一种利用CO2延长底吹氧气转炉寿命的炼钢方法

摘要

本发明属于冶金工艺领域，涉及一种利用CO2延长底吹氧气转炉寿命的炼钢方法，本发明的底部主吹气体为O2和CO2的混合气体，保护气体为碳氢化合物和CO2的混合气体，并根据底吹氧气转炉的不同冶炼阶段控制底吹O2和CO2的混合气体及碳氢化合物和CO2的混合气体中的CO2混入比例，利用CO2与铁、碳反应吸热和CO2不污染钢液的特点，降低底吹喷嘴出口温度，减少碳氢化合物消耗，改善钢水质量，从而延长底吹氧气转炉的使用寿命、降低冶炼成本。本发明适用于30~350吨的底吹氧气转炉，采用本发明可提高底吹氧气转炉的炉底寿命300~600炉，吨钢冶炼成本降低2~3元，终点钢水碳氧积降低0.0002~0.0004。

说明书

技术领域

本发明属于冶金工艺领域，特别涉及一种利用CO₂延长底吹氧气转炉寿命的炼钢方法。

背景技术

底吹氧气转炉极大地改善了转炉的搅拌条件，渣-钢反应接近平衡状态，可以在渣中（FeO）基本不增加的条件下将碳脱除到低碳领域，适宜大量生产低碳钢种；将底吹氧气和底吹造渣剂（如石灰粉）相结合，可高效脱除铁水中的磷和硫，并减少钢铁料和造渣料的消耗；底吹氧气转炉在冶金效果方面拥有常规顶底复吹转炉难以媲美的优势。

但是，由于底部大流量喷吹氧气，熔池搅拌强烈，而且氧气与Si、Mn、Fe、C等元素反应剧烈放热，底吹纯氧喷嘴的上方反应带的温度可达2000~2400℃，对底吹喷嘴和周围衬砖造成极为严重的威胁；在底吹氧气中混入一定比例的氮气，或以干燥空气代替纯氧虽然有助于降低炉底温度，但是会造成钢水大量增氮，终点钢水氮含量超标，无法满足冶炼需求，混氮工艺并不可行；因此现有技术中底吹氧气转炉仍以喷吹纯氧为主，导致炉底寿命偏低，目前仅为1000~2000炉。

目前，通常采用环缝喷吹碳氢化合物的方法，利用碳氢化合物高温下裂解吸热的特性来保护底吹喷嘴，但碳氢化合物价格昂贵，增加了炼钢成本，且喷吹碳氢化合物会导致钢水增氢；而在碳氢化合物中混入氮气将导致钢水增氮，混入氩气将导致成本增加，且氮气和氩气降温效果不佳，因此现有技术中只能使用碳氢化合物作为保护气体，造成碳氢化合物消耗量大，冶炼成本偏高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是在保证钢水质量的前提下，提供一种利用CO₂延长底吹氧气转炉使用寿命，降低碳氢化合物消耗和冶炼成本，实现延长底吹氧气转炉寿命、低成本连续生产的炼钢方法。

本发明由以下方案实现：

一种利用CO₂延长底吹氧气转炉寿命的炼钢方法，在底吹氧气转炉通过底吹喷嘴底吹O₂和碳氢化合物的基础上混入CO₂，所述底部主吹气体为O₂和CO₂的混合气体，所述保护气体为碳氢化合物和CO₂的混合气体，所述O₂和CO₂的混合气体中CO₂的混入比例为0~60%，所述碳氢化合物和CO₂的混合气体中CO₂的混入比例为0~50%；炼钢方法将冶炼过程划分为冶炼初期、脱磷期、脱碳期和冶炼末期四个阶段，根据所述四个阶段控制O₂和CO₂的混合气体中CO₂的混入比例及碳氢化合物和CO₂的混合气体中CO₂的混入比例，利用CO₂与铁、碳反应吸热和CO₂不污染钢液的特点，在保证钢水质量的前提下降低底吹氧气转炉的底吹喷嘴出口温度和碳氢化合物消耗，延长底吹氧气转炉的使用寿命，降低冶炼成本。

进一步地， 在冶炼初期，由于大量冷料的加入，熔池温度较低，为了快速升温，减少底吹O₂和CO₂的混合气体中CO₂的混入比例为0~20%，依靠O₂和硅、锰等元素的氧化放热快速升温；由于CO₂和硅、锰反应为微放热反应，为了增强保护气的冷却效果，减少碳氢化合物和CO₂的混合气体中CO₂的混入比例为0~20%。

