工程科学学报，第38卷，增刊1：232-237,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:232-237,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.038:http://journals.ustb.edu.cn C0,对脱磷转炉物料和能量的影响 李智峥12)，朱荣2)区，朱益强2 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 2)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail::churongl201@126.com 摘要基于C0,在高温条件下的反应特性，建立了C0,用于脱磷炉冶炼的物料和能量分析模型，验证CO,用于脱磷炉治 炼过程参与氧化反应的可行性.在此基础上，基于某厂脱磷炉的实际治炼工况，研究喷吹C0,对脱磷转炉温度、煤气等的影 响.研究发现：当废钢比为8%和C02利用率为85%时，C02的喷吹比例可控制在28%以内，氧耗可降低16%，炉气中C0比 例可提高约12%：同时随着C0,利用率的提高，脱磷炉的半钢温度逐渐降低，氧耗逐渐降低 关键词转炉：脱磷：二氧化碳：物料平衡：能量平衡 分类号TF704.4 Effect of CO,on material and energy in dephosphorization converters LI Zhi-zheng,ZHU Rong,ZHU Yi-qiang? 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Seience and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhurongl201@126.com ABSTRACT Based on the characteristics of CO,at high temperature,material and energy models for CO,using in a dephosphoriza- tion converter were established to verify the feasibility of CO,for oxidation reactions.Based on practical working conditions in a facto- ry,the effects of CO on the converter temperature and gas were studied.It is discovered that the CO2 ratio can be controlled within 28%,the oxygen consumption can be reduced by 16%,and the CO ratio in the gas can be increased by about 12%when the scrap ratio is 8%and the utilization ratio of CO,is 85%.Besides,as the utilization ratio of CO,increases,the semi-steel temperature of the converter gradually decreases,and the oxygen consumption also lowers. KEY WORDS converters;phosphorus removal:carbon dioxide:material balance:energy balance 磷通常是钢中有害元素，钢中磷含量高会引起钢池温度的影响，脱磷率难以满足低磷钢的生产要求 的“冷脆”，降低钢的塑性和冲击韧性，并使钢的焊接 为解决以上问题，提高脱磷率，国内外采用铁水预处理 性能与冷弯性能变差.如何高效低耗生产低磷钢是炼 脱磷技术，如铁水包预处理及转炉双联法脱磷.铁 钢工艺的重要任务之一. 水包（鱼雷罐车）预处理脱磷工艺由于热力学和动力 治金热力学认为：脱磷反应的必要条件是低温、高 学条件较差，脱磷效果不稳定，基本不再采用：转炉双 氧化性、高碱度渣等工艺因素.治金动力学认为：必须 联法脱磷6-@是目前生产低磷钢的主要方法，日本新 在炼钢脱磷阶段强化熔池搅拌，增大反应界面积，并确日铁及中国宝钢和首钢等国内外先进钢铁企业在生 保过程渣有良好的流动性.目前炼钢脱磷工艺主要在 产深冲钢和高级别管线钢等对磷含量要求苛刻的钢种 炉内采用单渣或双渣法·网完成，受到炉渣物性及熔 时均采用转炉双联炼钢工艺进行生产，取得良好的治 收稿日期：201603-19 基金项目：“十二五”国家科技支撑资助项目(2012BAC27B01):国家自然科学基金重点资助项目(51334001)
工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 232--237，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 232--237，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 038; http: / /journals． ustb． edu． cn CO2 对脱磷转炉物料和能量的影响 李智峥1，2) ，朱 荣2) ，朱益强2) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: zhurong1201@ 126． com 摘 要 基于 CO2 在高温条件下的反应特性，建立了 CO2 用于脱磷炉冶炼的物料和能量分析模型，验证 CO2 用于脱磷炉冶 炼过程参与氧化反应的可行性． 在此基础上，基于某厂脱磷炉的实际冶炼工况，研究喷吹 CO2 对脱磷转炉温度、煤气等的影 响． 