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CO2用作RH提升气体冶炼超低碳钢的热力学分析及实验研究

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引言

1 文献综述

1.1 RH精炼发展简述

1.2.1 CO2在转炉中的应用

1.2.2 CO2在连铸中的应用

1.2.3 CO2在炉外精炼中的应用

1.3 国内外研究现状

1.4 研究内容及方法

1.5 研究目的及意义

2 热力学计算方法及验证

2.1 热力学计算方法简述

2.2 热力学计算方法验证

2.2.1 温度效应的验证

2.2.2 脱碳效果的验证

2.3 迭代步数无关性验证

3 RH精炼喷吹CO2的热力学计算分析

3.1 喷吹气体温度对钢液脱碳及温降的影响

3.2 体系压力对钢液脱碳及温度的影响

3.3 CO2与Ar 混合喷吹比例对钢液脱碳及温度的影响

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摘要

CO2的大量排放造成的“温室效应”严重影响生态环境和人类生存发展，钢铁企业作为CO2排放大户，将CO2资源化利用具有深远意义。近年来，以深脱碳、脱氢等为主要目标的RH精炼成为纯净钢冶炼的重要手段。RH精炼需耗费大量高昂的Ar，CO2成本仅为Ar的1/3~1/5，且CO2具有弱氧化性可参与脱碳，由此将CO2替代Ar用于RH精炼是钢厂节能减排的重要方向，但将CO2用作RH提升气体冶炼超低碳钢的相关基础理论并不充分，特别是真空条件下CO2和[O]的协同脱碳效果及其影响因素鲜有报道。因此，深入研究CO2-[O]-Ar体系下RH精炼中钢水脱碳行为及温度效应具有重要意义。　　本文结合RH真空精炼特点，基于FactSage热力学软件，首先采用迭代的计算思路并验证计算方法的可靠性，在此基础上，分析体系压力、混合气体比例、初始碳氧含量等因素对钢液脱碳及钢水温度的影响，并讨论预脱氧工艺的利弊及可行性；其次，在实验室高温真空硅钼炉内，向低碳钢液喷吹不同比例的CO2/Ar，考察CO2的脱碳效果；最后，基于热力学计算及实验室研究结果，在220t RH炉进行侧吹CO2作提升气体冶炼超低碳钢的工业性试验。　　理论计算结果表明，在保证钢中一定初始氧的真空条件下，向低碳钢液喷吹CO2脱碳温降在5℃以内，喷吹后期脱碳停滞并伴有钢液增氧现象，需切换Ar吹炼；当初始碳含量小于0.04%，初始氧含量控制在0.02~0.04%，混吹CO2-Ar气体中CO2体积占比为50%~65%时有最佳冶炼效果；由于CO2会氧化钢液中铝，合金脱氧前需切换为纯Ar吹炼。实验室研究结果显示，常压向超低碳钢液继续喷吹CO2会增碳；而真空体系下，当喷吹体积比为1∶1的CO2-Ar混合气体时终点碳氧含量水平较佳；混合气体中CO2的存在会加快脱碳速率，喷吹纯CO2时，脱碳速度指数可达13.4ppm?min-1?L-1。　　工业性试验结果表明，不改变进站钢水条件，采用CO2替代Ar作为提升气体，温度效应、脱碳效果和生产效率与现有工艺相当，但可以节能降本。高氧低碳钢水条件下喷吹CO2辅助脱碳效果不明显，这与热力学计算基本吻合。碳高氧低的情况下，可以考虑使用CO2作提升气体弥补钢液脱碳能力不足，但这需要进一步的试验验证。研究结果可为CO2在RH精炼工艺上的应用提供思路和有关数据支撑，为进一步探索及优化该工艺提供经验。

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