繼京都議定書、巴黎氣候峰會之后，2020年中國政府在聯合國大會和氣候雄心峰會上莊嚴承諾“二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。據統計，我國鋼鐵生產每年排放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CO2排放，尋求CO2在鋼鐵流程內的規?；晕蚁緩?，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量發展轉變的關鍵時期，技術創新是實現高質量發展的強大動能。如何解決鋼鐵生產污染物排放問題，并提供高品質的鋼鐵產品，是我國鋼鐵工業實現行業轉型升級的核心命題。我國煉鋼工序每年產生超過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，給企業帶來巨大的負擔；煉鋼煙塵中的微細顆粒難以通過除塵系統除凈，成為加重霧霾產生的因素之一。如何從源頭上減少煉鋼煙塵，實現其源頭抑制是亟待破解的世界難題。

　　隨著社會高質量發展對鋼鐵材料品質需求的持續提高，磷、氮、氧的深度脫除及潔凈化精準控制，越來越成為高質量鋼鐵產品生產的技術難題。轉爐作為鋼鐵生產流程的核心裝備，亟需跨越式的技術變革。冶煉前期硅、錳、碳等的劇烈氧化反應放熱帶來的熔池快速無序升溫，破壞了高效脫磷的“低溫”熱力學條件，造成深度脫磷困難，雙渣法或雙聯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Ar氣泡脫氮能力不足，無法保證超低氮鋼的穩定生產；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，脫氧產物帶來的大量夾雜物易成為鋼鐵質量缺陷，后續精煉負擔重、能耗高。

　　轉爐復吹煉鋼工藝能在一定程度上改善熔池的反應動力學條件，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和，煉鋼爐底吹使用壽命無法與爐齡同步，安全風險長期存在，嚴重影響了底吹氣體攪拌效益的發揮。

　　2004年起，項目團隊依托國家科技支撐計劃、國家自然科學基金重點及面上項目的持續支持，以CO2利用、固廢減量、鋼質潔凈、降本增效為目標，開發了二氧化碳利用于煉鋼工藝的原創技術，發現并掌握了CO2具有的反應冷卻、氣泡增殖、弱氧化、強沖擊等獨有特性，實現了CO2利用和煉鋼生產工藝的完美結合，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?；{利用路徑。

二氧化碳綠色潔凈煉鋼技術及應用

　　二主要創新內容

　　項目團隊提出了“二氧化碳綠色潔凈煉鋼技術及應用”項目，從煉鋼過程抑制煙塵、高效脫磷、穩定脫氮、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，先后發明了CO2-O2混合噴吹煉鋼降塵技術、CO2控溫高效脫磷技術、CO2吸附深度穩定脫氮技術、CO2稀釋強化控氧技術和CO2強化底吹安全長壽成套技術，實現了煉鋼過程節能減排、鋼質潔凈、降本增效的目標。具體創新內容如下：

　　1.CO2-O2混合頂吹煉鋼降塵技術

　　煉鋼每生產1噸合格鋼水產生約20-30kg煙塵，按我國2019年鋼產量9.96億噸計，煙塵量達2000-3000萬噸，尤其是煉鋼煙塵中的微細粉塵難以通過除塵系統除凈，成為霧霾產生的因素之一。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，難以通過循環方法加以處理利用；采用堆放或填埋方式，造成資源浪費，并可能向土壤轉移甚至發生重金屬污染。從源頭上抑制煉鋼煙塵的產生將具有重大的經濟效益和環境意義。

　　項目團隊揭示了煉鋼煙塵的產生機理和變化規律，探明了轉爐煙塵的“蒸發-氣泡”混合作用產生機制，確認高溫火點鐵蒸發是煙塵產生的主要原因，占煙塵總量的70-80%。首次提出降低火點區溫度有效控制鐵蒸發的思路，將CO2氣體用于煉鋼過程降低煙塵產生，發明了轉爐CO2-O2混合噴吹煉鋼降塵技術，配套研制了CO2-O2混合噴吹系統及裝置，制定了鋼鐵行業CO2-O2氣體混合利用標準。穩定控制了火點區溫度低于鐵的沸點(2750℃)，減少煉鋼煙塵產生，將煉鋼煙塵由完全依靠后處理轉變為前抑制，打破了煉鋼煙塵傳統治理的方式。

　　完成了CO2資源化應用于300t轉爐的國家示范工程，實現了CO2-O2混合頂吹煉鋼降塵技術的應用及推廣。實現煉鋼煙塵源頭減量9.95%，煙塵中Fe降低12.98%，鋼鐵料節約4.09kg/t，噸鋼煤氣增產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生的工業應用效果。

　　2.CO2控溫高效脫磷技術

　　脫磷是煉鋼最重要任務之一，是冶煉高品質鋼的技術難點。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。轉爐冶煉中硅、錳、碳等的劇烈氧化反應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。雙渣法或雙聯法雖在一定程度上解決了煉鋼脫磷的問題，但易受節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律，發現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比例分段動態調控技術，制定了轉爐頂吹CO2用于脫磷的工藝標準，建立了適應不同鋼種的雙聯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瓶頸。

　　本創新技術先后在首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司、福建三鋼閩光股份有限公司成功投入工業應用，保障了超低磷鋼穩定生產。首鋼京唐半鋼脫磷轉爐脫磷率提高6.99%，常規轉爐終點磷平均降至0.006%，實現噸鋼渣量減少7.8kg、石灰消耗減少1.5kg。

　　鋼水中氮的深度脫除和穩定控制是生產高品質鋼的技術瓶頸。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氣泡數量有限，多數轉爐穩定脫氮極限約在17ppm，無法保證超低氮鋼穩定生產，成為我國高端制造業金屬材料的“卡脖子”環節。