研究发现: 当废钢比为 8% 和 CO2 利用率为 85% 时，CO2 的喷吹比例可控制在 28% 以内，氧耗可降低 16% ，炉气中 CO 比 例可提高约 12% ; 同时随着 CO2 利用率的提高，脱磷炉的半钢温度逐渐降低，氧耗逐渐降低． 关键词 转炉; 脱磷; 二氧化碳; 物料平衡; 能量平衡 分类号 TF704. 4 Effect of CO2 on material and energy in dephosphorization converters LI Zhi-zheng1，2) ，ZHU Ｒong2) ，ZHU Yi-qiang2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: zhurong1201@ 126． com ABSTＲACT Based on the characteristics of CO2 at high temperature，material and energy models for CO2 using in a dephosphorization converter were established to verify the feasibility of CO2 for oxidation reactions． Based on practical working conditions in a factory，the effects of CO2 on the converter temperature and gas were studied． It is discovered that the CO2 ratio can be controlled within 28% ，the oxygen consumption can be reduced by 16% ，and the CO ratio in the gas can be increased by about 12% when the scrap ratio is 8% and the utilization ratio of CO2 is 85% ． Besides，as the utilization ratio of CO2 increases，the semi-steel temperature of the converter gradually decreases，and the oxygen consumption also lowers． KEY WOＲDS converters; phosphorus removal; carbon dioxide; material balance; energy balance 收稿日期: 2016--03--19 基金项目: “十二五”国家科技支撑资助项目( 2012BAC27B01) ; 国家自然科学基金重点资助项目( 51334001) 磷通常是钢中有害元素，钢中磷含量高会引起钢 的“冷脆”，降低钢的塑性和冲击韧性，并使钢的焊接 性能与冷弯性能变差． 如何高效低耗生产低磷钢是炼 钢工艺的重要任务之一． 冶金热力学认为: 脱磷反应的必要条件是低温、高 氧化性、高碱度渣等工艺因素． 冶金动力学认为: 必须 在炼钢脱磷阶段强化熔池搅拌，增大反应界面积，并确 保过程渣有良好的流动性． 目前炼钢脱磷工艺主要在 炉内采用单渣或双渣法［1--2］完成，受到炉渣物性及熔 池温度的影响，脱磷率难以满足低磷钢的生产要求． 为解决以上问题，提高脱磷率，国内外采用铁水预处理 脱磷技术［3--5］，如铁水包预处理及转炉双联法脱磷． 铁 水包( 鱼雷罐车) 预处理脱磷工艺由于热力学和动力 学条件较差，脱磷效果不稳定，基本不再采用; 转炉双 联法脱磷［6--10］是目前生产低磷钢的主要方法，日本新 日铁及中国宝钢［6］和首钢等国内外先进钢铁企业在生 产深冲钢和高级别管线钢等对磷含量要求苛刻的钢种 时均采用转炉双联炼钢工艺进行生产，取得良好的冶
李智峥等：C02对脱磷转炉物料和能量的影响 ·233 炼效果.但是，由于受到原有厂房布置、生产工艺及节 75000 奏的影响，多数钢铁企业难以采用双联法脱磷工艺生 50000 2S門+C0g-15P0,00 产高品质低磷钢. 25000 关于C0,在炼钢过程的应用，20世纪70年代， Fe Sain和Belton、Mannion和Fruehan研究采用二氧 -25000 化碳作为脱碳剂进行脱碳的原理和反应过程.1989 -50000 Mn 年，何平和邓开文四对底吹二氧化碳的脱碳能力、二 75000 25PlCD.H4E0-1/5C0P0,HCOU 氧化碳的利用率等进行研究，发现在熔体碳含量较高 -100000 时，二氧化碳气体的利用率和对熔池的搅拌强度均较 1300 1400 1500 1600 高.1993年，郭木星和陈襄武探讨在二氧化碳作用 温度/℃ 下熔池中氧传质特点，提出底吹C02+N2混合气体 图1钢液中各元素与C02反应的△G9和T关系图 时，低碳域中C一0反应模型.2008年，Wang等对 Fig.1 Diagram representing the relation between AGe and T for ele- 二氧化碳用于治炼不锈钢、工具钢等钢种时脱碳保铬 ments in molten steel with CO, 开展研究，初步建立二氧化碳与Fe一Cr一C熔体反应 在脱磷炉的氧化体系中引入C0,后将会对脱磷炉的 的动力学模型.有关C0,气体用于炼钢过程脱磷的研 半钢温度、富余热量、原料结构及炉气的成分产生较大 究，文献①6]报道采用30t转炉吹入部分C02可提高 的影响.本文分析喷吹CO,对脱磷转炉熔池温度的影 脱磷率，但未见C0,用于双联工艺脱磷转炉的相关研 响及C0,参与脱磷反应的物料（铁水、废钢、氧气、渣 究.因此，本文基于炼钢过程C0,脱磷的热力学和动 料等)与产物（半钢液、炉渣、炉气及粉尘等）之间的平 力学机理，主要研究将C0,作为脱磷炉部分氧化剂时 衡关系 对脱磷炉半钢温度、气体消耗以及炉气的影响 2.1原辅料条件 1热力学及动力学分析 本文的原始数据均取自某厂脱磷炉的实际数据， 其中废钢装入比为8%.铁水及脱磷治炼结束的半钢 1.1热力学分析 成分和温度如表1所示.脱磷治炼过程中加入的造渣 C02是一种弱氧化性气体，在炼钢高温条件下具 材料种类和成分如表2所示. 