繼京都議定書、巴黎氣候峰會之後
，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(wo)國(guo)處(chu)於(yu)由(you)高(gao)速(su)增(zeng)長(chang)邁(mai)向(xiang)高(gao)質(zhi)量(liang)發(fa)展(zhan)轉(zhuan)變(bian)的(de)關(guan)鍵(jian)時(shi)期(qi)，技(ji)術(shu)創(chuang)新(xin)是(shi)實(shi)現(xian)高(gao)質(zhi)量(liang)發(fa)展(zhan)的(de)強(qiang)大(da)動(dong)能(neng)。如(ru)何(he)解(jie)決(jue)鋼(gang)鐵(tie)生(sheng)產(chan)汙(wu)染(ran)物(wu)排(pai)放(fang)問(wen)題(ti)，並(bing)提(ti)供(gong)高(gao)品(pin)質(zhi)的(de)鋼(gang)鐵(tie)產(chan)品(pin)，是(shi)我(wo)國(guo)鋼(gang)鐵(tie)工(gong)業(ye)實(shi)現(xian)行(xing)業(ye)轉(zhuan)型(xing)升(sheng)級(ji)的(de)核(he)心(xin)命(ming)題(ti)。我(wo)國(guo)煉(lian)鋼(gang)工(gong)序(xu)每(mei)年(nian)產(chan)生(sheng)超(chao)過(guo)2000萬噸的煉鋼煙塵。廣泛采用的煉鋼煙塵後處理方式能耗高，難度大，給企業帶來巨大的負擔
；liangangyanchenzhongdeweixikelinanyitongguochuchenxitongchujing，chengweijiazhongwumaichanshengdeyinsuzhiyi。ruhecongyuantoushangjianshaoliangangyanchen，shixianqiyuantouyizhishijidaipojiedeshijienanti。

　　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、yangdeshendutuochujijiejinghuajingzhunkongzhi，yuelaiyuechengweigaozhilianggangtiechanpinshengchandejishunanti。zhuanluzuoweigangtieshengchanliuchengdehexinzhuangbei，jixukuayueshidejishubiange。yelianqianqigui、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
，後續精煉負擔重、能耗高。

　　轉爐複吹煉鋼工藝能在一定程度上改善熔池的反應動力學條件，有利於鋼水脫磷
、脫氮
、控kong氧yang，減jian少shao終zhong點dian鋼gang水shui過guo氧yang化hua和he渣zha量liang消xiao耗hao。但dan由you於yu底di吹chui大da流liu量liang強qiang攪jiao拌ban和he透tou氣qi元yuan件jian長chang壽shou之zhi間jian的de矛mao盾dun一yi直zhi無wu法fa調tiao和he，煉lian鋼gang爐lu底di吹chui使shi用yong壽shou命ming無wu法fa與yu爐lu齡ling同tong步bu，安an全quan風feng險xian長chang期qi存cun在zai，嚴yan重zhong影ying響xiang了le底di吹chui氣qi體ti攪jiao拌ban效xiao益yi的de發fa揮hui。

　　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麵上項目的持續支持，以CO2利用、固廢減量

、鋼質潔淨
、降本增效為目標，開發了二氧化碳利用於煉鋼工藝的原創技術，發現並掌握了CO2具有的反應冷卻
、氣泡增殖
、弱氧化、強衝擊等獨有特性，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規模化消納利用路徑。

二氧化碳綠色潔淨煉鋼技術及應用

　　二主要創新內容

　　項目團隊提出了“二氧化碳綠色潔淨煉鋼技術及應用”項目，從煉鋼過程抑製煙塵
、高效脫磷、穩定脫氮
、強化控氧和底吹長壽等方麵入手，解決了煉鋼煙塵和爐渣固廢源頭減量，鋼水磷、氮、氧潔淨控製的諸多煉鋼工藝難題，先後發明了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
、鋼質潔淨


、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係統除淨，成為霧霾產生的因素之一。我國煉鋼煙氣除塵後處理方式，每年耗能高達90億kgce，並額外增加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
；caiyongduifanghuotianmaifangshi，zaochengziyuanlangfei，bingkenengxiangturangzhuanyishenzhifashengzhongjinshuwuran。congyuantoushangyizhiliangangyanchendechanshengjiangjuyouzhongdadejingjixiaoyihehuanjingyiyi。

　　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”混合作用產生機製
，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製鐵蒸發的思路
，將CO2氣體用於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，配套研製了CO2-O2混合噴吹係統及裝置
，製定了鋼鐵行業CO2-O2氣體混合利用標準。穩定控製了火點區溫度低於鐵的沸點(2750℃)，減少煉鋼煙塵產生，將煉鋼煙塵由完全依靠後處理轉變為前抑製，打破了煉鋼煙塵傳統治理的方式。

