG Juan-juan2),DONG Ka2 ZHU Rong2),WEI Guang-sheng 2 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Research Center for Carbon Dioxide,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:dongkai@ustb.edu.cn ABSTRACT The iron and steel industry is not only a large emitter of CO2 but also a potential user of CO2 resources.Research has confirmed that CO2 can be used efficiently in steelmaking.The carbon dioxide green and clean steelmaking technology solves many problems in the steelmaking process,such as the generation of steelmaking dust and slag solid waste at the source is reduced,and phosphorus,nitrogen,and oxygen in the molten steel are controlled within the optimal concentrations using the unique characteristics of CO,such as reactive cooling,bubble proliferation,weak oxidation,and strong impact.These characteristics are the basis for the theoretical system of CO,steelmaking and ensure optimal CO,utilization and steelmaking.This technology created a precedent for the high-quality utilization of CO2 in the iron and steel industry,formed a standard system for the resource utilization of CO2 in the iron and steel industry for the first time,and is an innovation in the utilization and emission reduction methods of the greenhouse gas CO2.As "China's original low-carbon technology,"this has promoted the development of green and low-carbon technology in China's iron and steel industry and will reduce the production of solid pollutants in steelmaking and greenhouse gas by 10 million tons and 26 million tons annually,respectively,which is an important help in building a"carbon neutral"country.Moreover,this provides an important technical guarantee for winning the defensive war of "blue sky,clear water,and pure land,"and comprehensively demonstrates the outstanding contribution of the"Chinese creation"to energy conservation and emission reduction of the world's iron and steel industry. KEY WORDS carbon dioxide;resource utilization;steelmaking;reduce dust;dephosphorization;degassing;clean steel 收稿日期：2021-09-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51974024,52074024)