有一定的氧化性.在1300~1650℃范围内，绘出 △G9-T线性关系图，如图1所示.从图1中可以看 表1金属料成分（质量分数）及温度 Table 1 Composition and temperature of raw materials 出，在炼钢温度范围内，CO2与熔池中[C]、Fe]、[Si] 和Mn]均可发生反应.若不加CaO,CO2与P]无法 原料 C/%Si/%Mn/%P/%S/%温度1℃ 发生反应 铁水 4.400.500.300.0900.0351300 1.2动力学分析 废钢。 0.200.501.200.0200.02025 C02可氧化熔池中的大部分元素，并生成大量可 脱磷结束半钢3.300.020.0300.0310.002T 改善熔池搅拌能力的C0气泡，从而促进渣钢反应，为 氧化量 0.740.480.350.0530.032 脱磷反应提供了更好的动力学条件 2.2设定计算条件 2C02对脱磷炉物料及能量的影响 结合资料8]及实际治炼情况，本分析设定的条 件如下： 将部分C0,混入传统炼钢工艺的氧化剂O,中 (1)铁水元素中90%与02反应，10%与C02反 时，会导致熔池的热效应闭发生相应的变化.因此， 应，C02和02的利用率分别为85%和90%： 表2辅料成分表（质量分数） Table 2 Composition of auxiliary material 名称 CaO Si02 Mgo Al203 Fe0 Fe2O; MnO CaF, 烧减 石灰 91.00 2.00 2.00 0.00 0.08 3.90 轻烧白云石 49.00 2.00 37.00 9.00 萤石 5.00 90.00 矿石 0.90 3.50 0.30 1.00 0.10 29.40 61.80 1.50 炉衬 2.00 0.90 77.00 4.00
李智峥等: CO2 对脱磷转炉物料和能量的影响 炼效果． 但是，由于受到原有厂房布置、生产工艺及节 奏的影响，多数钢铁企业难以采用双联法脱磷工艺生 产高品质低磷钢． 关于 CO2 在炼钢过程的应用，20 世纪 70 年代， Sain 和 Belton［11］、Mannion 和 Fruehan［12］研究采用二氧 化碳作为脱碳剂进行脱碳的原理和反应过程． 1989 年，何平和邓开文［13］对底吹二氧化碳的脱碳能力、二 氧化碳的利用率等进行研究，发现在熔体碳含量较高 时，二氧化碳气体的利用率和对熔池的搅拌强度均较 高． 1993 年，郭木星和陈襄武［14］探讨在二氧化碳作用 下熔池中氧传质特点，提出底吹 CO2 + N2 混合气体 时，低碳域中 C—O 反应模型． 2008 年，Wang 等［15］对 二氧化碳用于冶炼不锈钢、工具钢等钢种时脱碳保铬 开展研究，初步建立二氧化碳与 Fe—Cr—C 熔体反应 的动力学模型． 有关 CO2 气体用于炼钢过程脱磷的研 究，文献［16］报道采用 30 t 转炉吹入部分 CO2 可提高 脱磷率，但未见 CO2 用于双联工艺脱磷转炉的相关研 究． 因此，本文基于炼钢过程 CO2 脱磷的热力学和动 力学机理，主要研究将 CO2 作为脱磷炉部分氧化剂时 对脱磷炉半钢温度、气体消耗以及炉气的影响． 1 热力学及动力学分析 1. 1 热力学分析 CO2 是一种弱氧化性气体，在炼钢高温条件下具 有一 定 的 氧 化 性． 在 1300 ～ 1650 ℃ 范 围 内，绘 出 ΔG － T 线性关系图，如图 1 所示． 从图 1 中可以看 出，在炼钢温度范围内，CO2 与熔池中［C］、［Fe］、［Si］ 和［Mn］均可发生反应． 若不加 CaO，CO2 与［P］无法 发生反应． 1. 2 动力学分析 CO2 可氧化熔池中的大部分元素，并生成大量可 改善熔池搅拌能力的 CO 气泡，从而促进渣钢反应，为 脱磷反应提供了更好的动力学条件． 2 CO2 对脱磷炉物料及能量的影响 将部分 CO2 混入传统炼钢工艺的氧化剂 O2 中 时，会导致熔池的热效应［17］发生相应的变化． 因此， 图 1 钢液中各元素与 CO2 反应的 ΔG 和 T 关系图 Fig． 1 Diagram representing the relation between ΔG and T for elements in molten steel with CO2 在脱磷炉的氧化体系中引入 CO2 后将会对脱磷炉的 半钢温度、富余热量、原料结构及炉气的成分产生较大 的影响． 本文分析喷吹 CO2 对脱磷转炉熔池温度的影 响及 CO2 参与脱磷反应的物料( 铁水、废钢、氧气、渣 料等) 与产物( 半钢液、炉渣、炉气及粉尘等) 之间的平 衡关系． 2. 1 原辅料条件 本文的原始数据均取自某厂脱磷炉的实际数据， 其中废钢装入比为 8% ． 铁水及脱磷冶炼结束的半钢 成分和温度如表 1 所示． 脱磷冶炼过程中加入的造渣 材料种类和成分如表 2 所示． 表 1 金属料成分( 质量分数) 及温度 Table 1 Composition and temperature of raw materials 原料 C /% Si /% Mn /% P /% S /% 温度/℃ 铁水 4. 40 0. 50 0. 30 0. 090 0. 035 1300 废钢 0. 20 0. 50 1. 20 0. 020 0. 020 25 脱磷结束半钢 3. 30 0. 02 0. 030 0. 031 0. 002 T 氧化量 0. 74 0. 48 0. 35 0. 053 0. 032 — 2. 2 设定计算条件 结合资料［18］及实际冶炼情况，本分析设定的条 件如下: ( 1) 铁水元素中 90% 与 O2 反应，10% 与 CO2 反 应，CO2 和 O2 的利用率分别为 85% 和 90% ; 表 2 辅料成分表( 质量分数) Table 2 Composition of auxiliary material % 名称 CaO SiO2 MgO Al2O3 S FeO Fe2O3 MnO CaF2 烧减 石灰 91. 00 2. 00 2. 00 0. 00 0. 08 — — — — 3. 90 轻烧白云石 49. 00 2. 00 37. 00 — — — — — — 9. 00 萤石 — 5. 00 — — — — — — 90. 00 — 矿石 0. 90 3. 50 0. 30 1. 00 0. 10 29. 40 61. 80 1. 50 — — 炉衬 2. 00 0. 90 77. 00 4. 00 — — — — — — · 332 ·
