陳豪衛(wèi)

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司， 山東萊蕪271104）

摘  要：鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程有中有大量的CO₂ 產(chǎn)生，圍繞CO₂ 在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的作用，簡(jiǎn)述了CO₂ 在轉(zhuǎn)爐煉鋼以及煉鋼全流程中的應(yīng)用方式和效果，探討了煉鋼過(guò)程中減少CO₂ 對(duì)環(huán)境的影響并提高冶煉效果的方法。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐煉鋼二氧化碳應(yīng)用

鋼鐵行業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及構(gòu)成當(dāng)中占有極為重要的地位。我國(guó)每年的產(chǎn)鋼量大約為6 億t，按照相關(guān)比例進(jìn)行計(jì)算生產(chǎn)鋼排放的CO₂ 就達(dá)到13.8 億t，可見(jiàn)我國(guó)鋼鐵行業(yè)排放的CO₂ 量非常大^[1]。為降低CO₂ 的排放量實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗綠色發(fā)展，需要通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)及設(shè)備充分利用二氧化碳。就此，目前轉(zhuǎn)爐煉鋼當(dāng)中已經(jīng)對(duì)CO₂ 有一定的應(yīng)用，其中包括了將其作為冷卻劑的應(yīng)用、作為反應(yīng)介質(zhì)的應(yīng)用、用于冶煉不銹鋼等。以下先對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼與二氧化碳的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述，然后對(duì)二氧化碳具體的應(yīng)用進(jìn)行深入分析和探討。

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼中二氧化碳的產(chǎn)生與回收方式

轉(zhuǎn)爐煉鋼（converter steelmaking）以鐵水、廢鋼、鐵合金為主要原料，無(wú)需在外加能源的基礎(chǔ)上便可通過(guò)物理以及化學(xué)反應(yīng)共同作用下產(chǎn)生的熱量，在轉(zhuǎn)爐當(dāng)中實(shí)現(xiàn)鋼的冶煉^[2]。轉(zhuǎn)爐煉鋼有其自身的發(fā)展歷程，隨著時(shí)代的發(fā)展轉(zhuǎn)爐煉鋼方法也在不斷發(fā)展。轉(zhuǎn)爐煉鋼當(dāng)中，轉(zhuǎn)爐是煉鋼的重要工具，它的材料主要分為兩種，即酸性和堿性耐火材料。當(dāng)然，不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)爐有不同的特色，例如煉鋼時(shí)吹入氣體的方式有頂吹、底吹和側(cè)吹。在眾多鋼鐵冶煉企業(yè)中，使用最多的是堿性材料轉(zhuǎn)爐，主要是因?yàn)樵擃?lèi)型轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率較高并且投入成本也相對(duì)較低。

二氧化碳無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒，其物理特征包括：分子量為44 g/mol、熔點(diǎn)為- 78.46 ℃、沸點(diǎn)為- 56.56 ℃、氣態(tài)密度為1.977 g/L、液態(tài)密度為1.816 kg/L。在鋼鐵生產(chǎn)中，二氧化碳排放一直非常大，該氣體的回收利用也是當(dāng)前鋼鐵行業(yè)十分關(guān)注的問(wèn)題。

二氧化碳的來(lái)源和產(chǎn)生與鋼鐵生產(chǎn)設(shè)備及流程緊密相關(guān)，例如焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐、帶式焙燒機(jī)等機(jī)器設(shè)備應(yīng)用中產(chǎn)生二氧化碳^[3]。以轉(zhuǎn)爐為例，轉(zhuǎn)爐煤氣燃燒的過(guò)程中，石灰石分解產(chǎn)生二氧化碳，且體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，其含量達(dá)到30%~40%。

目前鋼鐵企業(yè)針對(duì)二氧化碳的回收主要有六種方式，其中主要是液相吸收法、變壓吸附法、化學(xué)循環(huán)燃燒法等。以液相吸收法為例，回收二氧化碳可以進(jìn)行物理吸收，也可進(jìn)行化學(xué)吸收。如果采用物理吸收CO₂，則是通過(guò)加壓水洗、低溫甲醇等方法進(jìn)行吸收；如果使用化學(xué)方法吸收CO₂，則是通過(guò)烷基醇胺法（MEA、MDEA）等方法進(jìn)行。

2 二氧化碳在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用分析

CO₂ 的排放量增多會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響，鋼鐵生產(chǎn)排放的CO₂ 非常大，因此必須通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)對(duì)CO₂ 進(jìn)行回收和利用，以下則是CO₂ 在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用分析。