二氧化碳绿色洁净炼钢技术及应用 姜娟娟1,2)，董    凯1,2) 苣，朱    荣1,2)，魏光升1,2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083    2) 北京科技大学二氧化碳科学研究中心，北京 100083 苣通信作者， E-mail: dongkai@ustb.edu.cn 摘    要    钢铁工业是 CO2 的排放大户，也是 CO2 资源潜在用户，通过研究证实了 CO2 能够在炼钢流程中实现高效利用. 二氧 化碳绿色洁净炼钢技术通过利用 CO2 的反应冷却、气泡增殖、弱氧化、强冲击等独有特性，解决了炼钢烟尘和炉渣固废源头 减量，钢水磷、氮、氧洁净控制诸多炼钢工艺难题，构建了 CO2 炼钢理论体系，实现了 CO2 利用和炼钢生产工艺的结合. 本技 术作为“中国低碳原创技术”，促进了我国钢铁工业绿色低碳技术的发展，我国每年将减少炼钢固体污染物产生约 1000 万吨， 温室气体减排约 2600 万吨，是建设“碳中和”国家的重要助力. 关键词    二氧化碳；资源化利用；炼钢；降尘；脱磷；脱气；洁净钢 分类号    TF71 Carbon dioxide green and clean steelmaking technology and its application JIANG Juan-juan1,2) ，DONG Kai1,2) 苣 ，ZHU Rong1,2) ，WEI Guang-sheng1,2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Research Center for Carbon Dioxide, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: dongkai@ustb.edu.cn ABSTRACT    The iron and steel industry is not only a large emitter of CO2 but also a potential user of CO2 resources. Research has confirmed that CO2 can be used efficiently in steelmaking. The carbon dioxide green and clean steelmaking technology solves many problems  in  the  steelmaking  process,  such  as  the  generation  of  steelmaking  dust  and  slag  solid  waste  at  the  source  is  reduced,  and phosphorus, nitrogen, and oxygen in the molten steel are controlled within the optimal concentrations using the unique characteristics of CO2 such  as  reactive  cooling,  bubble  proliferation,  weak  oxidation,  and  strong  impact.  These  characteristics  are  the  basis  for  the theoretical system of CO2 steelmaking and ensure optimal CO2 utilization and steelmaking. This technology created a precedent for the high-quality utilization of CO2 in the iron and steel industry, formed a standard system for the resource utilization of CO2 in the iron and steel industry for the first time, and is an innovation in the utilization and emission reduction methods of the greenhouse gas CO2 . As “China’s original low-carbon technology,” this has promoted the development of green and low-carbon technology in China’s iron and steel industry and will reduce the production of solid pollutants in steelmaking and greenhouse gas by 10 million tons and 26 million tons annually, respectively, which is an important help in building a “carbon neutral” country. Moreover, this provides an important technical guarantee for winning the defensive war of “blue sky, clear water, and pure land,” and comprehensively demonstrates the outstanding contribution of the “Chinese creation” to energy conservation and emission reduction of the world’s iron and steel industry. KEY WORDS    carbon