进一步地， 在脱磷期，为了维持脱磷最佳的热力学条件，并将熔池温度控制在1350~1400℃，适当提高底吹O₂和CO₂的混合气体中CO₂的混入比例至40~60%，利用CO₂的反应吸热特性控制熔池温度基本稳定在脱磷最佳的温度区间；由于硅、锰已基本氧化完全，适当提高碳氢化合物和CO₂的混合气体中CO₂的混入比例至30~50%，减少碳氢化合物的消耗。

进一步地， 在脱碳期，为了快速脱碳和避免终点温度偏低，根据熔池的富余热量控制底吹O₂和CO₂的混合气体中CO₂的混入比例为10~30%；随着熔池温度的升高和碳含量的降低，钢液对炉底的侵蚀加剧，降低碳氢化合物中和CO₂的混合气体的CO₂混入比例至20%~30%，依靠碳氢化合物的裂解吸热保护底吹喷嘴。

进一步地， 冶炼末期，随着钢水碳含量的降低，脱碳反应速率逐渐下降，适当提高底吹O₂和CO₂的混合气体中CO₂的混入比例至30~40%，部分CO₂参与脱碳反应，其余未反应的CO₂可降低CO分压，促进碳氧反应的进行，从而降低终点钢水碳氧积；此阶段熔池温度最高、碳含量最低，钢液对炉底的侵蚀最严重，应大量喷吹碳氢化合物以保护底吹喷嘴，因此碳氢化合物和CO₂的混合气体中CO₂的混入比例为0~5%。

进一步地，所述方法适用于30~350吨的底吹氧气转炉，转炉冶炼所需总氧量的20~40%由底部喷入，所述方法中CO₂既可替代部分O₂用作底吹氧气转炉的底部主吹气体，也可替代部分碳氢化合物作为底吹元件的保护气体；所述底吹氧气转炉的底部布置有至少一支所述底吹元件，所述底吹元件为双层套管式结构包括底吹枪内层管和环缝。

进一步地，所述O₂和CO₂的混合气体由CO₂气体或干冰粉和O₂气体经过一个底部主吹气体混合器制备，制备后所述O₂和CO₂的混合气体通过所述底吹枪内层管喷入所述底吹氧气转炉；所述碳氢化合物和CO₂的混合气体由CO₂气体或干冰粉和碳氢化合物经过一个保护气体混合器制备，所述碳氢化合物为甲烷、丙烷等可以在高温下裂解吸热的气体，制备后所述碳氢化合物和CO₂的混合气体通过所述环缝喷入所述底吹氧气转炉。

本发明的技术原理是：本发明在底吹氧气转炉中混入CO₂，利用CO₂与铁、碳反应吸热和CO₂比热容较高的特点，适当降低底吹喷嘴上方反应带的温度，从而降低底吹氧气转炉的炉底温度，减少碳氢化合物的消耗，而且CO₂供入钢水后并不会污染钢液，因此可在保证钢水质量的前提下延长底吹氧气转炉的使用寿命，降低冶炼成本。

本发明的有益效果是：该方法适用于30~300吨底吹氧气转炉，将CO₂混入底吹O₂和保护气碳氢化合物中，分阶段分别控制CO₂的混入比例，可在不影响钢水质量的前提下实现底吹氧气转炉长寿命、低成本连续生产。采用本发明后，底吹氧气转炉的炉底寿命可提高300~600炉，终点钢水碳氧积降低0.0002~0.0004，吨钢冶炼成本降低2~3元。

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。

实施例1

120吨底吹氧气转炉炼钢工艺

本实施例用于120吨底吹氧气转炉，该转炉底部布置有6只双层套管式底吹枪，吹炼过程中底吹枪内层管以O₂和CO₂混合气体为载气喷吹石灰粉，供气流量为120Nm³/min，供粉流量为480kg/min；环缝喷吹丙烷和CO₂的混合气体进行冷却保护，供气流量为12Nm³/min。

具体的冶炼操作过程：

冶炼初期，为了快速升温，底吹枪内层管的CO₂流量为0~12Nm³/min，即底吹O₂中CO₂的混入比例为0~10%；由于CO₂和硅、锰反应为微放热反应，为了增强保护气的冷却效果，减少丙烷中CO₂的混入比例为0~20%，环缝的CO₂流量为0~2.4Nm³/min。

