一、技术背景和研发思路
在京都议定书和巴黎气候峰会之后，我国政府在联合国大会及气候雄心峰会上郑重作出誓言，即力争在2030年之前将二氧化碳排放量控制在峰值，并致力于在2060年之前实现碳中和的目标。依据数据，我国钢铁行业每年排放的二氧化碳量超过19.6亿吨，这一数字约占全国温室气体排放总量的15%。为了降低钢铁生产中的二氧化碳排放，探索在钢铁生产过程中实现二氧化碳的规模化自我消化，对于我国早日实现“碳中和”目标，切实履行国际大国责任，具有至关重要的推动作用。
我国正处在从高速增长向高质量发展转型的关键阶段，技术创新成为推动这一进程的重要动力。在此背景下，如何有效解决钢铁生产中的污染物排放问题，并生产出高质量的钢铁产品钢材物流企业增收节支，成为了我国钢铁行业实现转型升级的核心挑战。据统计，我国炼钢工序每年排放的炼钢烟尘总量超过2000万吨。炼钢过程中广泛使用的烟尘后处理技术，其能耗较高，实施难度也较大，对企业造成了沉重的负担；炼钢产生的烟尘中包含的细微颗粒，难以被除尘系统完全清除，这成为了加剧雾霾问题的重要因素之一。如何从源头减少炼钢烟尘的产生，实现其根本控制，已成为一个亟待解决的国际性难题。
社会对钢铁材料品质的高标准要求不断上升，对磷、氮、氧的深度去除以及精确的净化控制变得愈发关键，这已成为生产高品质钢铁产品的技术挑战。转炉，作为钢铁生产链中的关键设备，迫切需要实现技术上的重大突破。冶炼初期，硅、锰、碳等元素的氧化反应剧烈放热，导致熔池温度迅速且无序上升，这破坏了高效脱磷所需的低温热力学环境，使得深度脱磷变得尤为困难。尽管双渣法或双联法在一定程度上缓解了炼钢脱磷的问题，但同时也增加了炼钢渣的产量和成本。此外，底吹Ar气泡脱氮效果不佳，难以确保超低氮钢的稳定生产。在冶炼后期，熔池失去了CO气泡的搅拌作用，钢水中氧含量常常超标。我国每年消耗的脱氧剂若按铝计算，大约为40万吨，而脱氧产物中含有的大量夹杂物容易导致钢铁质量缺陷，给后续的精炼过程带来沉重负担和高能耗问题。
转炉复吹炼钢技术有助于优化熔池内的反应动力学环境，这对钢水脱除磷、氮以及控制氧含量十分有利，同时也有助于降低钢水在终点时的过氧化程度和减少炉渣的消耗。然而，由于底吹大流量强搅拌与透气元件使用寿命长之间的冲突始终无法解决，导致炼钢炉底吹部分的使用寿命难以与整体炉龄保持一致，长期存在的安全隐患严重制约了底吹气体搅拌效果的充分发挥。
自2004年开始，项目团队在国家科技支撑计划、国家自然科学基金重点及面上项目的连续资助下，致力于CO2的利用、固废的减少、钢质纯净度的提升以及成本效益的优化，成功研发了将二氧化碳应用于炼钢工艺的创新技术。他们揭示了CO2的独特性质，如反应冷却、气泡增多、弱氧化和强冲击等，并实现了这些特性与炼钢工艺的完美融合。这一技术解决了炼钢过程中脱磷、脱氮、控氧和底吹长寿等多项难题，为炼钢过程中CO2的大规模消纳和利用开辟了新的途径。
二氧化碳绿色洁净炼钢技术及应用
二、主要创新内容
项目团队推出了“二氧化碳绿色洁净炼钢技术及应用”项目，针对炼钢过程中烟尘的抑制、高效脱磷、稳定脱氮、强化控氧以及底吹寿命的延长等问题，成功解决了炼钢烟尘和炉渣固废的源头减量问题，并在钢水磷、氮、氧的洁净控制上攻克了多个炼钢工艺难题。他们相继研发了CO2-O2混合喷吹炼钢降尘技术、CO2控温高效脱磷技术、CO2吸附深度稳定脱氮技术、CO2稀释强化控氧技术以及CO2强化底吹安全长寿成套技术，最终实现了炼钢过程的节能减排、钢质洁净以及降本增效的目标。具体创新内容如下：
1.CO2-O2混合顶吹炼钢降尘技术
每生产一吨合格的钢水，大约会产生20到30公斤的烟尘。以我国2019年的钢产量9.96亿吨为基准，烟尘总量高达2000到3000万吨。特别是炼钢过程中产生的微细粉尘，难以通过除尘系统完全清除，这成为了雾霾形成的一个重要原因。在我国，炼钢烟气经过除尘处理，每年所需的能耗高达90亿千克标准煤当量，同时还会额外排放出2250万吨的二氧化碳。炼钢过程中产生的烟尘往往含有大量有害成分，这些成分难以通过循环利用的方式进行处理；若采取堆放或填埋手段，不仅会导致资源浪费，还可能使有害物质渗入土壤，甚至引发重金属污染。因此，从源头控制炼钢烟尘的产生，对于实现经济效益和环境效益都具有极为重要的意义。