　　完成了CO2資源化應用於300t轉爐的國家示範工程，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(tuo)磷(lin)是(shi)煉(lian)鋼(gang)最(zui)重(zhong)要(yao)任(ren)務(wu)之(zhi)一(yi)，是(shi)冶(ye)煉(lian)高(gao)品(pin)質(zhi)鋼(gang)的(de)技(ji)術(shu)難(nan)點(dian)。隨(sui)著(zhe)低(di)磷(lin)及(ji)超(chao)低(di)磷(lin)鋼(gang)品(pin)種(zhong)需(xu)求(qiu)的(de)增(zeng)加(jia)，對(dui)煉(lian)鋼(gang)脫(tuo)磷(lin)提(ti)出(chu)了(le)更(geng)高(gao)要(yao)求(qiu)。轉(zhuan)爐(lu)冶(ye)煉(lian)中(zhong)矽(gui)
、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(re)力(li)學(xue)條(tiao)件(jian)，同(tong)時(shi)鋼(gang)渣(zha)攪(jiao)拌(ban)動(dong)力(li)不(bu)足(zu)
，造(zao)成(cheng)終(zhong)點(dian)磷(lin)含(han)量(liang)偏(pian)高(gao)，深(shen)度(du)脫(tuo)磷(lin)困(kun)難(nan)。雙(shuang)渣(zha)法(fa)或(huo)雙(shuang)聯(lian)法(fa)雖(sui)在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang)解(jie)決(jue)了(le)煉(lian)鋼(gang)脫(tuo)磷(lin)的(de)問(wen)題(ti)，但(dan)易(yi)受(shou)節(jie)奏(zou)及(ji)工(gong)藝(yi)條(tiao)件(jian)等(deng)諸(zhu)多(duo)限(xian)製(zhi)，也(ye)帶(dai)來(lai)了(le)煉(lian)鋼(gang)渣(zha)量(liang)和(he)成(cheng)本(ben)增(zeng)加(jia)。

　　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%、增加射流衝擊麵積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
，製定了轉爐頂吹CO2用於脫磷的工藝標準，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。

　　本創新技術先後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製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於20ppm，由於Ar氣泡脫氮能力不足和冶煉後期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，成為我國高端製造業金屬材料的“卡脖子”環節。

　　項目團隊係統研究了CO2、Ar、N2氣泡在鋼液內的上浮運動和轉變規律，發現CO2-CO氣泡有利於打破氮原子傳質的界麵阻礙
，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動態底吹裝備係統及工藝控製模型
，實現了鋼中氮的高效穩定脫除
，是高品質鋼潔淨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製造有限公司、新餘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，並以此為契機開發了高品質低氮特鋼品種。

　　抑製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含量急劇減少後，熔池失去了CO氣qi泡pao的de攪jiao拌ban效xiao益yi
，隻zhi能neng單dan純chun依yi靠kao超chao音yin速su射she流liu的de物wu理li衝chong擊ji帶dai動dong熔rong池chi流liu動dong，造zao成cheng鋼gang水shui過guo氧yang化hua嚴yan重zhong。因yin金jin屬shu元yuan素su氧yang化hua，我wo國guo每mei年nian直zhi接jie燒shao損sun鋼gang鐵tie料liao約yue3000萬噸，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，是轉爐煉鋼終點控製方法的重要突破。

　　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%
，對於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後
，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。

　　頂底複吹工藝能改善煉鋼熔池的反應動力學條件，有利於鋼水脫磷、脫氮、kongyang，jianshaozhongdianguoyanghuahezhaliangxiaohao，danyinweidichuidaliuliangjiaobanhetouqiyuanjianchangshouzhijiandemaodunyizhiwufatiaohe
，ludishoumingwufayululingtongbu，anquanfengxianchangqicunzai。qiyezhinengcaiyongxiaoliuliangdichuiweichiyuanjianshouming，yanzhongyingxiangledichuiqitijiaobanxiaoyidefahui
，shenzhibufenzhuanluyinanquankaolvfangqishiyongdichuigongyi
，wunaijieshouliangangzhibiaoehuadehouguo。runengzaibaozhengdichuijiaobanqiangdudeqiantixia，jiejuedichuiyuanjiandechangshouwenti
，jiangdailailianganggongyijishuzhibiaodequanmiantisheng。

　　項目團隊係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，是煉鋼複合吹煉技術的重要突破。

　　應用後轉爐底吹流量增加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範和國家驗收
，建成了國內外首套煉鋼專用“石灰窯尾氣回收CO2係統”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）體係，實現了CO2綠色潔淨煉鋼技術的集成應用。本項目工業應用後
，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製和綜合減量10.2kg/t


，減輕了後處理壓力。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製備淨化工程示範

　　“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汙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。項目技術可服務於我國80%以上煉鋼產能
，實現全行業大規模應用。

　　“二氧化碳綠色潔淨煉鋼技術及應用”是項目團隊的開創性研究成果，國內外鮮有CO2應用於煉鋼的應用報道。本項目通過對CO2冶(ye)金(jin)反(fan)應(ying)特(te)性(xing)的(de)研(yan)究(jiu)和(he)利(li)用(yong)
，掌(zhang)握(wo)了(le)多(duo)項(xiang)顛(dian)覆(fu)傳(chuan)統(tong)煉(lian)鋼(gang)技(ji)術(shu)的(de)工(gong)藝(yi)方(fang)式(shi)

，取(qu)得(de)了(le)顯(xian)著(zhu)的(de)效(xiao)果(guo)。與(yu)傳(chuan)統(tong)煉(lian)鋼(gang)工(gong)藝(yi)相(xiang)比(bi)，本(ben)項(xiang)目(mu)顯(xian)著(zhu)提(ti)升(sheng)了(le)煉(lian)鋼(gang)技(ji)術(shu)水(shui)平(ping)

，在(zai)終(zhong)點(dian)氮(dan)含(han)量(liang)
、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麵占優。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於“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作為資源應用於煉鋼，減少了金屬的蒸發及煙塵量
，實現CO2煉鋼脫磷、脫氮和控製鋼水過氧化，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
，並成功入選了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資源化應用於煉鋼的方法，是一項重大技術發明，建立健全了CO2煉鋼理論體係
，在實現節能減排及潔淨化冶煉的同時，完成CO2的資源化應用。

　　本項目示範引領作用顯著，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係
，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汙染物產生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、淨土”保衛戰提供了重要技術保障
，全麵彰顯了“中國創造”對世界鋼鐵行業節能減排的突出貢獻。