·234· 工程科学学报，第38卷，增刊1 (2)为满足脱磷要求，要求终点渣碱度为2.0， (13)铁水中带入渣量为铁水量的0.50% Fe0质量分数为10%： 2.3计算结果统计分析 (3)喷吹C02可强化熔池搅拌，炉渣铁损降低 表3和表4为混入一定量的C02后脱磷炉的物料 1%,则Fe0降低为1%×72/56=1.3%，则Fe0质量 和能量平衡表 分数为8.7%，Fe,0,质量分数为5%： 表3100kg金属料物料平衡表 (4)熔池中氧化的碳10%生成C02,90%生成 Table 3 Material equilibrium of 100 kg raw material C0: 收入 支出 (5)渣中金属铁质量分数为5%： 项目 质量/kg比例/% 项目 质量kg比例/% (6)喷溅量为金属量的0.8%，喷溅温度1300℃： 铁水 92.000 85.67 半钢 97.526 90.75 (7)炉气平均温度1300℃，自由氧为炉气的 废钢 8.000 7.45 炉渣 5.808 5.40 0.5%: (8)喷吹02时粉尘比为2%，由于C02与10%铁 石灰 2.444 2.28 炉气 2.321 2.16 水元素发生反应，假设此时粉尘可降低15%，则粉尘 萤石 0.200 0.19 粉尘 0.720 0.67 比为1.7%，其中Fe0占70%，Fe03占20%； 轻烧白云石0.300 0.28 金属铁珠0.290 0.27 (9)进入炉渣中的被侵蚀的炉衬为金属量的 炉衬 0.030 0.03 喷溅 0.800 0.74 0.02%,补炉料为0.01%： 矿石 2.000 1.86 (10)02纯度99.6%： 铁水渣 0.460 0.43 (11)出钢温度为T,终点炉渣温度比出钢温度低 氧气 1.485 1.38 10℃： C02 0.465 0.43 (12)每100kg铁水加入萤石0.2kg,轻烧白云石 合计 107.383 100.00 合计 107.465100.00 0.3kg,矿石2kg 表4100kg金属料能量平衡表 Table 4 Energy equilibrium of 100 kg raw material 收入 支出 项目 热量/k」 比例/% 项目 热量/kJ 比例/% 铁水物理热 109315.68 81.30 半钢物理热 116138.16 86.38 金属元素氧化及成渣热 22822.08 16.97 炉渣物理热 9739.40 7.24 粉尘氧化热 2316.68 1.72 炉气物理热 3376.35 2.51 粉尘物理热 1064.81 0.79 渣中金属铁珠物理热 343.40 0.26 喷溅金属物理热 938.70 0.70 轻烧白云石分解热 164.52 0.12 其他热损失 2689.09 2.00 合计 134454.44 100.00 合计 134454.44 100.00 富余热量kJ 0 根据设定的计算条件，C0,与10%铁水元素发生 磷率提高 反应.将C02混入脱磷炉的氧化剂体系中，结合表3 2.4不同比例C02对物料及能量的影响研究 和表4，当熔池富余热量为零时，100kg金属料时需要 基于以上计算和统计分析，研究不同C0,喷吹比 消耗1.485kg02和0.465kgC02,由于C02和02的利 例对脱磷炉半钢温度、脱磷炉气体消耗以及炉气的 用率分别为85%和90%，可计算出此时C02喷吹体积 影响. 分数为19.43%.根据热量平衡，可计算出脱磷炉半钢 2.4.1脱磷炉半钢温度分析 温度为1319℃.由本模型计算可知，在设定条件相同 在废钢加入量为8%时，不同C02喷吹比例对脱 的情况下，采用纯氧进行喷吹时，脱磷炉的半钢温度为 磷炉半钢温度的影响如图2所示. 1356℃.由于低温为脱磷的有利条件，在使用C02作 结合物料及热量分析可知，与喷吹0，氧化熔池中 为部分氧化剂后，可使得脱磷炉的炉渣中铁损降低，脱 元素时相比，喷吹CO2时与C反应为吸热反应，与Si
工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 ( 2) 为满足脱磷要求，要求终点渣碱度为 2. 0， FeO 质量分数为 10% ; ( 3) 喷吹 CO2 可强化熔池搅拌，炉渣铁损降低 1% ，则 FeO 降低为 1% × 72 /56 = 1. 3% ，则 FeO 质量 分数为 8. 7% ，Fe2O3质量分数为 5% ; ( 4) 熔 池 中 氧 化 的 碳 10% 生 成 CO2，90% 生成 CO; ( 5) 渣中金属铁质量分数为 5% ; ( 6) 喷溅量为金属量的 0. 8% ，喷溅温度 1300 ℃ ; ( 7) 炉 气 平 均 温 度 1300 ℃，自 由 氧 为 炉 气 的 0. 5% ; ( 8) 喷吹 O2 时粉尘比为 2% ，由于 CO2 与 10% 铁 水元素发生反应，假设此时粉尘可降低 15% ，则粉尘 比为 1. 7% ，其中 FeO 占 70% ，Fe2O3占 20% ; ( 9) 进入炉渣中的被侵蚀的炉衬为金属量的 0. 02% ，补炉料为 0. 01% ; ( 10) O2 纯度 99. 6% ; ( 11) 出钢温度为 T，终点炉渣温度比出钢温度低 10 ℃ ; ( 12) 每 100 kg 铁水加入萤石 0. 2 kg，轻烧白云石 0. 3 kg，矿石 2 kg; ( 13) 铁水中带入渣量为铁水量的 0. 50% ． 2. 3 计算结果统计分析 表 3 和表 4 为混入一定量的 CO2 后脱磷炉的物料 和能量平衡表． 表 3 100 kg 金属料物料平衡表 Table 3 Material equilibrium of 100 kg raw material 收入 支出 项目 质量/ kg 比例/% 项目 质量/ kg 比例/% 铁水 92. 