　　項目團隊系統研究了CO2、Ar、N2氣泡在鋼液內的上浮運動和轉變規律，發現CO2-CO氣泡有利于打破氮原子傳質的界面阻礙，脫氮表觀速率常數是Ar的9.6倍，CO2反應生成CO是O2的2.3倍，增量的CO氣泡成為鋼液脫氮的重要動力。獨創了煉鋼過程噴吹CO2吸附深度穩定脫氮技術，開發了CO2-Ar動態底吹裝備系統及工藝控制模型，實現了鋼中氮的高效穩定脫除，是高品質鋼潔凈化生產技術的重要創新。

　　本創新技術在首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司完成了工業應用，取得了良好的穩定控氮效果，轉爐出鋼氮含量從17ppm穩步降低至11ppm，氮含量波動幅度減小了35%，實現了高端汽車板用鋼的穩定生產。創新技術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，并以此為契機開發了高品質低氮特鋼品種。

　　抑制鋼水過氧化是煉鋼生產工藝的技術難點，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，且脫氧產物帶來的夾雜物易造成鋼鐵質量缺陷。

　　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%。發明了轉爐CO2-O2混合頂吹稀釋強化氧調控技術及動態預報軟件，利用高比例CO2進行終點強攪拌，顯著減少了鋼液過氧化，是轉爐煉鋼終點控制方法的重要突破。

　　本創新技術在首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，取得了顯著降低鋼水過氧化的效果，轉爐終點碳氧積降至＜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。電弧爐煉鋼應用本技術后，冶煉終點平均碳氧積降低了3-5×10-4，推動了高品質特鋼產品質量提升。創新已甘肅酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司多家企業應用。

　　頂底復吹工藝能改善煉鋼熔池的反應動力學條件，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和，爐底壽命無法與爐齡同步，安全風險長期存在。企業只能采用小流量底吹維持元件壽命，嚴重影響了底吹氣體攪拌效益的發揮，甚至部分轉爐因安全考慮放棄使用底吹工藝，無奈接受煉鋼指標惡化的后果。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指標的全面提升。

　　項目團隊系統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吸熱作用，冷卻效果是Ar的10倍左右，發明了CO2-Ar動態切換及混合底吹工藝，利用CO2的物理-化學冷卻和增殖攪拌功能，解決了底吹元件的氧化侵蝕問題，實現了強攪拌下的底吹長壽，是煉鋼復合吹煉技術的重要突破。

　　應用后轉爐底吹流量增加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雙聯轉爐完成了項目工業示范和國家驗收，建成了國內外首套煉鋼專用“石灰窯尾氣回收CO2系統”工程，成功解決了“工業尾氣→CO2回收→煉鋼利用”流程中多項工程難題，形成了鋼鐵行業CO2循環利用標準（YB）體系，實現了CO2綠色潔凈煉鋼技術的集成應用。本項目工業應用后，各工藝合計CO2利用5.09Nm3/t，實現轉爐煉鋼煙塵產生量減少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，實現了轉爐煉鋼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

　　“工業尾氣→CO2回收→煉鋼利用”的CO2工業大規模利用新途徑

　　作為中國金屬學會重點成果轉化與推廣項目，本項目已在多家鋼鐵企業成功應用，近三年惠及鋼產量3879.2萬噸，實現工業CO2利用31.5萬噸，粉塵減少10.3萬噸，爐渣減少24.5萬噸，節約鋼鐵料增產7.0萬噸，減少脫氧合金用量4500噸。項目實現了煉鋼固廢污染物源頭減量和冶金指標的綜合提升，三年共計節能20.5萬噸標準煤，實現CO2減排86.0萬噸；煉鋼脫磷、脫氮、控氧效果明顯改善，帶來了顯著的經濟及社會效益，三年新增產值4.24億元，增收節支3.14億元。項目技術可服務于我國80%以上煉鋼產能，實現全行業大規模應用。

　　“二氧化碳綠色潔凈煉鋼技術及應用”是項目團隊的開創性研究成果，國內外鮮有CO2應用于煉鋼的應用報道。本項目通過對CO2冶金反應特性的研究和利用，掌握了多項顛覆傳統煉鋼技術的工藝方式，取得了顯著的效果。與傳統煉鋼工藝相比，本項目顯著提升了煉鋼技術水平，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上全面占優。項目共獲發明專利授權18件、美國、歐盟專利2件，國際PCT專利2件，完成行業標準5部、出版《二氧化碳煉鋼理論與實踐》專著1部，發表學術論文66篇。

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

　　項目已通過工業和信息化部“原材料工業20大低碳技術”的第一輪評選，并成功入選了2020年河北省低碳技術推廣目錄。《世界金屬導報》“2018年世界鋼鐵工業十大技術要聞”指出：該技術首次提出將CO2資源化應用于煉鋼的方法，是一項重大技術發明，建立健全了CO2煉鋼理論體系，在實現節能減排及潔凈化冶煉的同時，完成CO2的資源化應用。

　　本項目示范引領作用顯著，開創了CO2在鋼鐵行業內高質化利用的先河，首次形成了鋼鐵行業CO2資源化利用的標準體系，是溫室氣體CO2利用及減排方法的創新。依托項目成立了“二氧化碳科學研究中心”，形成“產-學-研-用”合作集群，為CO2在全冶金領域擴展利用提供了強力支撐。

　　本項目作為“中國低碳原創技術”，促進了我國鋼鐵工業綠色低碳技術的發展，我國每年將減少煉鋼固體污染物產生1000萬噸，溫室氣體減排2600萬噸，成為建設“碳中和”國家的重要助力，為打贏“藍天、碧水、凈土”保衛戰提供了重要技術保障，全面彰顯了“中國創造”對世界鋼鐵行業節能減排的突出貢獻。