繼京都議定書、巴黎氣候峰會之后，2020年中國政府在聯(lián)合國大會和氣候雄心峰會上莊嚴(yán)承諾“二氧化碳排放力爭2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。據(jù)統(tǒng)計，我國鋼鐵生產(chǎn)每年排放CO2超過19.6億噸，占全國溫室氣體總排放的15%左右，減少鋼鐵生產(chǎn)CO2排放，尋求CO2在鋼鐵流程內(nèi)的規(guī)模化自我消化途徑，是我國早日建成“碳中和”國家，切實踐行“大國承諾”的重要助力。

　　我國處于由高速增長邁向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期，技術(shù)創(chuàng)新是實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的強大動能。如何解決鋼鐵生產(chǎn)污染物排放問題，并提供高品質(zhì)的鋼鐵產(chǎn)品，是我國鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的核心命題。我國煉鋼工序每年產(chǎn)生超過2000萬噸的煉鋼煙塵。廣泛采用的煉鋼煙塵后處理方式能耗高，難度大，給企業(yè)帶來巨大的負(fù)擔(dān)；煉鋼煙塵中的微細(xì)顆粒難以通過除塵系統(tǒng)除凈，成為加重霧霾產(chǎn)生的因素之一。如何從源頭上減少煉鋼煙塵，實現(xiàn)其源頭抑制是亟待破解的世界難題。

　　隨著社會高質(zhì)量發(fā)展對鋼鐵材料品質(zhì)需求的持續(xù)提高，磷、氮、氧的深度脫除及潔凈化精準(zhǔn)控制，越來越成為高質(zhì)量鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)的技術(shù)難題。轉(zhuǎn)爐作為鋼鐵生產(chǎn)流程的核心裝備，亟需跨越式的技術(shù)變革。冶煉前期硅、錳、碳等的劇烈氧化反應(yīng)放熱帶來的熔池快速無序升溫，破壞了高效脫磷的“低溫”熱力學(xué)條件，造成深度脫磷困難，雙渣法或雙聯(lián)法雖在一定程度上解決了煉鋼脫磷的問題，但也帶來了煉鋼渣量和成本的增加；底吹A(chǔ)r氣泡脫氮能力不足，無法保證超低氮鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)；冶煉末期，熔池失去了CO氣泡的攪拌效益，鋼水氧含量往往超過500ppm，我國每年脫氧劑消耗折合成鋁約40萬噸，脫氧產(chǎn)物帶來的大量夾雜物易成為鋼鐵質(zhì)量缺陷，后續(xù)精煉負(fù)擔(dān)重、能耗高。

　　轉(zhuǎn)爐復(fù)吹煉鋼工藝能在一定程度上改善熔池的反應(yīng)動力學(xué)條件，有利于鋼水脫磷、脫氮、控氧，減少終點鋼水過氧化和渣量消耗。但由于底吹大流量強攪拌和透氣元件長壽之間的矛盾一直無法調(diào)和，煉鋼爐底吹使用壽命無法與爐齡同步，安全風(fēng)險長期存在，嚴(yán)重影響了底吹氣體攪拌效益的發(fā)揮。

　　2004年起，項目團隊依托國家科技支撐計劃、國家自然科學(xué)基金重點及面上項目的持續(xù)支持，以CO2利用、固廢減量、鋼質(zhì)潔凈、降本增效為目標(biāo)，開發(fā)了二氧化碳利用于煉鋼工藝的原創(chuàng)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)并掌握了CO2具有的反應(yīng)冷卻、氣泡增殖、弱氧化、強沖擊等獨有特性，實現(xiàn)了CO2利用和煉鋼生產(chǎn)工藝的完美結(jié)合，解決了煉鋼脫磷、脫氮、控氧和底吹長壽等諸多煉鋼工藝難題，開辟了煉鋼過程CO2規(guī)?；{利用路徑。