dioxide；resource utilization；steelmaking；reduce dust；dephosphorization；degassing；clean steel 收稿日期: 2021−09−23 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51974024，52074024） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−7，2021 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−7, X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.23.002; http://cje.ustb.edu.cn

工程科学学报，第44卷，第X期 继京都议定书、巴黎气候峰会之后，2020年中 的质量分数往往超过0.05%，我国每年脱氧剂消耗 国政府在联合国大会和气候雄心峰会上庄严承诺 折合成铝约40万吨，脱氧产物带来的大量夹杂物 “二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争 易成为钢铁质量缺陷，后续精炼负担重、能耗高. 取2060年前实现碳中和”山据统计，我国钢铁生 转炉复吹炼钢工艺能在一定程度上改善熔池 产每年排放C02超过19.6亿吨，占全国温室气体 的反应动力学条件，有利于钢水脱磷、脱氨、控 总排放的15%左右，减少钢铁生产CO2排放，寻 氧，减少终点钢水过氧化和渣量消耗)但由于底 求CO2在钢铁流程内的规模化自我消化途径，是 吹大流量强搅拌和透气元件长寿之间的矛盾一直 我国早日建成“碳中和”国家，切实践行“大国承 无法调和，炼钢炉底吹使用寿命无法与炉龄同步， 诺”的重要助力2- 安全风险长期存在，严重影响了底吹气体搅拌效 我国处于由高速增长迈向高质量发展转变的 益的发挥 关键时期，技术创新是实现高质量发展的强大动 2004年起，笔者团队依托国家科技支撑计划、 能.如何解决钢铁生产污染物排放问题，并提供高 国家自然科学基金重点及面上项目的持续支持， 品质的钢铁产品，是我国钢铁工业实现行业转型 开始进行二氧化碳资源化利用的研究6，发现 升级的核心命题.我国炼钢工序每年产生大量炼 并掌握了CO2具有的反应冷却、气泡增殖、弱氧 钢烟尘m,广泛采用的炼钢烟尘后处理方式能耗 化、强冲击等独有特性，解决了炼钢烟尘和炉渣固 高、难度大，给企业带来巨大的负担：炼钢烟尘 废源头减量，钢水磷、氮、氧洁净控制的诸多炼钢工 中的微细颗粒难以通过除尘系统除净，成为加重 艺雅题，开发了系列二氧化碳绿色洁净炼钢技术 雾霾产生的因素之一.如何从源头上减少炼钢烟 1基础理论研究 尘，实现其源头抑制是亟待破解的世界难题 随着社会高质量发展对钢铁材料品质需求的持 在转炉冶炼温度下，CO2具有一定的弱氧化 续提高，磷、氨、氧的深度脱除及洁净化精准控制， 性，表1给出了CO2与熔池中各元素反应的标准 越来越成为高质量钢铁产品生产的技术难题) 吉布斯自由能随温度(T)变化的公式.其中在转炉 转炉作为钢铁生产流程的核心装备，亟需跨越式 炼钢温度1300~1650℃（即1573~1923K)时，由 的技术变革.冶炼前期硅、锰、碳等的剧烈氧化反 表中各反应的标准吉布斯自由能△G的正负可 应放热带来的熔池快速无序升温，破坏了高效脱 知，CO2气体可与熔池中的[C]、[A、[Si、[M、 磷的“低温”热力学条件，造成深度脱磷困难，双渣 [F©]等元素发生化学反应，作为炼钢氧化剂.其中 法或双联法虽在一定程度上解决了炼钢脱磷的问题， CO2与[C]发生吸热反应并生成两倍的CO,可增 但也带来了炼钢渣量和成本的增加；底吹Ar气泡 强搅拌，同时该反应为吸热反应，相比O2脱碳放 脱氨能力不足，无法保证超低氮钢的稳定生产；冶 出大量热量，转炉炼钢引入C02增加了调控温度 炼末期，熔池失去了CO气泡的搅拌效益，钢水氧 的手段 表1各元素与C02反应热力学数据 Table 1 Thermodynamic data of the reaction between elements and carbon dioxide Reaction equation GJmoΓ) △GP(T=1923K)/(Jmo) △H(T=298K)/(Jmol) [C]+CO2)=2CO 140170-125.607 -101358.80 172520.00 23[A+C02e=1/B(Al20)+C0g -238845+41.75T -158559.75 -275120.00 1/2[S]+C02g=12(Si02k,)+C0g -88430+0.80T -86891.60 -172180.00 [Mn]+COx(g)=(MnO)+CO() -126880+39.98T -49998.46 -101910.00 2/5[PI+C02g=1/5(Pz0s)+C0g 91555-16.86T 59133.22 -26620.00 2/5[P+C02g+45Ca0=1/5(4Ca0-P20s+C0g -144446+43.22T -61333.94 -55820.00 Fe+COx)=(Feo)+CO() 48980-40.62T -29132.26 40370.00 2 二氧化碳绿色洁净炼钢技术 接触金属熔池发生剧烈氧化反应，伴随着高强度 2.1 C02一02混合顶吹炼钢降尘技术及其应用 放热，形成高温火点区，是炼钢烟尘的主要产生区 常规炼钢工艺过程中，超音速氧气射流直接 域.炼钢每生产1t合格钢水产生约20~30kg烟