000 85. 67 半钢 97. 526 90. 75 废钢 8. 000 7. 45 炉渣 5. 808 5. 40 石灰 2. 444 2. 28 炉气 2. 321 2. 16 萤石 0. 200 0. 19 粉尘 0. 720 0. 67 轻烧白云石 0. 300 0. 28 金属铁珠 0. 290 0. 27 炉衬 0. 030 0. 03 喷溅 0. 800 0. 74 矿石 2. 000 1. 86 铁水渣 0. 460 0. 43 氧气 1. 485 1. 38 CO2 0. 465 0. 43 合计 107. 383 100. 00 合计 107. 465 100. 00 表 4 100 kg 金属料能量平衡表 Table 4 Energy equilibrium of 100 kg raw material 收入 支出 项目 热量/ kJ 比例/% 项目 热量/ kJ 比例/% 铁水物理热 109315. 68 81. 30 半钢物理热 116138. 16 86. 38 金属元素氧化及成渣热 22822. 08 16. 97 炉渣物理热 9739. 40 7. 24 粉尘氧化热 2316. 68 1. 72 炉气物理热 3376. 35 2. 51 粉尘物理热 1064. 81 0. 79 渣中金属铁珠物理热 343. 40 0. 26 喷溅金属物理热 938. 70 0. 70 轻烧白云石分解热 164. 52 0. 12 其他热损失 2689. 09 2. 00 合计 134454. 44 100. 00 合计 134454. 44 100. 00 富余热量/ kJ 0 根据设定的计算条件，CO2 与 10% 铁水元素发生 反应． 将 CO2 混入脱磷炉的氧化剂体系中，结合表 3 和表 4，当熔池富余热量为零时，100 kg 金属料时需要 消耗 1. 485 kg O2 和 0. 465 kg CO2，由于 CO2 和 O2 的利 用率分别为 85% 和 90% ，可计算出此时 CO2 喷吹体积 分数为 19. 43% ． 根据热量平衡，可计算出脱磷炉半钢 温度为 1319 ℃ ． 由本模型计算可知，在设定条件相同 的情况下，采用纯氧进行喷吹时，脱磷炉的半钢温度为 1356 ℃ ． 由于低温为脱磷的有利条件，在使用 CO2 作 为部分氧化剂后，可使得脱磷炉的炉渣中铁损降低，脱 磷率提高． 2. 4 不同比例 CO2 对物料及能量的影响研究 基于以上计算和统计分析，研究不同 CO2 喷吹比 例对脱磷炉半钢温度、脱磷炉气体消耗以及炉气的 影响． 2. 4. 1 脱磷炉半钢温度分析 在废钢加入量为 8% 时，不同 CO2 喷吹比例对脱 磷炉半钢温度的影响如图 2 所示． 结合物料及热量分析可知，与喷吹 O2 氧化熔池中 元素时相比，喷吹 CO2 时与 C 反应为吸热反应，与 Si · 432 ·
李智峥等：C02对脱磷转炉物料和能量的影响 235· 14 1350 -0-03 12 0-C0 T-1330℃ 10 1300 1250 熔点T-1226℃ 1200 2 口-C0,利用率为10% 。-C0,利用率为70% 。一C0,利用率为30% -。一C0,利用率为85% 0 △-C0,利用率为50% 4一C0,利用声为95% b 0 10 2030405060 1150 0102030405060708090100 C0,喷吹比例/% CO,喷吹比例/% 图3C02喷吹比例对气体消耗的影响 图2C02喷吹比例对脱磷炉半钢温度的影响 Fig.3 Influence of the proportion of CO2 injection on gas consump- Fig.2 Influence of the proportion of CO injection on the semi-steel tion temperature of the dephosphorization converter 低5.12m3.这是因为C02并不能完全替代02,2mol 和Mn反应为微放热反应.因此，在喷吹CO,时，CO2 C02参与熔池元素的氧化反应完全反应时可代替1mol 的喷吹比例越高，对熔池中热量的影响就越大，熔池中 02,当C02利用率未达到100%时，必须补充额外的02 产生的热量会越少，与硅、锰、磷等元素的化学反应热 来避免因CO,加入导致的元素的氧化量减少 也逐渐减少.在本文的研究条件下，脱磷炉终点半钢 图4为不同C02利用率时对C02消耗的影响.随 的凝固点为1226℃.在不考虑温降等的理论条件下， 着CO2利用率的提高，C02的消耗逐渐降低.当CO2 半钢的温度必须至少高于凝固点。当采用纯氧吹炼 喷吹比例较低时，C02利用率对C02的消耗的影响不 时，半钢温度为1356℃.随着C02喷吹比例的增加， 大：当C02喷吹比例较高时，C02的消耗急剧增加.从 半钢温度逐渐降低.当C02利用率为85%，喷吹比例 熔池的热量及原料的消耗考虑，C0,喷吹比例不能 为54.67%时，半钢温度为1226℃.若再继续增加C0, 过高 喷吹比例，会导致半钢温度低于凝固点，无法满足脱磷 120 。-C0.利用率为10% 终点对半钢温度的要求.但是，若C0,喷吹比例过高， 100 ·C8利開事为8% 半钢温度太低，会导致下一工序脱碳炉的热量不足. C0利用率为70% 同时，考虑到半钢的过程及运输过程中的自然温降，半 80 ◆C0利用率为85% ◆C0,利用率为95% 钢温度至少需比凝固点高30~50℃.同理，可以计算 60 出C0,利用率分别为10%、30%、50%、70%和95%时 0 脱磷炉半钢温度.从表4中可以看出，富余热量为零 时，熔池的热量收支达到平衡，此时处于临界状态.随 着CO2利用率的提高，满足脱磷炉半钢的最低温度的 热力学条件范围逐渐增大，即C0,的可喷吹浓度的范 0102030405060708090100 围越大.实际中C0,的利用率和熔池温度以及熔池成 CO,喷吹比例/% 图4不同C02利用率对C02消耗的影响 分的变化均有关，还需要进一步深入研究. Fig.4 Influence of the utilization of CO2 on CO2 consumption 因此，可根据实际中熔池热量的需求和匹配来控 制CO,喷吹比例以及原料中冷料的加入量，最终形成 2.4.3脱磷炉炉气分析 最佳供气方案和原料配比. 