增刊1 吕明等：二氧化碳在转炉炼钢中的应用研究 ·127· 表1C02与熔池元素的反应机理 Table 1 Reaction mechanisms of CO,with molten elements 吹炼 反应 △H(kJkg) △ge1(J.mol-1 1≥1300℃ 阶段 气体 化学反应 (t=1500℃) 2C0240+[Si]=Si02+2C0到 -3577967+357.27T △G9<0 -9299.21 前期 C02 COx+[Mn]=(MnO)+CO( -261507.82+72.9057 △Ge<0 -1512.40 中期 C02 C02+[C]=2C0(。 34580-30.95T △G9<0 11602.67 后期 C02 CO+Fe(D=(Fe0)+CO 11880-9.92T △Ce<0 720.91 02+[i]=(Si02) -866510+152.30T △Ge<0 -29202 前期 02 1/202+[Mn]=(MnO) -803750+171.57T △G9<0 -6594 1/202+[C]=C0(g -22219.35-91.84T △G°<0 -11639 中期 02 02+[C]=C02(g -166666.534-40.80T △Ge<0 -34834 后期 02 1/202(g)+Fe()=(Fe0) -459400+87.45T △G°<0 -4250 转炉炼钢吹炼前期，熔池中[Si]、[Mn]含量较 主要成分为FeO和Fe,O,·因此，降低射流火点区 高，因此CO,主要与[Si]、[Mn]元素反应且为放热 温度，即可减少金属铁的蒸发量，从而降低铁损. 反应，但放热量比O,与[Si]、[Mn]元素反应放热 以100kg铁水为例，假设富余热量集中在转炉 量减少约70%：吹炼中后期，[Si]、[Mn]元素已被 炼钢的高温反应区，分析不同CO2反应比例时的物 大量氧化，CO,主要与[C]、Fe元素反应且均为吸 料平衡及热平衡，得到熔池元素与C02反应比例为 热反应.因此，在转炉炼钢过程中顶部吹入C02一0~30%时火点区的温度，如图1.火点区温度理论 O2,可降低高温火点区温度，减少炼钢过程铁的蒸 计算值随着与CO2反应比例增加而降低.当反应比 发氧化；从转炉底部吹入C02,可代替底吹氩气或 例超过5%时，火点区温度将低于2376℃，远小于 氮气，加强熔池搅拌，促进渣一金界面反应的进行 铁的蒸发温度2750℃，从而可有效限制金属铁的 1.2动力学分析 蒸发氧化，减少烟尘产生 与Ar和N2不同，CO2与[Si]、[Mn]、Fe可进 2600 行氧化反应，反应过程气体体积不变，而与[C]反 2400 应可成倍增加气体体积.因此，转炉炼钢过程底吹 2200 CO2气体的熔池搅拌能主要包括：①底吹C02气体 2000 在喷嘴出口的初始动能（即初动量作的功）：②C02 1800 气体从室温热膨胀到钢液温度所作的膨胀功：③ 1600 CO2与钢液[C]反应产生两倍体积的C0所产生的 1400 51015202530 膨胀功：④(C0,+CO)混合气体上浮时浮力所作的 元条与C0,反成比例/% 功).底吹CO2的熔池搅拌能力强于Ar和N2, 图1火点区温度随C02比例变化 在冶炼中期脱碳反应较剧烈时，搅拌能力约为底吹 Fig.I The temperature of fire spot district varying with the reaction Ar或N2的两倍 proportion of carbon dioxide C0,气体与钢液元素作用过程可分为：①元素 Fe、Si、Mn(或C)由钢液内部向气泡表面扩散：② 3 转炉工业试验研究 C0,向气泡表面扩散：③气泡表面发生界面反应； ④C0产物向气泡内部扩散：⑤氧化产物向钢液内 3.1试验方案 部扩散. 3.1.1供气方案 本文利用现场30t转炉进行顶底复吹C02炼钢 2火点温度分析 试验，试验供气方案如表2所示.其中常规工艺是 Ryoji TSUJINO等人深入研究了炼钢过程烟 指转炉炼钢过程顶吹O2,底吹N2/Ar的顶底复合 尘的产生机理，研究认为转炉炼钢烟尘主要是由于 吹炼工艺；复吹C02工艺是指转炉顶部吹人O2和 氧气射流火点区高温使铁蒸发氧化产生的，烟尘的 CO,,底部吹入CO,气体的炼钢工艺增刊 1 吕 明等: 二氧化碳在转炉炼钢中的应用研究 表 1 CO2 与熔池元素的反应机理 Table 1 Reaction mechanisms of CO2 with molten elements 吹炼 阶段 反应 气体 化学反应 ΔG— /( J·mol － 1 ) t≥1 300 ℃ ΔH/( kJ·kg － 1 ) ( t = 1 500 ℃ ) 前期 CO2 2CO2( g) +［Si］= SiO2 + 2CO( g) － 3 577 967 + 357. 