继京都议定书、巴黎气候峰会之后，2020 年中 国政府在联合国大会和气候雄心峰会上庄严承诺 “二氧化碳排放力争 2030 年前达到峰值，努力争 取 2060 年前实现碳中和” [1] . 据统计，我国钢铁生 产每年排放 CO2 超过 19.6 亿吨，占全国温室气体 总排放的 15% 左右，减少钢铁生产 CO2 排放，寻 求 CO2 在钢铁流程内的规模化自我消化途径，是 我国早日建成“碳中和”国家，切实践行“大国承 诺”的重要助力[2−6] . 我国处于由高速增长迈向高质量发展转变的 关键时期，技术创新是实现高质量发展的强大动 能. 如何解决钢铁生产污染物排放问题，并提供高 品质的钢铁产品，是我国钢铁工业实现行业转型 升级的核心命题. 我国炼钢工序每年产生大量炼 钢烟尘[7] ，广泛采用的炼钢烟尘后处理方式能耗 高、难度大，给企业带来巨大的负担[8] ；炼钢烟尘 中的微细颗粒难以通过除尘系统除净，成为加重 雾霾产生的因素之一. 如何从源头上减少炼钢烟 尘，实现其源头抑制是亟待破解的世界难题. 随着社会高质量发展对钢铁材料品质需求的持 续提高，磷、氮、氧的深度脱除及洁净化精准控制， 越来越成为高质量钢铁产品生产的技术难题[9−12] . 转炉作为钢铁生产流程的核心装备，亟需跨越式 的技术变革. 冶炼前期硅、锰、碳等的剧烈氧化反 应放热带来的熔池快速无序升温，破坏了高效脱 磷的“低温”热力学条件，造成深度脱磷困难，双渣 法或双联法虽在一定程度上解决了炼钢脱磷的问题， 但也带来了炼钢渣量和成本的增加；底吹 Ar 气泡 脱氮能力不足，无法保证超低氮钢的稳定生产；冶 炼末期，熔池失去了 CO 气泡的搅拌效益，钢水氧 的质量分数往往超过 0.05%，我国每年脱氧剂消耗 折合成铝约 40 万吨，脱氧产物带来的大量夹杂物 易成为钢铁质量缺陷，后续精炼负担重、能耗高. 转炉复吹炼钢工艺能在一定程度上改善熔池 的反应动力学条件，有利于钢水脱磷、脱氮、控 氧，减少终点钢水过氧化和渣量消耗[13] . 但由于底 吹大流量强搅拌和透气元件长寿之间的矛盾一直 无法调和，炼钢炉底吹使用寿命无法与炉龄同步， 安全风险长期存在，严重影响了底吹气体搅拌效 益的发挥. 2004 年起，笔者团队依托国家科技支撑计划、 国家自然科学基金重点及面上项目的持续支持， 开始进行二氧化碳资源化利用的研究[14−16] ，发现 并掌握了 CO2 具有的反应冷却、气泡增殖、弱氧 化、强冲击等独有特性，解决了炼钢烟尘和炉渣固 废源头减量，钢水磷、氮、氧洁净控制的诸多炼钢工 艺难题，开发了系列二氧化碳绿色洁净炼钢技术. 1    基础理论研究 在转炉冶炼温度下，CO2 具有一定的弱氧化 性，表 1 给出了 CO2 与熔池中各元素反应的标准 吉布斯自由能随温度（T）变化的公式. 其中在转炉 炼钢温度 1300～1650 ℃（即 1573～1923 K）时，由 表中各反应的标准吉布斯自由能∆G ϴ 的正负可 知 ，CO2 气体可与熔池中的 [C]、[Al]、[Si]、[Mn]、 [Fe] 等元素发生化学反应，作为炼钢氧化剂. 其中 CO2 与 [C] 发生吸热反应并生成两倍的 CO，可增 强搅拌，同时该反应为吸热反应，相比 O2 脱碳放 出大量热量，转炉炼钢引入 CO2 增加了调控温度 的手段. 表 1 各元素与 CO2 反应热力学数据 Table 1   Thermodynamic data of the reaction between elements and carbon dioxide Reaction equation ∆G ϴ /(J·mol−1) ∆G ϴ （T=1923 K）/（J·mol−1） ∆H（T = 298 K）/（J·mol−1） [C] + CO2(g) = 2CO(g) 140170 − 125.60T −101358.80 172520.00 2/3[Al] + CO2(g) = 1/3 (Al2O3 ) + CO(g) −238845 + 41.75T −158559.75 −275120.00 1/2[Si] + CO2(g) = 1/2(SiO2 )（s） + CO(g) −88430 + 0.80T −86891.60 −172180.00 [Mn] + CO2(g) = (MnO) + CO(g) −126880 + 39.98T −49998.46 −101910.00 2/5[P] + CO2(g) = 1/5(P2O5 ) + CO(g) 91555 − 16.86T 59133.22 −26620.00 2/5[P] + CO2(g) + 4/5CaO = 1/5(4CaO·P2O5 ) + CO(g) −144446 + 43.22T −61333.94 −55820.00 Fe(l) + CO2(g) = (FeO) + CO(g) 48980 − 40.62T −29132.26 40370.00 2    二氧化碳绿色洁净炼钢技术 2.1    CO2−O2 混合顶吹炼钢降尘技术及其应用 常规炼钢工艺过程中，超音速氧气射流直接 接触金属熔池发生剧烈氧化反应，伴随着高强度 放热，形成高温火点区，是炼钢烟尘的主要产生区 域. 炼钢每生产 1 t 合格钢水产生约 20～30 kg 烟 · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期