脱磷期，为了控温脱磷，将熔池温度控制在1350~1400℃，推迟碳氧反应剧烈发生的时间，此时底吹枪内层管的CO₂流量为48~72Nm³/min，即底吹O₂中CO₂的混入比例为40~60%，利用CO₂的反应吸热特性控制熔池温度基本恒定；由于硅、锰等元素已基本氧化完全，因此环缝的CO₂流量适当提高至4.8~6.0Nm³/min，即丙烷中CO₂的混入比例为40~50%。

脱碳期，为了快速脱碳和避免终点温度偏低，根据熔池的富余热量控制底吹O₂中CO₂的混入比例为10~20%，即底吹枪内层管的CO₂流量为12~24Nm³/min；随着熔池温度的升高和碳含量的降低，钢液对炉底的侵蚀加剧，降低丙烷中的CO₂混入比例至20%~30%，即环缝的CO₂流量为2.4~3.6Nm³/min。

冶炼末期，随着钢水碳含量的降低，脱碳反应速率逐渐下降，适当提高底吹O₂中CO₂的混入比例至30~40%，即底吹枪内层管的CO₂流量为36~48Nm³/min，部分CO₂参与脱碳反应，其余未反应的CO₂可降低CO分压，降低终点钢水碳氧积；此阶段熔池温度最高、碳含量最低，应大量喷吹丙烷以保护底吹喷嘴，因此丙烷中CO₂的混入比例降低至0~5%，即环缝的CO₂流量为0~0.6Nm³/min。

出钢后底吹枪的内层管和环缝均喷吹氮气。

实施结果表明：120吨底吹氧气转炉采用本发明的炼钢工艺后，炉底寿命提高约420炉，吨钢冶炼成本降低约2.3元。

实施例2

300吨底吹氧气转炉炼钢工艺

本实施例用于300吨底吹氧气转炉，该转炉底部布置有8只双层套管式底吹枪，吹炼过程中内层管以O₂和CO₂混合气体为载气喷吹石灰粉，供气流量为270Nm³/min，供粉流量为1500kg/min；环缝喷吹天然气和CO₂的混合气体进行冷却保护，供气流量为30Nm³/min。

具体的冶炼操作过程：

冶炼初期，为了快速升温，底吹枪内层管的CO₂流量为13.5~54Nm³/min，即底吹O₂中CO₂的混入比例为5~20%；由于CO₂和硅、锰反应为微放热反应，为了增强保护气的冷却效果，减少天然气中CO₂的混入比例为0~20%，环缝的CO₂流量至0~6Nm³/min。

脱磷期，为了控温脱磷，将熔池温度控制在1350~1400℃，推迟碳氧化反应剧烈发生的时间，此时底吹枪内层管的CO₂流量为135~162Nm³/min，即底吹O₂中CO₂的混入比例为50~60%，利用CO₂的反应吸热特性控制熔池温度基本恒定；由于硅、锰等元素已基本氧化完全，因此环缝的CO₂流量适当提高至9~12Nm³/min，即天然气中CO₂的混入比例为30~40%。

脱碳期，为了快速脱碳和避免终点温度偏低，根据熔池的富余热量控制底吹O₂中CO₂的混入比例为10~20%，即底吹枪内层管的CO₂流量为27~54Nm³/min；随着熔池温度的升高和碳含量的降低，钢液对炉底的侵蚀加剧，降低天然气中CO₂的混入比例至20~30%，即环缝的CO₂流量为6~9Nm^3/min。

冶炼末期，随着钢水碳含量的降低，脱碳反应速率逐渐下降，适当提高底吹O₂中CO₂的混入比例至30~40%，即底吹枪内层管的CO₂流量为81~108Nm³/min，部分CO₂参与脱碳反应，其余未反应的CO₂可降低CO分压，降低终点钢水碳氧积；此阶段熔池温度最高、碳含量低，应大量喷吹天然气以保护底吹喷嘴，因此天然气中CO₂的混入比例降低至0~5%，即环缝的CO₂流量为0~1.5Nm³/min。

出钢后底吹枪的内层管和环缝均喷吹氮气。

实施结果表明：300吨底吹氧气转炉采用本发明的炼钢工艺后，炉底寿命提高约350炉，吨钢冶炼成本降低约2.8元。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果做了定量的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。