项目团队深入剖析了炼钢过程中烟尘形成的原理及其演变规律，阐明了转炉烟尘通过“蒸发-气泡”的复合作用而形成的机制，并证实了高温下铁的蒸发是烟尘形成的关键因素，其占比高达烟尘总量的70-80%。首次提出了通过降低火点区温度来有效抑制铁蒸发的创新理念，引入CO2气体至炼钢流程中，以减少烟尘排放，创造了转炉CO2-O2混合喷吹炼钢降尘技术，并同步研发了CO2-O2混合喷吹系统与相关装置，同时制定了钢铁行业CO2-O2气体混合使用的行业标准。成功将火点区温度稳定控制在低于铁的熔点（2750℃）的水平，有效降低了炼钢过程中烟尘的产生，实现了从依赖后处理向预先抑制的转变，从而颠覆了炼钢烟尘的传统处理模式。
成功实施了将CO2资源化应用于300吨转炉的国家示范项目，并且在该项目中实现了CO2与O2混合顶吹炼钢技术的应用与广泛推广。成功降低了炼钢过程中烟尘的源头排放量达9.95%，烟尘中的铁含量减少了12.98%，钢铁原料消耗减少了4.09公斤每吨，每吨钢材的煤气产量增加了5.57立方米，煤气中的CO浓度提升了3.73%，这些成果验证了CO2-O2混合喷吹技术在减少炼钢烟尘生成方面的工业应用效果显著。
2.CO2控温高效脱磷技术
炼钢过程中，脱磷是至关重要的环节，同时也是制造优质钢材的技术挑战。面对低磷和超低磷钢材品种需求的不断上升，对炼钢脱磷技术的要求也随之提高。在转炉冶炼过程中，硅、锰、碳等元素的剧烈氧化反应释放出大量热量，导致熔池温度迅速且无序上升，这破坏了高效脱磷所需的低温热力学环境。此外，钢渣搅拌动力不足，使得终点磷含量偏高，从而加大了深度脱磷的难度。双渣法与双联法虽能在一定程度上缓解炼钢过程中的脱磷难题，然而，它们的使用却受到节奏和工艺条件等多方面的制约，同时，也导致了炼钢过程中产生的废渣量上升以及成本的增加。
项目团队揭示了CO2喷吹在减缓熔池升温及增强熔池搅拌方面的作用机理，观察到CO2与O2的混合顶吹能够将最佳脱磷温度的持续时间延长20%，同时扩大射流冲击面积36%。他们还创新性地提出了CO2-O2混合顶吹熔池的“升温-控温”热平衡模型，开发了CO2比例分段动态调控技术，制定了转炉顶吹CO2脱磷的工艺规范，构建了适用于不同钢种的双联脱磷模式及阶梯式脱磷策略，确保了CO2控温脱磷的高效性，并成功突破了炼钢深脱磷技术难题的长期制约。
这项创新技术已分别在两地顺利投入使用，有效确保了超低磷钢的持续稳定生产。在首钢京唐，半钢脱磷转炉的脱磷效率提升了6.99%，而常规转炉的终点磷含量平均下降到了0.006%，同时实现了每吨钢渣量降低7.8公斤、石灰消耗减少1.5公斤的目标。
3.CO2吸附深度稳定脱氮技术
钢水中氮的深度去除及稳定调控是制造优质钢材的关键难题。对于高端汽车用板等，成品钢材的氮含量需控制在20ppm以下，然而，由于氩气气泡的脱氮效果有限，以及冶炼后期一氧化碳气泡的数量有限，大多数转炉的稳定脱氮水平大约在17ppm左右，这导致无法确保超低氮钢材的稳定生产，从而成为我国高端制造业金属材料领域的一个“瓶颈”问题。
项目团队对CO2、Ar、N2气泡在钢液中的上升行为及其变化规律进行了深入探究，结果表明，CO2-CO气泡有助于消除氮原子传输的障碍，其脱氮的表观速率常数是Ar的9.6倍，而CO2转化为CO的效率是O2的2.3倍，这些新增的CO气泡对钢液中的脱氮过程起到了关键推动作用。成功研发了炼钢过程中喷吹二氧化碳进行深度吸附以稳定脱氮的技术，同时构建了二氧化碳-氩气动态底吹装置系统及相应的工艺控制模型，有效实现了钢铁中氮元素的稳定高效去除，这一成果标志着高品质钢材洁净生产技术领域的一项重大创新。
这项技术已在工业领域得到应用，并展现了优异的稳定控氮性能，转炉产出钢的氮含量由17ppm逐步降至11ppm，氮含量波动范围缩小了35%，确保了高端汽车用钢的稳定生产。该创新技术已成功推广至电弧炉领域。全废钢冶炼的终点氮含量降至43ppm，成功攻克了电弧炉脱氮难题，长期困扰的问题得以解决，同时，也借此机会研发出了高品质低氮特钢新品。