姜娟娟等：二氧化碳绿色洁净炼钢技术及应用 3· 尘，笔者团队通过研究探明了转炉炼钢各吹炼阶 所示.验证了CO2一O2混合喷吹降低炼钢烟尘产 段烟尘粒径、成分及形貌变化，揭示了炼钢烟尘是 生的工业应用效果 由铁蒸发或C0气泡带出，如图1所示，证实了高 3.5 Dust volume of 温火点区元素蒸发是烟尘产生的主要原因，占烟 conventional process 尘总量的70%~80%7-2四首次提出降低火点区温 Dust volume of CO. 度有效控制铁蒸发的思路，将CO2气体用于炼钢 2 process ■TFe volume of conventional process ■TFe volume of 过程降低烟尘产生，发明了转炉CO2一O2混合喷 CO,process 吹炼钢降尘技术，配套研制了CO2O2混合喷吹 系统及装置，制定了钢铁行业CO2一O2气体混合 aH.L pue isna 1.0 利用标准 1.5 3.0 4.56.07.59.010.512.0 Smelting time/min 图3冶炼过程炼钢烟尘与TFe量变化 Fig.3 Variation of steelmaking dust and TFe in the smelting process aporation in fire point area 700 600 Dust brought out by CO bubbles 500 ■ 400 ■ 300 3 200 图1烟尘产生机理 100 Fig.I Dust generation mechanism 0 通过火点区非接触在线测温方法，测得随着 100 200300400500600700 CO,consumption/kg 二氧化碳喷吹比例的增加，火点区温度降低，如 图4炼钢粗灰产生量随CO,用量变化 图2所示.通过C02一O2混合顶吹可稳定控制火 Fig.4 Variation of coarse ash production in steelmaking with CO2 点区温度低于铁的沸点(2750℃)，减少炼钢烟尘 consumption 产生，将炼钢烟尘由完全依靠后处理转变为前抑 2.2 CO2控温高效脱磷技术及其应用 制，打破了炼钢烟尘传统治理的方式 氧气剧烈反应放热带来的熔池快速无序升 温，破坏了高效脱磷的“低温”热力学条件，造成深 2600 ■Calculated value 度脱磷困难.笔者团队探明了CO2喷吹减缓熔池 Experimental value 2400 升温和强化熔池搅拌的作用规律，发现CO2一O2 ,2200 混合顶吹可延长最佳脱磷温度时间20%，如图5 所示，增加射流冲击面积36%，发明了C02一O2混 2000 合顶吹熔池“升温-控温”热平衡模型和CO2比例 1800 分段动态调控技术，软件操作界面如图6所示，制 1600 定了转炉顶吹CO2用于脱磷的工艺标准，建立了 0 5 101520 25 适应不同钢种的双联脱磷模式及阶梯式脱磷方 CO:mixing ratio/% 法，保证了CO2控温高效脱磷，突破了长期困扰炼 图2火点区温度随CO,喷吹比例的变化 钢深脱磷的技术瓶颈23-2刈 Fig.2 Fire point area temperature variation with the CO,mixing ratio 该技术先后在首钢京唐钢铁联合有限责任公 首钢京唐钢铁联合有限责任公司应用本技术 司、福建三钢闽光股份有限公司成功投入工业应 后，实现炼钢烟尘源头减量9.95%（质量分数），烟 用，保障了超低磷钢稳定生产.首钢京唐半钢脱磷 尘中Fe的质量分数降低12.98%，如图3所示，且 转炉脱磷率提高6.99%，如图7所示，常规转炉终 粗灰产生量随二氧化碳用量增加而降低，如图4 点磷的质量分数平均降至0.006%，如图8所示，实

尘，笔者团队通过研究探明了转炉炼钢各吹炼阶 段烟尘粒径、成分及形貌变化，揭示了炼钢烟尘是 由铁蒸发或 CO 气泡带出，如图 1 所示，证实了高 温火点区元素蒸发是烟尘产生的主要原因，占烟 尘总量的 70%～80% [17−22] . 首次提出降低火点区温 度有效控制铁蒸发的思路，将 CO2 气体用于炼钢 过程降低烟尘产生，发明了转炉 CO2−O2 混合喷 吹炼钢降尘技术，配套研制了 CO2−O2 混合喷吹 系统及装置，制定了钢铁行业 CO2−O2 气体混合 利用标准. Iron evaporation in fire point area Dust brought out by CO bubbles 图 1    烟尘产生机理 Fig.1    Dust generation mechanism 通过火点区非接触在线测温方法，测得随着 二氧化碳喷吹比例的增加，火点区温度降低，如 图 2 所示. 通过 CO2−O2 混合顶吹可稳定控制火 点区温度低于铁的沸点 (2750 ℃)，减少炼钢烟尘 产生，将炼钢烟尘由完全依靠后处理转变为前抑 制，打破了炼钢烟尘传统治理的方式. 2600 2400 2200 2000 1800 0 5 10 15 20 25 30 1600 Temperature of ire point area/ ℃ CO2 mixing ratio/% Calculated value Experimental value 图 2    火点区温度随 CO2 喷吹比例的变化 Fig.2    Fire point area temperature variation with the CO2 mixing ratio 首钢京唐钢铁联合有限责任公司应用本技术 后，实现炼钢烟尘源头减量 9.95%（质量分数），烟 尘中 Fe 的质量分数降低 12.98%，如图 3 所示，且 粗灰产生量随二氧化碳用量增加而降低，如图 4 所示. 