27T ΔG— ＜ 0 － 9 299. 21 CO2( g) + ［Mn］= ( MnO) + CO( g) － 261 507. 82 + 72. 905T ΔG— ＜ 0 － 1 512. 40 中期 CO2 CO2( g) +［C］= 2CO( g) 34 580 － 30. 95T ΔG— ＜ 0 11 602. 67 后期 CO2 CO2( g) + Fe( l) = ( FeO) + CO( g) 11 880 － 9. 92T ΔG— ＜ 0 720. 91 前期 O2 O2 +［Si］= ( SiO2 ) － 866 510 + 152. 30T ΔG— ＜ 0 － 29 202 1 /2O2 +［Mn］= ( MnO) － 803 750 + 171. 57T ΔG— ＜ 0 － 6 594 中期 O2 1 /2O2 + ［C］= CO( g) － 22 219. 35 － 91. 84T ΔG— ＜ 0 － 11 639 O2 +［C］= CO2 ( g) － 166 666. 534 － 40. 80T ΔG— ＜ 0 － 34 834 后期 O2 1 /2O2 ( g) + Fe( l) = ( FeO) － 459 400 + 87. 45T ΔG— ＜ 0 － 4 250 转炉炼钢吹炼前期，熔池中［Si］、［Mn］含量较 高，因此 CO2 主要与［Si］、［Mn］元素反应且为放热 反应，但放热量比 O2 与［Si］、［Mn］元素反应放热 量减少约 70% ; 吹炼中后期，［Si］、［Mn］元素已被 大量氧化，CO2 主要与［C］、Fe 元素反应且均为吸 热反应． 因此，在转炉炼钢过程中顶部吹入 CO2-- O2，可降低高温火点区温度，减少炼钢过程铁的蒸 发氧化; 从转炉底部吹入 CO2，可代替底吹氩气或 氮气，加强熔池搅拌，促进渣--金界面反应的进行． 1. 2 动力学分析 与 Ar 和 N2 不同，CO2 与［Si］、［Mn］、Fe 可进 行氧化反应，反应过程气体体积不变，而与［C］反 应可成倍增加气体体积． 因此，转炉炼钢过程底吹 CO2 气体的熔池搅拌能主要包括: ① 底吹 CO2 气体 在喷嘴出口的初始动能( 即初动量作的功) ; ② CO2 气体从室温热膨胀到钢液温度所作的膨胀功; ③ CO2 与钢液［C］反应产生两倍体积的 CO 所产生的 膨胀功; ④( CO2 + CO) 混合气体上浮时浮力所作的 功［7--8］． 底吹 CO2 的熔池搅拌能力强于 Ar 和 N2， 在冶炼中期脱碳反应较剧烈时，搅拌能力约为底吹 Ar 或 N2 的两倍． CO2 气体与钢液元素作用过程可分为: ① 元素 Fe、Si、Mn( 或 C) 由钢液内部向气泡表面扩散; ② CO2 向气泡表面扩散; ③ 气泡表面发生界面反应; ④ CO 产物向气泡内部扩散; ⑤ 氧化产物向钢液内 部扩散． 2 火点温度分析 Ryoji TSUJINO 等人［9］深入研究了炼钢过程烟 尘的产生机理，研究认为转炉炼钢烟尘主要是由于 氧气射流火点区高温使铁蒸发氧化产生的，烟尘的 主要成分为 FeO 和 Fe2O3 ． 因此，降低射流火点区 温度，即可减少金属铁的蒸发量，从而降低铁损． 以 100 kg 铁水为例，假设富余热量集中在转炉 炼钢的高温反应区，分析不同 CO2 反应比例时的物 料平衡及热平衡，得到熔池元素与 CO2 反应比例为 0 ～ 30% 时火点区的温度，如图 1． 火点区温度理论 计算值随着与 CO2 反应比例增加而降低． 当反应比 例超过 5% 时，火点区温度将低于 2 376 ℃，远小于 铁的蒸发温度 2 750 ℃，从而可有效限制金属铁的 蒸发氧化，减少烟尘产生． 图 1 火点区温度随 CO2 比例变化 Fig． 1 The temperature of fire spot district varying with the reaction proportion of carbon dioxide 3 转炉工业试验研究 3. 1 试验方案 3. 1. 1 供气方案 本文利用现场 30 t 转炉进行顶底复吹 CO2 炼钢 试验，试验供气方案如表 2 所示． 其中常规工艺是 指转炉炼钢过程顶吹 O2，底吹 N2 /Ar 的顶底复合 吹炼工艺; 复吹 CO2 工艺是指转炉顶部吹入 O2 和 CO2，底部吹入 CO2 气体的炼钢工艺． ·127·