图5为废钢比为8%时，C02喷吹比例的变化对炉 2.4.2脱磷炉气体消耗分析 气体积及成分的影响.随着C02喷吹比例的增加，炉 图3为废钢比为8%时，C0,喷吹比例的变化对 气体积、炉气中C0体积及炉气中C0体积分数均明显 02和C02气体消耗的影响. 增加.当C02喷吹比例增加至54.67%时，炉气体积从 从图3中可知，在本文的计算设定条件下，C02的 18.97m3增加至26.27m3,炉气中C0体积从13.17m3 喷吹比例越大，所需C02的增加幅度会越大于所需0， 增加至22.17m3,炉气中C0体积分数从69.42%增加 的降低幅度.当采用纯氧喷吹时，每吨半钢氧气消耗 至84.37%，可以提高脱磷炉煤气的热值，使其具有一 量为13.41m3.当C02喷吹比例增加至54.67%时，氧 定的经济效益 气消耗为8.29m,C02消耗为9.99m3.氧气消耗仅降 图6为不同CO,利用率时对炉气中C0含量的影
李智峥等: CO2 对脱磷转炉物料和能量的影响 图 2 CO2 喷吹比例对脱磷炉半钢温度的影响 Fig． 2 Influence of the proportion of CO2 injection on the semi-steel temperature of the dephosphorization converter 和 Mn 反应为微放热反应． 因此，在喷吹 CO2 时，CO2 的喷吹比例越高，对熔池中热量的影响就越大，熔池中 产生的热量会越少，与硅、锰、磷等元素的化学反应热 也逐渐减少． 在本文的研究条件下，脱磷炉终点半钢 的凝固点为 1226 ℃ ． 在不考虑温降等的理论条件下， 半钢的温度必须至少高于凝固点． 当采用纯氧吹炼 时，半钢温度为 1356 ℃ ． 随着 CO2 喷吹比例的增加， 半钢温度逐渐降低． 当 CO2 利用率为 85% ，喷吹比例 为 54. 67% 时，半钢温度为 1226 ℃ ． 若再继续增加 CO2 喷吹比例，会导致半钢温度低于凝固点，无法满足脱磷 终点对半钢温度的要求． 但是，若 CO2 喷吹比例过高， 半钢温度太低，会导致下一工序脱碳炉的热量不足． 同时，考虑到半钢的过程及运输过程中的自然温降，半 钢温度至少需比凝固点高 30 ～ 50 ℃ ． 同理，可以计算 出 CO2 利用率分别为 10% 、30% 、50% 、70% 和 95% 时 脱磷炉半钢温度． 从表 4 中可以看出，富余热量为零 时，熔池的热量收支达到平衡，此时处于临界状态． 随 着 CO2 利用率的提高，满足脱磷炉半钢的最低温度的 热力学条件范围逐渐增大，即 CO2 的可喷吹浓度的范 围越大． 实际中 CO2 的利用率和熔池温度以及熔池成 分的变化均有关，还需要进一步深入研究． 因此，可根据实际中熔池热量的需求和匹配来控 制 CO2 喷吹比例以及原料中冷料的加入量，最终形成 最佳供气方案和原料配比． 2. 4. 2 脱磷炉气体消耗分析 图 3 为废钢比为 8% 时，CO2 喷吹比例的变化对 O2 和 CO2 气体消耗的影响． 从图 3 中可知，在本文的计算设定条件下，CO2 的 喷吹比例越大，所需 CO2 的增加幅度会越大于所需 O2 的降低幅度． 当采用纯氧喷吹时，每吨半钢氧气消耗 量为 13. 41 m3 ． 当 CO2 喷吹比例增加至 54. 67% 时，氧 气消耗为 8. 29 m3 ，CO2 消耗为 9. 99 m3 ． 氧气消耗仅降 图 3 CO2 喷吹比例对气体消耗的影响 Fig． 3 Influence of the proportion of CO2 injection on gas consumption 低 5. 12 m3 ． 这是因为 CO2 并不能完全替代 O2，2 mol CO2 参与熔池元素的氧化反应完全反应时可代替1 mol O2，当 CO2 利用率未达到 100% 时，必须补充额外的 O2 来避免因 CO2 加入导致的元素的氧化量减少． 图 4 为不同 CO2 利用率时对 CO2 消耗的影响． 随 着 CO2 利用率的提高，CO2 的消耗逐渐降低． 当 CO2 喷吹比例较低时，CO2 利用率对 CO2 的消耗的影响不 大; 当 CO2 喷吹比例较高时，CO2 的消耗急剧增加． 从 熔池的热 量 及 原 料 的 消 耗 考 虑，CO2 喷吹 比 例 不 能 过高． 图 4 不同 CO2 利用率对 CO2 消耗的影响 Fig． 4 Influence of the utilization of CO2 on CO2 consumption 2. 4. 3 脱磷炉炉气分析 图 5 为废钢比为 8% 时，CO2 喷吹比例的变化对炉 气体积及成分的影响． 随着 CO2 喷吹比例的增加，炉 气体积、炉气中 CO 体积及炉气中 CO 体积分数均明显 增加． 当 CO2 喷吹比例增加至 54. 67% 时，炉气体积从 18. 97 m3 增加至 26. 27 m3 ，炉气中 CO 体积从 13. 17 m3 增加至 22. 17 m3 ，炉气中 CO 体积分数从 69. 42% 增加 至 84. 37% ，可以提高脱磷炉煤气的热值，使其具有一 定的经济效益． 图 6 为不同 CO2 利用率时对炉气中 CO 含量的影 · 532 ·