验证了 CO2−O2 混合喷吹降低炼钢烟尘产 生的工业应用效果. 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 Smelting time/min Dust and TFe volume/(10−2 g·mL−1 ) 9.0 10.5 12.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 Dust volume of conventional process Dust volume of CO2 process TFe volume of CO2 process TFe volume of conventional process 图 3    冶炼过程炼钢烟尘与 TFe 量变化 Fig.3    Variation of steelmaking dust and TFe in the smelting process 100 200 300 400 500 CO2 consumption/kg Coarse ash/kg 600 700 700 600 500 400 300 200 100 0 图 4    炼钢粗灰产生量随 CO2 用量变化 Fig.4     Variation  of  coarse  ash  production  in  steelmaking  with  CO2 consumption 2.2    CO2 控温高效脱磷技术及其应用 氧气剧烈反应放热带来的熔池快速无序升 温，破坏了高效脱磷的“低温”热力学条件，造成深 度脱磷困难. 笔者团队探明了 CO2 喷吹减缓熔池 升温和强化熔池搅拌的作用规律，发现 CO2−O2 混合顶吹可延长最佳脱磷温度时间 20%，如图 5 所示，增加射流冲击面积 36%，发明了 CO2−O2 混 合顶吹熔池“升温−控温” 热平衡模型和 CO2 比例 分段动态调控技术，软件操作界面如图 6 所示，制 定了转炉顶吹 CO2 用于脱磷的工艺标准，建立了 适应不同钢种的双联脱磷模式及阶梯式脱磷方 法，保证了 CO2 控温高效脱磷，突破了长期困扰炼 钢深脱磷的技术瓶颈[23−24] . 该技术先后在首钢京唐钢铁联合有限责任公 司、福建三钢闽光股份有限公司成功投入工业应 用，保障了超低磷钢稳定生产. 首钢京唐半钢脱磷 转炉脱磷率提高 6.99%，如图 7 所示，常规转炉终 点磷的质量分数平均降至 0.006%，如图 8 所示，实 姜娟娟等： 二氧化碳绿色洁净炼钢技术及应用 · 3 ·

工程科学学报，第44卷，第X期 1440 Conventional process CO:process (100%C0,) (8%C0,+92%0,) A Conventional process 0014 125s ·gO,process 1420 a 0.012 0.011 1400 1380 兰0.010 a0.008 。出8。鱼4· 0.006 149s 0.006 1340 。。。” 0.004 1320/ 60 120 180 240 300 0 255075100125150175200 Smelting time/s Heats 图5熔池升温和脱磷的温度与时间 图8常规转炉终点P的质量分数变化对比 Fig.5 Temperature and time of bath heating and dephosphorization Fig.8 Comparison of the P mass fraction change at the end point of the conventional converter CO,ratio dynamic adjustment in stages Top blowur 程如图9所示，脱氮表观速率常数是Ar的9.6倍 CO2参与炼钢反应，增量的C0气泡成为钢液脱氨 的重要动力，不同介质C0产生量随吹炼进程变化 如图10所示，经检测最终煤气中C0体积分数可 提高2.66%，回收量提高5.2m3t(标况).独创了 炼钢过程喷吹CO2吸附深度稳定脱氨技术，开发 了CO2-Ar动态底吹装备系统及工艺控制模型，实 , 现了钢中氮的高效稳定脱除，是高品质钢洁净化 CO,pipeline 生产技术的重要创新2s-2刃 图6C02比例分段动态调控软件界面 C02+[C]=2C0 Fig.6 Software interface of CO,ratio dynamic adjustment in stages 2N=N2 0.050 Bubble-Liquid steel A Conventional process ●CO2 process boundary layer 0.041 0.035 CO.FAr 图9CO2吸附脱氨反应作用过程 Fig.9 CO2 adsorption denitrification reaction process 0.025 0 255075100125150175200 该技术在首钢京唐钢铁联合有限责任公司完 Heats 成了工业应用，取得了良好的稳定控氨效果，转炉 图7脱磷转炉终点P的质量分数变化对比 出钢氮的质量分数从0.0017%稳步降低至0.0011%， Fig.7 Comparison of the P mass fraction change at the end point of the 氨的质量分数波动幅度减小了35%，实现了高端 dephosphorization converter 汽车板用钢的稳定生产，推广至电弧炉应用后，全 现吨钢渣量减少7.8kg、石灰消耗减少1.5kg 废钢冶炼终点氨的质量分数降低至0.0043%，解决 2.3C02吸附深度稳定脱氨技术及其应用 了长期以来电弧炉难以有效脱氮的难题，并以此 由于火点区高温吸氮和Ar气泡脱氨能力不 为契机开发了高品质低氨特钢品种 足，转炉无法保证超低氨钢的稳定生产.