一种采用低碳或无碳铁液炼钢的方法

摘要

本发明属于钢铁冶金高效节能环保领域，涉及一种采用低碳或无碳铁液炼钢的方法，该方法的炼钢过程采用低碳或无碳铁液为原料，喷吹CO

说明书

技术领域

 本发明属于钢铁冶金高效节能环保领域，主要涉及一种采用低碳或无碳铁液炼钢的方法，利用喷吹工业废气CO₂取代传统炼钢工艺的O₂完成炼钢过程脱磷去气去夹杂等冶金任务。

背景技术

“碳”不仅是钢铁生产过程的主要还原介质和能源载体，也是提供炼钢熔池动力搅拌的核心元素，但碳排放带来的环境问题已制约了钢铁工业的可持续发展。随着铁源的低碳或无碳化、冶金新技术和清洁能源技术的进步，钢铁工业实现“碳零排放”将成为可能。若要实现炼钢过程的“碳零排放”，首先需解决传统炼钢工艺对碳的依赖。在低碳或无碳铁液条件下，如何完成炼钢任务是新的理论和工艺问题。这一问题的解决为低碳或无碳炼钢技术提供新的理论依据，有利于发展绿色冶金新技术，实现钢铁工业的可持续发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种在低碳或无碳铁液条件下，依靠电能的30-300吨炼钢炉或具有太阳能、风能等其他能量来源的冶炼炉，通过喷吹工业废气CO₂取代传统炼钢工艺的O₂，完成炼钢过程脱磷去气，去夹杂等冶金任务，同时循环利用CO₂，实现炼钢过程“碳零排放”的低碳或无碳铁液炼钢的方法。

本发明的技术方案是：一种采用低碳或无碳铁液炼钢的方法，在低碳或无碳铁液中碳含量极低，喷吹O₂无法产生大量的CO气泡，将削弱熔池的搅拌作用；喷吹N₂或Ar等惰性气体无法完成Si、Mn等元素的氧化任务；喷吹CO₂既可完成Si、Mn等元素的氧化，也能产生大量的CO气泡弥散于熔池中，使熔池内产生三相乳化现象。

采用CO₂喷吹技术，脱磷反应如下进行：

2[P]+5CO₂+4(CaO)=(4CaO·P₂O₅)+5CO(g)    ΔG⁰= -717000+213.3 T(J/mol)

通常铁液中磷含量在0.001~0.150%范围内，通过热力学分析可知，在不同熔池温度，不同磷含量的条件下，低碳或无碳铁液中喷吹二氧化碳脱磷反应的吉布斯自由能（见表1）。

 

表1  不同温度不同磷含量下喷吹二氧化碳脱磷的吉布斯自由能ΔG（J/mol）

表1中显示反应的吉布斯自由能均小于零，表明在不同温度不同磷含量下喷吹二氧化碳脱磷的热力学条件是完全具备的；CO₂参与熔池氧化反应产生的CO可强化搅拌，加速钢渣界面传质过程，提高脱磷速率和效率，也可有效控制熔池温度，促进脱磷反应进行，终点磷含量可脱至0.010%以下，满足炼钢要求；另一方面采用CO₂喷吹还可利用CO₂反应产生的CO代替传统炼钢工艺的碳氧反应，完成炼钢过程去气去夹杂及均匀钢水成分和温度的任务；

具体步骤为：采用废钢、直接还原铁等低碳或无碳铁源作为冶炼原料时，利用CO₂取代传统炼钢工艺喷吹O₂， CO₂气体参与熔池反应完成Si、Mn元素的氧化，产生大量的CO气泡弥散于熔池中，使熔池内产生三相乳化现象，CO₂的氧化作用可直接参与脱磷反应，完成脱磷任务，同时CO₂参与熔池氧化反应产生的CO可强化搅拌，加速钢渣界面传质过程，提高脱磷速率和效率，也可有效控制熔池温度，促进脱磷反应进行，终点磷含量可脱至小于0.010%，CO₂的搅拌和CO的上浮有利于炼钢过程去气去夹杂及均匀钢水成分和温度，强化熔池搅拌作用来弥补传统炼钢工艺对熔池碳的依赖，实现低碳或无碳铁液条件下炼钢过程的顺利进行。

进一步，该方法炼钢过程采用30-300吨电炉，利用CO₂取代O₂，喷吹方式采用0-1支炉门喷枪和2-5支炉壁喷枪，在熔化阶段：装料结束后通电熔化废钢，控制每支炉壁喷枪气体流量为150-400 Nm³/h，以保护喷枪，炉门喷枪旋开无CO₂气体喷吹；氧化阶段：根据熔池磷含量，控制每支炉壁及炉门喷枪气体流量1000-5000Nm³/h；调整阶段：控制每支炉壁及炉门喷枪气体流量300-1000Nm³/h，通过电极加热升温同时对钢水成分和温度进行微调。