二氧化碳綠色潔凈煉鋼技術(shù)及應(yīng)用

　　二主要創(chuàng)新內(nèi)容

　　項目團隊提出了“二氧化碳綠色潔凈煉鋼技術(shù)及應(yīng)用”項目，從煉鋼過程抑制煙塵、高效脫磷、穩(wěn)定脫氮、強化控氧和底吹長壽等方面入手，解決了煉鋼煙塵和爐渣固廢源頭減量，鋼水磷、氮、氧潔凈控制的諸多煉鋼工藝難題，先后發(fā)明了CO2-O2混合噴吹煉鋼降塵技術(shù)、CO2控溫高效脫磷技術(shù)、CO2吸附深度穩(wěn)定脫氮技術(shù)、CO2稀釋強化控氧技術(shù)和CO2強化底吹安全長壽成套技術(shù)，實現(xiàn)了煉鋼過程節(jié)能減排、鋼質(zhì)潔凈、降本增效的目標(biāo)。具體創(chuàng)新內(nèi)容如下：

　　1.CO2-O2混合頂吹煉鋼降塵技術(shù)

　　煉鋼每生產(chǎn)1噸合格鋼水產(chǎn)生約20-30kg煙塵，按我國2019年鋼產(chǎn)量9.96億噸計，煙塵量達(dá)2000-3000萬噸，尤其是煉鋼煙塵中的微細(xì)粉塵難以通過除塵系統(tǒng)除凈，成為霧霾產(chǎn)生的因素之一。我國煉鋼煙氣除塵后處理方式，每年耗能高達(dá)90億kgce，并額外增加CO2排放2250萬噸。煉鋼煙塵通常含有較高有毒有害物質(zhì)，難以通過循環(huán)方法加以處理利用；采用堆放或填埋方式，造成資源浪費，并可能向土壤轉(zhuǎn)移甚至發(fā)生重金屬污染。從源頭上抑制煉鋼煙塵的產(chǎn)生將具有重大的經(jīng)濟效益和環(huán)境意義。

　　項目團隊揭示了煉鋼煙塵的產(chǎn)生機理和變化規(guī)律，探明了轉(zhuǎn)爐煙塵的“蒸發(fā)-氣泡”混合作用產(chǎn)生機制，確認(rèn)高溫火點鐵蒸發(fā)是煙塵產(chǎn)生的主要原因，占煙塵總量的70-80%。首次提出降低火點區(qū)溫度有效控制鐵蒸發(fā)的思路，將CO2氣體用于煉鋼過程降低煙塵產(chǎn)生，發(fā)明了轉(zhuǎn)爐CO2-O2混合噴吹煉鋼降塵技術(shù)，配套研制了CO2-O2混合噴吹系統(tǒng)及裝置，制定了鋼鐵行業(yè)CO2-O2氣體混合利用標(biāo)準(zhǔn)。穩(wěn)定控制了火點區(qū)溫度低于鐵的沸點(2750℃)，減少煉鋼煙塵產(chǎn)生，將煉鋼煙塵由完全依靠后處理轉(zhuǎn)變?yōu)榍耙种疲蚱屏藷掍摕焿m傳統(tǒng)治理的方式。

　　完成了CO2資源化應(yīng)用于300t轉(zhuǎn)爐的國家示范工程，實現(xiàn)了CO2-O2混合頂吹煉鋼降塵技術(shù)的應(yīng)用及推廣。實現(xiàn)煉鋼煙塵源頭減量9.95%，煙塵中Fe降低12.98%，鋼鐵料節(jié)約4.09kg/t，噸鋼煤氣增產(chǎn)5.57Nm3，煤氣中CO濃度提高3.73%，驗證了CO2-O2混合噴吹降低煉鋼煙塵產(chǎn)生的工業(yè)應(yīng)用效果。

　　2.CO2控溫高效脫磷技術(shù)

　　脫磷是煉鋼最重要任務(wù)之一，是冶煉高品質(zhì)鋼的技術(shù)難點。隨著低磷及超低磷鋼品種需求的增加，對煉鋼脫磷提出了更高要求。轉(zhuǎn)爐冶煉中硅、錳、碳等的劇烈氧化反應(yīng)放熱帶來的熔池快速無序升溫，破壞了高效脫磷的“低溫”熱力學(xué)條件，同時鋼渣攪拌動力不足，造成終點磷含量偏高，深度脫磷困難。雙渣法或雙聯(lián)法雖在一定程度上解決了煉鋼脫磷的問題，但易受節(jié)奏及工藝條件等諸多限制，也帶來了煉鋼渣量和成本增加。

