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，探討了煉鋼過程中減少CO2 對環(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)在我國國民經(jīng)濟發(fā)展及構(gòu)成當中占有極為重要的地位。我國每年的產(chǎn)鋼量大約為6 億t，按照相關(guān)比例進行計算生產(chǎn)鋼排放的CO2 就達到13.8 億t，可見我國鋼鐵行業(yè)排放的CO2 量非常大[1]。為降低CO2 的排放量實現(xiàn)節(jié)能降耗綠色發(fā)展，需要通過相應(yīng)的技術(shù)及設(shè)備充分利用二氧化碳。就此，目前轉(zhuǎn)爐煉鋼當中已經(jīng)對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。以下先對轉(zhuǎn)爐煉鋼與二氧化碳的相關(guān)內(nèi)容進行簡要的闡述，然后對二氧化碳具體的應(yīng)用進行深入分析和探討。
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，無需在外加能源的基礎(chǔ)上便可通過物理以及化學(xué)反應(yīng)共同作用下產(chǎn)生的熱量，在轉(zhuǎn)爐當中實現(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。當然，不同類型的轉(zhuǎn)爐有不同的特色，例如煉鋼時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，主要是因為該類型轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率較高并且投入成本也相對較低。
二氧化碳無色、無味、無毒，其物理特征包括：分子量為44 g/mol、熔點為- 78.46 ℃、沸點為- 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前鋼鐵行業(yè)十分關(guān)注的問題。
二氧化碳的來源和產(chǎn)生與鋼鐵生產(chǎn)設(shè)備及流程緊密相關(guān)，例如焦爐、轉(zhuǎn)爐、帶式焙燒機等機器設(shè)備應(yīng)用中產(chǎn)生二氧化碳[3]。以轉(zhuǎn)爐為例，轉(zhuǎn)爐煤氣燃燒的過程中，石灰石分解產(chǎn)生二氧化碳，且體積分數(shù)相對較高，其含量達到30%~40%。
目前鋼鐵企業(yè)針對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行物理吸收，也可進行化學(xué)吸收。如果采用物理吸收CO2，則是通過加壓水洗、低溫甲醇等方法進行吸收；如果使用化學(xué)方法吸收CO2，則是通過烷基醇胺法（MEA、MDEA）等方法進行。
2 二氧化碳在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用分析
CO2 的排放量增多會對環(huán)境產(chǎn)生不利的影響，鋼鐵生產(chǎn)排放的CO2 非常大，因此必須通過相應(yīng)的技術(shù)對CO2 進行回收和利用，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隊的研究證明，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)的計算在此就不一一呈現(xiàn)。但從其反應(yīng)過程可以看出，CO2和Fe、C 可以產(chǎn)生化學(xué)吸熱反應(yīng)，從而在煉鋼當中達到冷卻的效果。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)展相對較早，尤其是在20 世紀鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益非常巨大，一些老牌的鋼鐵生產(chǎn)國如德國、美國為創(chuàng)造更大的經(jīng)濟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60—70 年代，日本和德國則開始將CO2 應(yīng)用到轉(zhuǎn)爐煉鋼當中。以日本為例，日本住友金屬和歌山鋼鐵廠在脫磷轉(zhuǎn)爐應(yīng)用CO2 替代N2做為底吹氣源，脫磷率達到90%以上，煉鋼達到較好的節(jié)能降耗的效果，同時也降低了鋼鐵生產(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)過程中CO2 可以使得轉(zhuǎn)爐內(nèi)部鋼水攪拌更具有效果，并且能夠增加1 倍的氣體吹入。而CO2 與轉(zhuǎn)爐煉鋼中的鐵水中的C 會發(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。由此降低吹煉時的火點區(qū)溫度，金屬鐵以及粉塵則相對減少。
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，在鋼鐵冶煉的過程中，CO2 可以起到較好的作用和效果，無論是在冷卻，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。根據(jù)實踐和調(diào)查，CO2 在轉(zhuǎn)爐煉鋼的實際應(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
煉鋼時必然會產(chǎn)生一定量的二氧化碳，但是在轉(zhuǎn)爐煉鋼過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中的優(yōu)勢。尤其是在當前我國倡導(dǎo)經(jīng)濟與環(huán)境共同發(fā)展的背景下，CO2 的應(yīng)用更是符合該行業(yè)時代發(fā)展的潮流。
參考文獻
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[3] 萬雪峰，曹東，劉祥，等.轉(zhuǎn)爐應(yīng)用CO2 技術(shù)[J].鋼鐵，2015（5）：30- 33.
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[5] 李宏，馮佳，李永卿，等.轉(zhuǎn)爐煉鋼前期石灰石分解及CO2 氧化作用的熱力學(xué)分析[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2011（S1）：83- 87.