2.1 二氧化碳作為冷卻劑的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院朱榮教授及其科研團(tuán)隊(duì)的研究證明，二氧化碳可以作為冷卻劑應(yīng)用于鋼鐵冶煉和生產(chǎn)當(dāng)中，其原理涉及到CO₂ 和Fe 的反應(yīng)、CO₂ 和C 的反應(yīng)，其相關(guān)的計(jì)算在此就不一一呈現(xiàn)。但從其反應(yīng)過(guò)程可以看出，CO₂和Fe、C 可以產(chǎn)生化學(xué)吸熱反應(yīng)，從而在煉鋼當(dāng)中達(dá)到冷卻的效果。就其效果而言，CO₂ 在轉(zhuǎn)爐煉鋼中產(chǎn)生的效果依賴(lài)的是化學(xué)反應(yīng)熱。假設(shè)，在化學(xué)反應(yīng)溫度為1 500 ℃，入爐的溫度為25 ℃的情況下，根據(jù)計(jì)算，CO₂ 在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的總吸熱量為5 297kJ/kg，相應(yīng)而言CO₂ 的冷卻效果優(yōu)于廢鋼的冷卻效果。因此，在轉(zhuǎn)爐煉鋼當(dāng)中，CO₂ 目前也在用作冷卻劑。

2.2 二氧化碳在煉鋼流程中的應(yīng)用

在世界范圍內(nèi)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展相對(duì)較早，尤其是在20 世紀(jì)鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益非常巨大，一些老牌的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)如德國(guó)、美國(guó)為創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)利益不斷更新煉鋼技術(shù)，其中的轉(zhuǎn)爐煉鋼法也因此產(chǎn)生^[4]。在20 世紀(jì)60—70 年代，日本和德國(guó)則開(kāi)始將CO₂ 應(yīng)用到轉(zhuǎn)爐煉鋼當(dāng)中。以日本為例，日本住友金屬和歌山鋼鐵廠(chǎng)在脫磷轉(zhuǎn)爐應(yīng)用CO₂ 替代N₂做為底吹氣源，脫磷率達(dá)到90%以上，煉鋼達(dá)到較好的節(jié)能降耗的效果，同時(shí)也降低了鋼鐵生產(chǎn)的成本。

CO₂ 在煉鋼流程中的具體應(yīng)用步驟及過(guò)程如下：

1）CO2 替代底吹N₂ 和Ar。CO₂ 替代底吹N₂ 和Ar 的化學(xué)反應(yīng)式則為CO₂+[C]=2CO+Q _吸，在這一反應(yīng)過(guò)程中CO₂ 可以使得轉(zhuǎn)爐內(nèi)部鋼水?dāng)嚢韪哂行Ч⑶夷軌蛟黾? 倍的氣體吹入。而CO₂ 與轉(zhuǎn)爐煉鋼中的鐵水中的C 會(huì)發(fā)生吸熱反應(yīng)，則可以充分提高脫磷效率，也能增加轉(zhuǎn)爐煤氣的回收量。

2）頂吹O₂ 中混入一定比例的CO₂。由此降低吹煉時(shí)的火點(diǎn)區(qū)溫度，金屬鐵以及粉塵則相對(duì)減少。

3）用精煉CO₂ 代替Ar。該應(yīng)用的目的主要是為加大鋼水的攪拌效果，提高精煉冶煉高碳鋼的效率。

4）在冶煉不銹鋼當(dāng)中，用CO₂ 取代Ar 提高去碳保鉻冶金效果，可減少10%的氬氣消耗。

5）將CO2 用作鋼液的覆蓋氣體，由此來(lái)降低鋼液增氮和二次氧化的現(xiàn)象，主要是由于CO₂ 的密度與N2 和Ar 相比更高。

總而言之，在鋼鐵冶煉的過(guò)程中，CO₂ 可以起到較好的作用和效果，無(wú)論是在冷卻，還是在提高煉鋼的質(zhì)量方面，CO₂ 能夠體現(xiàn)出與其他氣體更突出的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)實(shí)踐和調(diào)查，CO₂ 在轉(zhuǎn)爐煉鋼的實(shí)際應(yīng)用中的確能產(chǎn)生更好的效果，尤其是在生產(chǎn)中可以減少煙塵、爐渣、氮、磷的含量等。

3 結(jié)語(yǔ)

煉鋼時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生一定量的二氧化碳，但是在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中充分利用二氧化碳也具有較好的效果^[5]。一方面能夠有效控制二氧化碳的排放，達(dá)到降耗節(jié)能的目的，另一方面也能極大提高鋼鐵生產(chǎn)的效率，極大降低鋼鐵生產(chǎn)成本提升鋼鐵在市場(chǎng)中的優(yōu)勢(shì)。尤其是在當(dāng)前我國(guó)倡導(dǎo)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境共同發(fā)展的背景下，CO₂ 的應(yīng)用更是符合該行業(yè)時(shí)代發(fā)展的潮流。

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