　　項目團隊探明了CO2噴吹減緩熔池升溫和強化熔池攪拌的作用規(guī)律，發(fā)現(xiàn)CO2-O2混合頂吹可延長最佳脫磷溫度時間20%、增加射流沖擊面積36%，發(fā)明了CO2-O2混合頂吹熔池“升溫-控溫”熱平衡模型和CO2比例分段動態(tài)調(diào)控技術(shù)，制定了轉(zhuǎn)爐頂吹CO2用于脫磷的工藝標(biāo)準(zhǔn)，建立了適應(yīng)不同鋼種的雙聯(lián)脫磷模式及階梯式脫磷方法，保證了CO2控溫高效脫磷，突破了長期困擾煉鋼深脫磷的技術(shù)瓶頸。

　　本創(chuàng)新技術(shù)先后在首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司、福建三鋼閩光股份有限公司成功投入工業(yè)應(yīng)用，保障了超低磷鋼穩(wěn)定生產(chǎn)。首鋼京唐半鋼脫磷轉(zhuǎn)爐脫磷率提高6.99%，常規(guī)轉(zhuǎn)爐終點磷平均降至0.006%，實現(xiàn)噸鋼渣量減少7.8kg、石灰消耗減少1.5kg。

　　鋼水中氮的深度脫除和穩(wěn)定控制是生產(chǎn)高品質(zhì)鋼的技術(shù)瓶頸。高端汽車板等要求成品鋼氮含量低于20ppm，由于Ar氣泡脫氮能力不足和冶煉后期CO氣泡數(shù)量有限，多數(shù)轉(zhuǎn)爐穩(wěn)定脫氮極限約在17ppm，無法保證超低氮鋼穩(wěn)定生產(chǎn)，成為我國高端制造業(yè)金屬材料的“卡脖子”環(huán)節(jié)。

　　項目團隊系統(tǒng)研究了CO2、Ar、N2氣泡在鋼液內(nèi)的上浮運動和轉(zhuǎn)變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)CO2-CO氣泡有利于打破氮原子傳質(zhì)的界面阻礙，脫氮表觀速率常數(shù)是Ar的9.6倍，CO2反應(yīng)生成CO是O2的2.3倍，增量的CO氣泡成為鋼液脫氮的重要動力。獨創(chuàng)了煉鋼過程噴吹CO2吸附深度穩(wěn)定脫氮技術(shù)，開發(fā)了CO2-Ar動態(tài)底吹裝備系統(tǒng)及工藝控制模型，實現(xiàn)了鋼中氮的高效穩(wěn)定脫除，是高品質(zhì)鋼潔凈化生產(chǎn)技術(shù)的重要創(chuàng)新。

　　本創(chuàng)新技術(shù)在首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司完成了工業(yè)應(yīng)用，取得了良好的穩(wěn)定控氮效果，轉(zhuǎn)爐出鋼氮含量從17ppm穩(wěn)步降低至11ppm，氮含量波動幅度減小了35%，實現(xiàn)了高端汽車板用鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)。創(chuàng)新技術(shù)推廣至天津鋼管制造有限公司、新余鋼鐵集團有限公司電弧爐應(yīng)用。其中全廢鋼冶煉終點氮含量降低至43ppm，解決了長期以來電弧爐難以有效脫氮的難題，并以此為契機開發(fā)了高品質(zhì)低氮特鋼品種。

　　抑制鋼水過氧化是煉鋼生產(chǎn)工藝的技術(shù)難點，尤其在接近冶煉終點時，鋼水C含量急劇減少后，熔池失去了CO氣泡的攪拌效益，只能單純依靠超音速射流的物理沖擊帶動熔池流動，造成鋼水過氧化嚴(yán)重。因金屬元素氧化，我國每年直接燒損鋼鐵料約3000萬噸，同時因脫氧采用脫氧劑需消耗鋁約40萬噸，且脫氧產(chǎn)物帶來的夾雜物易造成鋼鐵質(zhì)量缺陷。