该方法炼钢过程采用30-300吨转炉，利用感应炉或电炉提供低碳或无碳铁液，利用CO₂取代O₂，气体流量和压力分阶段进行控制，喷吹方式采用多孔超音速喷枪从熔池顶部喷入炼钢炉内，在压力0.6-1.2MPa下，吹炼前期据钢水中Si、Mn元素氧化情况，CO₂的喷入量为8000-75000Nm³/h，吹炼中期，根据脱磷炉渣情况及钢水磷含量，CO₂喷吹量为6000-70000Nm³/h；吹炼后期，该阶段降低冶炼枪位，CO₂喷吹量为8000-80000Nm³/h，降低炉渣中铁损。

本发明的有益效果是：本发明可利用各种工业炉窑废气经回收处理后获得的CO₂，亦可采用自然界的天然CO₂资源作为气源，代替O₂作为低碳或无碳铁液的冶炼气源，取消传统炼钢工艺对碳的依赖，完成炼钢任务，可减少冶炼过程铁及其他元素的烧损，为钢铁工业实现“碳零排放”提供了可能，有利于发展绿色冶金技术。

具体实施方式

   下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

1. 30吨电炉

采用废钢为原料，CO₂气体喷吹，利用1支炉门喷枪和2支炉壁喷枪。每支喷枪CO₂流量控制在200-1500 Nm³/h。

第一阶段20min（熔化阶段）：装料结束后通电熔化废钢，控制每支炉壁喷枪气体流量为200-300 Nm³/h，以保护喷枪，炉门喷枪旋开无CO₂气体喷吹。

第二阶段10min（氧化阶段）：控制每支炉壁及炉门喷枪气体流量1000-1500Nm³/h，完成Si、Mn等元素的氧化及脱磷任务，根据熔池磷含量调整喷吹气体流量。

第三阶段10min（调整阶段）：控制每支炉壁及炉门喷枪气体流量300-500Nm³/h，通过电极加热升温同时对钢水成分和温度进行微调，最终满足钢水对温度及成分的要求。

2. 200吨电炉

采用直接还原铁为原料， CO₂气体喷吹，利用1支炉门喷枪和4支炉壁喷枪。每支喷枪CO₂流量控制在200-3000Nm³/h。

第一阶段25min（熔化阶段）：装料结束后通电熔化废钢，控制每支炉壁喷枪气体流量为200-300 Nm³/h，以保护喷枪，炉门喷枪旋开无CO₂气体喷吹。

第二阶段15min（氧化阶段）：控制每支炉壁及炉门喷枪气体流量2000-3000Nm³/h，完成Si、Mn等元素的氧化及脱磷任务。

第三阶段10min（调整阶段）：控制每支炉壁及炉门喷枪气体流量500-600Nm³/h，通过电极加热升温同时对钢水成分和温度进行微调，满足出钢要求。

3. 300吨电炉

采用直接还原铁为原料，CO₂气体喷吹，利用1支炉门喷枪和4支炉壁喷枪。每支喷枪CO₂流量控制在300-5000Nm³/h。

第一阶段30min（熔化阶段）：装料结束后通电熔化废钢，控制每支炉壁喷枪气体流量为300-450 Nm³/h，以保护喷枪，炉门喷枪旋开无CO₂气体喷吹。

第二阶段20min（氧化阶段）：控制每支炉壁及炉门喷枪气体流量4000-5000Nm³/h，完成Si、Mn等元素的氧化及脱磷任务。

第三阶段15min（调整阶段）：控制每支炉壁及炉门喷枪气体流量600-1000Nm³/h，通过电极加热升温同时对钢水成分和温度进行微调，满足出钢要求。

4. 100吨转炉

CO₂的输入方式：采用多孔超音速喷枪从熔池顶部喷入炼钢炉内，CO₂的喷吹流量为20000-24000Nm³/h，压力0.75-0.90MPa。

利用感应炉或电炉提供低碳或无碳铁液，吹炼前期Si、Mn元素氧化，CO₂的喷入量为22000-24000Nm³/h，历时3min。

吹炼中期，即为脱磷期，CO₂喷吹量为20000-22000Nm³/h。根据脱磷炉渣情况及钢水磷含量确定喷吹时间，历时3-4min。

吹炼后期，该阶段降低冶炼枪位，CO₂喷吹量为23000-24000Nm³/h，降低炉渣中铁损。出钢后钢水需经过LF炉或其他加热装置升温，历时2min。

5. 300t转炉

采用多孔超音速喷枪将CO₂气体从熔池顶部喷入炼钢炉内，CO₂的喷入量为65000-70000Nm³/h，压力0.80-0.95MPa。

利用感应炉或电炉提供低碳或无碳铁液，吹炼前期为Si、Mn元素的大量氧化，CO₂的喷入量为67000-69000Nm³/h，一般历时4min。

吹炼中期，即为脱磷期，CO₂喷吹量为65000-67000Nm³/h。根据脱磷炉渣情况及钢水磷含量确定喷吹时间，历时4-5min。

吹炼后期，历时2-3min。降低枪位，CO₂喷吹量为68000-70000Nm³/h，降低炉渣中铁损，均匀钢水成分和温度，停吹后出钢，钢水需经过LF炉或其他加热装置升温。