·236· 工程科学学报，第38卷，增刊1 90 30 。炉气中C0体积分数(0，利用率为85 参考文献 28 炉气体积 85 [Hao X D,Li J X,Zhang L F,et al.The development of hot metal 口-护气中C0体积 8 26 pretreatment technologies in BOF.Res /ron Steel,2008,36(5): 24 80 52 (郝旭东，李建新，张临峰，等.转炉脱磷工艺的发展.钢铁研 75 究，2008,36(5)：52) 18 2] Ogawa Y,Yano M,Kitamura S,et al.Development of the contin- 70 16 uous dephosphorization and decarburization process using BOF. 14 Tetsu-o-Hagane,2001,87(1):21 65- 10203040 50 B]Sohn H S.Hot metal pretreatment in a converter.CAMP-S/J, (,0,喷吹比例/% 1999(4):781 图5C02喷吹比例的变化对炉气体积及成分的影响 [4]Wakamastu S.Dephosphorization at hot metal pretreatment in a Fig.5 Influence of the proportion of CO injection on the volume and BOF vessel.CAMP-S/J,1996(9):864 composition of gas [5 Zhao S H,Yuan L J,Tian Y,et al.Analysis of dephosphorization process for oxygen top-low converter.Angang Technol,2008 90 。-C0利用率为10% (4):38 。-C0,利用率为30% 85 4C0,利用率为50% (赵素华，原丽君，田勇，等.氧气顶吹转炉脱磷工艺分析.鞍钢 技术，2008(4)：38) 80 价少等”。 000 [6]Kang F,Lu Z X,Jiang X F,et al.Research and development of BRP technology at Baosteel.Iron Steel,2005,40(3):25 75 0000090 000 (康复，陆志新，蒋晓放，等.宝钢BRP技术的研究与开发.钢 一C0,利用率为70% 铁，2005,40(3)：25) 70P ◇一C0,利用率为85% 4-C0,利用率为95% Li M,Hu B.Wang XX,et al.Study and production practice of 65 0102030405060708090100 double-combining steelmaking.Steelmaking,2010,26(3):8 CO,喷吹比例% (吕铭，胡滨，王学新，等.双联炼钢法的研究与实践.炼钢， 2010,26(3):8) 图6不同C02利用率对炉气中C0含量的影响 [8]Torii K.Improvement of dephosphorization capacity in SRP Fig.6 Influence of the utilization of CO,on the content of CO in the CAMP-SIJ,1998(11):142 gas 9]Tanaka S.Development of steelmaking process with minimum slag 响.随着C0,利用率的提高，炉气中C0含量逐渐提 generation in No.3 SMS,Fukuyama Works.CAMP-SIJ,1997 高，且C0含量均在65%以上.这表明在脱磷炉治炼 (11):144 过程中，混入一定比例的C02,与纯氧治炼时相比，既 [10]Kitamura S,Yonezawa K,Ogawa Y,et al.Improvement of reac- 可以实现对C02的资源化利用，又可以获得更好的煤 tion efficiency in hot metal dephosphorization.Ironmaking Steel- 气品质. making,2002,29(2):121 [11]Sain D R,Belton G R.Interfacial reaction kinetics in the decar- 3结论 burization of liquid iron by carbon dioxide.Metall Mater Trans (1)将C0,替代部分02用于脱磷炉炼钢过程中， B,1976,7(2):235 02] Mannion F J,Fruehan R J.Decarburization kinetics of liquid 可完成脱磷炉的主要治金功能，具有较好的控温效果 (2)在某厂脱磷炉的实际条件下，当废钢比为 Fe-C alloys by CO2.Metall Mater Trans B,1989,20 (6): 853 8%,C0,利用率为85%时，为保证脱磷炉的温度需求 [13]He P,Deng K W.Study on stirring energy in a converter with 及实际过程中的温降，C02的喷吹比例可控制在28% bottom blowing CO2.Eng Chem Metall,1989,10(3):89 以内，氧耗可降低16%，炉气中C0比例可提高约 (何平，邓开文.转炉中底吹C02熔池搅拌能的探讨.化工治 12%. 金，1989,10(3)：89) (3)随着C02利用率的提高，脱磷炉的半钢温度 [14]Guo M X,Chen X W.Action mechanism of bottom-blowing CO2 逐渐降低，氧耗逐渐降低，炉气中C0体积分数逐渐增 in the bath of combined-blowing converter.J fron Steel Res, 高.在实际生产过程中，应根据熔池的热量需求来调 1993,5(1):9 节CO2的喷吹比例，形成和实际相匹配的原料配比与 (郭木星，陈襄武.底吹C02气体在复吹转炉熔池中的作用 供气方案. 机理.钢铁研究学报，1993,5(1)：9)