　　項目團隊研究了CO2氣體的弱氧化稀釋作用和降低CO分壓的能力，掌握了頂吹CO2-O2射流的調(diào)控特性；熔池低碳條件下，CO分壓可降低21.5%，射流動能可提高8%。發(fā)明了轉(zhuǎn)爐CO2-O2混合頂吹稀釋強化氧調(diào)控技術(shù)及動態(tài)預(yù)報軟件，利用高比例CO2進行終點強攪拌，顯著減少了鋼液過氧化，是轉(zhuǎn)爐煉鋼終點控制方法的重要突破。

　　本創(chuàng)新技術(shù)在首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，取得了顯著降低鋼水過氧化的效果，轉(zhuǎn)爐終點碳氧積降至＜0.0015，渣中TFe降低4.59%，對于超低碳汽車板等品種終點氧含量降低超過了100ppm。電弧爐煉鋼應(yīng)用本技術(shù)后，冶煉終點平均碳氧積降低了3-5×10-4，推動了高品質(zhì)特鋼產(chǎn)品質(zhì)量提升。創(chuàng)新已甘肅酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司多家企業(yè)應(yīng)用。

　　頂?shù)讖?fù)吹工藝能改善煉鋼熔池的反應(yīng)動力學(xué)條件，有利于鋼水脫磷、脫氮、控氧，減少終點過氧化和渣量消耗，但因為底吹大流量攪拌和透氣元件長壽之間的矛盾一直無法調(diào)和，爐底壽命無法與爐齡同步，安全風(fēng)險長期存在。企業(yè)只能采用小流量底吹維持元件壽命，嚴(yán)重影響了底吹氣體攪拌效益的發(fā)揮，甚至部分轉(zhuǎn)爐因安全考慮放棄使用底吹工藝，無奈接受煉鋼指標(biāo)惡化的后果。如能在保證底吹攪拌強度的前提下，解決底吹元件的長壽問題，將帶來煉鋼工藝技術(shù)指標(biāo)的全面提升。

　　項目團隊系統(tǒng)研究了煉鋼底吹元件的侵蝕機理，掌握了鎂碳耐材氧化脫碳規(guī)律和鋼液、氣泡機械侵蝕的作用行為。證實了底吹CO2具有很強的物理冷卻和化學(xué)吸熱作用，冷卻效果是Ar的10倍左右，發(fā)明了CO2-Ar動態(tài)切換及混合底吹工藝，利用CO2的物理-化學(xué)冷卻和增殖攪拌功能，解決了底吹元件的氧化侵蝕問題，實現(xiàn)了強攪拌下的底吹長壽，是煉鋼復(fù)合吹煉技術(shù)的重要突破。

　　應(yīng)用后轉(zhuǎn)爐底吹流量增加60%，攪拌強度提升2-3倍，有效底吹壽命延長50%，實現(xiàn)與爐齡同步，取得了良好的綜合冶金效益。

　　2016年，首鋼京唐鋼鐵公司300t雙聯(lián)轉(zhuǎn)爐完成了項目工業(yè)示范和國家驗收，建成了國內(nèi)外首套煉鋼專用“石灰窯尾氣回收CO2系統(tǒng)”工程，成功解決了“工業(yè)尾氣→CO2回收→煉鋼利用”流程中多項工程難題，形成了鋼鐵行業(yè)CO2循環(huán)利用標(biāo)準(zhǔn)（YB）體系，實現(xiàn)了CO2綠色潔凈煉鋼技術(shù)的集成應(yīng)用。本項目工業(yè)應(yīng)用后，各工藝合計CO2利用5.09Nm3/t，實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煉鋼煙塵產(chǎn)生量減少9.95%，石灰造渣材料消耗減少了1.5kg/t，爐渣TFe含量降低3.59%，爐渣減量7.8kg/t鋼，實現(xiàn)了煉鋼固廢的源頭抑制和綜合減量10.2kg/t，減輕了后處理壓力。使用鋼鐵流程全生命周期法（LCA）進行能耗評估，考慮鐵料消耗降低4.09kg/t，同時煤氣CO濃度提高3.73%，回收量提高5.57Nm3/t，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐煉鋼CO2利用10.08kg/t鋼，噸鋼工序能耗降低6.12kgce，溫室氣體減排26.28kg/t鋼。