笔者团队 2.4C02稀释强化控氧技术及其应用 系统研究了CO2、Ar、N2气泡在钢液内的上浮运 冶炼末期，钢水过氧化严重，笔者团队研究了 动和转变规律，发现CO2C0气泡有利于打破氨 CO2气体的弱氧化稀释作用和降低C0分压的能 原子传质的界面阻碍，CO,吸附脱氮反应作用过 力，掌握了顶吹CO2一O2射流的调控特性，不同

现吨钢渣量减少 7.8 kg、石灰消耗减少 1.5 kg. 2.3    CO2 吸附深度稳定脱氮技术及其应用 由于火点区高温吸氮和 Ar 气泡脱氮能力不 足，转炉无法保证超低氮钢的稳定生产. 笔者团队 系统研究了 CO2、Ar、N2 气泡在钢液内的上浮运 动和转变规律，发现 CO2−CO 气泡有利于打破氮 原子传质的界面阻碍，CO2 吸附脱氮反应作用过 程如图 9 所示，脱氮表观速率常数是 Ar 的 9.6 倍. CO2 参与炼钢反应，增量的 CO 气泡成为钢液脱氮 的重要动力，不同介质 CO 产生量随吹炼进程变化 如图 10 所示，经检测最终煤气中 CO 体积分数可 提高 2.66%，回收量提高 5.2 m3 ·t−1（标况）. 独创了 炼钢过程喷吹 CO2 吸附深度稳定脱氮技术，开发 了 CO2−Ar 动态底吹装备系统及工艺控制模型，实 现了钢中氮的高效稳定脱除，是高品质钢洁净化 生产技术的重要创新[25−27] . CO2+[C]=2CO 2[N]=N2 [C] Bubble-Liquid steel [N] boundary layer CO2+Ar CO2 Ar CO N2 图 9    CO2 吸附脱氮反应作用过程 Fig.9    CO2 adsorption denitrification reaction process 该技术在首钢京唐钢铁联合有限责任公司完 成了工业应用，取得了良好的稳定控氮效果，转炉 出钢氮的质量分数从 0.0017% 稳步降低至 0.0011%， 氮的质量分数波动幅度减小了 35%，实现了高端 汽车板用钢的稳定生产. 推广至电弧炉应用后，全 废钢冶炼终点氮的质量分数降低至 0.0043%，解决 了长期以来电弧炉难以有效脱氮的难题，并以此 为契机开发了高品质低氮特钢品种. 2.4    CO2 稀释强化控氧技术及其应用 冶炼末期，钢水过氧化严重，笔者团队研究了 CO2 气体的弱氧化稀释作用和降低 CO 分压的能 力，掌握了顶吹 CO2−O2 射流的调控特性. 不同 1440 1420 1400 1380 1360 1340 60 120 180 Smelting time/s 240 300 1320 Bath temperature/ ℃ Conventional process (100%CO2 ) CO2 process (8%CO2+92%O2 ) 125 s 149 s Optimum dephosphorization zone 图 5    熔池升温和脱磷的温度与时间 Fig.5    Temperature and time of bath heating and dephosphorization CO2 ratio dynamic adjustment in stages 图 6    CO2 比例分段动态调控软件界面 Fig.6    Software interface of CO2 ratio dynamic adjustment in stages 0 25 50 75 100 Heats 0.035 0.041 125 150 175 200 End-point P mass fraction/ % 0.050 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 Conventional process CO2 process 图 7    脱磷转炉终点 P 的质量分数变化对比 Fig.7    Comparison of the P mass fraction change at the end point of the dephosphorization converter 0.006 0.011 0 25 50 75 100 Heats 125 150 175 200 End-point P mass fraction/ % 0.014 0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 Conventional process CO2 process 图 8    常规转炉终点 P 的质量分数变化对比 Fig.8    Comparison of the P mass fraction change at the end point of the conventional converter · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期