工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 图 5 CO2 喷吹比例的变化对炉气体积及成分的影响 Fig． 5 Influence of the proportion of CO2 injection on the volume and composition of gas 图 6 不同 CO2 利用率对炉气中 CO 含量的影响 Fig． 6 Influence of the utilization of CO2 on the content of CO in the gas 响． 随着 CO2 利用率的提高，炉气中 CO 含量逐渐提 高，且 CO 含量均在 65% 以上． 这表明在脱磷炉冶炼 过程中，混入一定比例的 CO2，与纯氧冶炼时相比，既 可以实现对 CO2 的资源化利用，又可以获得更好的煤 气品质． 3 结论 ( 1) 将 CO2 替代部分 O2 用于脱磷炉炼钢过程中， 可完成脱磷炉的主要冶金功能，具有较好的控温效果． ( 2) 在某厂脱磷炉的实际条件下，当废 钢 比 为 8% ，CO2 利用率为 85% 时，为保证脱磷炉的温度需求 及实际过程中的温降，CO2 的喷吹比例可控制在 28% 以内，氧 耗 可 降 低 16% ，炉 气 中 CO 比 例 可 提 高 约 12% ． ( 3) 随着 CO2 利用率的提高，脱磷炉的半钢温度 逐渐降低，氧耗逐渐降低，炉气中 CO 体积分数逐渐增 高． 在实际生产过程中，应根据熔池的热量需求来调 节 CO2 的喷吹比例，形成和实际相匹配的原料配比与 供气方案． 参 考 文 献 ［1］ Hao X D，Li J X，Zhang L F，et al． The development of hot metal pretreatment technologies in BOF． Ｒes Iron Steel，2008，36( 5) : 52 ( 郝旭东，李建新，张临峰，等． 转炉脱磷工艺的发展． 钢铁研 究，2008，36( 5) : 52) ［2］ Ogawa Y，Yano M，Kitamura S，et al． Development of the continuous dephosphorization and decarburization process using BOF． Tetsu-to-Hagane，2001，87( 1) : 21 ［3］ Sohn H S． Hot metal pretreatment in a converter． CAMP-ISIJ， 1999( 4) : 781 ［4］ Wakamastu S． Dephosphorization at hot metal pretreatment in a BOF vessel． CAMP-ISIJ，1996( 9) : 864 ［5］ Zhao S H，Yuan L J，Tian Y，et al． Analysis of dephosphorization process for oxygen top-blow converter． Angang Technol，2008 ( 4) : 38 ( 赵素华，原丽君，田勇，等． 氧气顶吹转炉脱磷工艺分析． 鞍钢 技术，2008( 4) : 38) ［6］ Kang F，Lu Z X，Jiang X F，et al． Ｒesearch and development of BＲP technology at Baosteel． Iron Steel，2005，40( 3) : 25 ( 康复，陆志新，蒋晓放，等． 宝钢 BＲP 技术的研究与开发． 钢 铁，2005，40( 3) : 25) ［7］ Lü M，Hu B，Wang X X，et al． Study and production practice of double-combining steelmaking． Steelmaking，2010，26( 3) : 8 ( 吕铭，胡滨，王学新，等． 双联炼钢法的研究与实践． 炼 钢， 2010，26( 3) : 8) ［8］ Torii K． Improvement of dephosphorization capacity in SＲP． CAMP-ISIJ，1998( 11) : 142 ［9］ Tanaka S． Development of steelmaking process with minimum slag generation in No． 3 SMS，Fukuyama Works． CAMP-ISIJ，1997 ( 11) : 144 ［10］ Kitamura S，Yonezawa K，Ogawa Y，et al． Improvement of reaction efficiency in hot metal dephosphorization． Ironmaking Steelmaking，2002，29( 2) : 121 ［11］ Sain D Ｒ，Belton G Ｒ． Interfacial reaction kinetics in the decarburization of liquid iron by carbon dioxide． Metall Mater Trans B，1976，7( 2) : 235 ［12］ Mannion F J，Fruehan Ｒ J． Decarburization kinetics of liquid Fe--Csat alloys by CO2 ． Metall Mater Trans B，1989，20 ( 6 ) : 853 ［13］ He P，Deng K W． Study on stirring energy in a converter with bottom blowing CO2 ． Eng Chem Metall，1989，10( 3) : 89 ( 何平，邓开文． 转炉中底吹 CO2 熔池搅拌能的探讨． 化工冶 金，1989，10( 3) : 89) ［14］ Guo M X，Chen X W． Action mechanism of bottom-blowing CO2 in the bath of combined-blowing converter． J Iron Steel Ｒes， 1993，5( 1) : 9 ( 郭木星，陈襄武． 底吹 CO2 气体在复吹转炉熔池中的作用 机理． 钢铁研究学报，1993，5( 1) : 9) · 632 ·
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