首鋼京唐石灰窯尾氣回收CO2制備凈化工程示范

　　“工業(yè)尾氣→CO2回收→煉鋼利用”的CO2工業(yè)大規(guī)模利用新途徑

　　作為中國金屬學(xué)會重點成果轉(zhuǎn)化與推廣項目，本項目已在多家鋼鐵企業(yè)成功應(yīng)用，近三年惠及鋼產(chǎn)量3879.2萬噸，實現(xiàn)工業(yè)CO2利用31.5萬噸，粉塵減少10.3萬噸，爐渣減少24.5萬噸，節(jié)約鋼鐵料增產(chǎn)7.0萬噸，減少脫氧合金用量4500噸。項目實現(xiàn)了煉鋼固廢污染物源頭減量和冶金指標(biāo)的綜合提升，三年共計節(jié)能20.5萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，實現(xiàn)CO2減排86.0萬噸；煉鋼脫磷、脫氮、控氧效果明顯改善，帶來了顯著的經(jīng)濟及社會效益，三年新增產(chǎn)值4.24億元，增收節(jié)支3.14億元。項目技術(shù)可服務(wù)于我國80%以上煉鋼產(chǎn)能，實現(xiàn)全行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。

　　“二氧化碳綠色潔凈煉鋼技術(shù)及應(yīng)用”是項目團隊的開創(chuàng)性研究成果，國內(nèi)外鮮有CO2應(yīng)用于煉鋼的應(yīng)用報道。本項目通過對CO2冶金反應(yīng)特性的研究和利用，掌握了多項顛覆傳統(tǒng)煉鋼技術(shù)的工藝方式，取得了顯著的效果。與傳統(tǒng)煉鋼工藝相比，本項目顯著提升了煉鋼技術(shù)水平，在終點氮含量、渣中全鐵、終點碳氧積、底吹供氣強度和底吹壽命等指標(biāo)上全面占優(yōu)。項目共獲發(fā)明專利授權(quán)18件、美國、歐盟專利2件，國際PCT專利2件，完成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5部、出版《二氧化碳煉鋼理論與實踐》專著1部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文66篇。

　　2018年，中國金屬學(xué)會組織召開了關(guān)于“二氧化碳在煉鋼的資源化應(yīng)用技術(shù)”的科技成果評價會，專家評價委員會一致認(rèn)為：項目將CO2作為資源應(yīng)用于煉鋼，減少了金屬的蒸發(fā)及煙塵量，實現(xiàn)CO2煉鋼脫磷、脫氮和控制鋼水過氧化，延長底吹壽命，發(fā)明及理論創(chuàng)新突出，是變廢為寶、一舉兩得的煉鋼新技術(shù)，達(dá)國際領(lǐng)先水平。

　　項目已通過工業(yè)和信息化部“原材料工業(yè)20大低碳技術(shù)”的第一輪評選，并成功入選了2020年河北省低碳技術(shù)推廣目錄。《世界金屬導(dǎo)報》“2018年世界鋼鐵工業(yè)十大技術(shù)要聞”指出：該技術(shù)首次提出將CO2資源化應(yīng)用于煉鋼的方法，是一項重大技術(shù)發(fā)明，建立健全了CO2煉鋼理論體系，在實現(xiàn)節(jié)能減排及潔凈化冶煉的同時，完成CO2的資源化應(yīng)用。

　　本項目示范引領(lǐng)作用顯著，開創(chuàng)了CO2在鋼鐵行業(yè)內(nèi)高質(zhì)化利用的先河，首次形成了鋼鐵行業(yè)CO2資源化利用的標(biāo)準(zhǔn)體系，是溫室氣體CO2利用及減排方法的創(chuàng)新。依托項目成立了“二氧化碳科學(xué)研究中心”，形成“產(chǎn)-學(xué)-研-用”合作集群，為CO2在全冶金領(lǐng)域擴展利用提供了強力支撐。

　　本項目作為“中國低碳原創(chuàng)技術(shù)”，促進了我國鋼鐵工業(yè)綠色低碳技術(shù)的發(fā)展，我國每年將減少煉鋼固體污染物產(chǎn)生1000萬噸，溫室氣體減排2600萬噸，成為建設(shè)“碳中和”國家的重要助力，為打贏“藍(lán)天、碧水、凈土”保衛(wèi)戰(zhàn)提供了重要技術(shù)保障，全面彰顯了“中國創(chuàng)造”對世界鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的突出貢獻。