4.CO2稀释强化控氧技术
控制钢水中的过氧化现象是炼钢过程中的技术挑战，特别是在接近冶炼结束阶段，随着钢水中C含量的急剧下降，熔池因缺乏CO气泡的搅拌作用而变得不稳定，此时只能依赖超音速射流的物理冲击力来推动熔池流动，这往往会导致钢水过氧化问题加剧。金属元素的氧化导致我国每年有大约3000万吨的钢铁料直接被烧毁，此外，为了进行脱氧处理，我们每年还需消耗约40万吨的铝，而且脱氧过程中产生的夹杂物还容易引发钢铁质量的瑕疵。
项目团队深入探究了二氧化碳气体的轻微氧化稀释效果及其在降低一氧化碳分压方面的效能，并掌握了顶吹二氧化碳-氧气射流的调节特性；在熔池低碳的环境下钢材物流企业增收节支，一氧化碳的分压能够减少21.5%，而射流的动能则能够提升8%。成功研发了转炉CO2-O2混合顶吹稀释强化氧调控技术以及相应的动态预报软件，通过高比例CO2的终点强搅拌应用，有效降低了钢液过氧化现象，这一成果标志着转炉炼钢终点控制技术领域的重要进展。
该技术在降低钢水过氧化方面效果显著，成功将转炉终点碳氧积降至小于0.0015，使渣中的TFe含量减少了4.59%，并且对于超低碳汽车板等产品的终点氧含量也实现了大幅降低。在电弧炉炼钢过程中采用此技术，冶炼终点的平均碳氧积进一步下降了3至5×10^-4，从而促进了高品质特钢产品质量的提升。目前，这项创新技术已被多家企业采纳应用。
5.CO2强化底吹安全长寿成套技术
顶底复吹技术能够优化炼钢熔池中的反应动力学环境，有助于钢水去除磷、氮，控制氧气含量，降低终点过氧化程度和炉渣消耗量。然而，由于底吹大流量搅拌与透气元件使用寿命之间的冲突始终难以解决，导致炉底的使用寿命无法与炉龄保持一致，安全隐患长期存在。企业只得通过小流量底吹来延长元件的使用寿命，这极大地削弱了底吹气体搅拌的效果，甚至导致一些转炉出于安全因素的考量，不得不放弃底吹工艺，只能无奈地承受炼钢指标恶化的不良影响。若能在确保底吹搅拌强度不变的情况下，成功解决底吹元件的耐久性问题，必将推动炼钢工艺技术指标的全面进步。
项目团队对炼钢底吹元件的腐蚀原理进行了深入探究，并成功掌握了镁碳耐火材料在氧化脱碳过程中的行为规律，同时揭示了钢水和气泡对底吹元件的机械侵蚀作用。验证了底吹CO2具备显著的物理冷却及化学吸热特性，其冷却效能约为氩气的十倍，创新性地提出了CO2-Ar动态切换与混合底吹技术，借助CO2的物理与化学冷却以及搅拌增强作用，成功克服了底吹元件的氧化腐蚀难题，确保了在强搅拌条件下的底吹设备长期稳定运行，这标志着炼钢复合吹炼技术的重大进展。
后转炉底吹流量增幅达到60%，搅拌力度提高至2至3倍，底吹效果的使用寿命延长了50%，与炉龄保持一致，从而实现了优异的综合冶金效果。
三、项目应用和推广情况
2016年，该300吨双联转炉项目顺利通过了工业示范及国家验收。我国首座炼钢专用“石灰窑尾气回收CO2系统”工程宣告建成，填补了国内外空白。该系统成功攻克了“工业尾气处理、CO2回收以及炼钢利用”流程中的多个技术难关。在此基础上，钢铁行业CO2循环利用标准（YB）体系得以建立，实现了CO2绿色洁净炼钢技术的集成与应用。项目投产后，各项工艺共同作用，CO2的利用率达到了5.09Nm3/t；转炉炼钢过程中烟尘排放量减少了9.95%；石灰造渣材料的消耗量降低了1.5kg/t；炉渣中的TFe含量下降了3.59%；每吨钢的炉渣减少了7.8kg；成功实现了炼钢过程中固废的源头控制和总量减少10.2kg/t，从而减轻了后续处理环节的压力。采用钢铁生命周期评估方法（LCA）对能源消耗进行评估，铁料使用量减少4.09千克每吨，煤气中的一氧化碳（CO）浓度上升3.73%，回收量增加5.57立方米每吨，转炉炼钢过程中CO2的利用率达到10.08千克每吨钢，吨钢生产过程中的能耗下降了6%，同时温室气体排放量减少了26.28千克每吨钢。
首钢京唐石灰窑尾气回收CO2制备净化工程示范
工业尾气经过处理转化为CO2，随后这一二氧化碳被回收并用于炼钢过程，从而开辟了一条CO2在工业领域大规模应用的新路径。
本项成果系中国金属学会着力推动的转化与推广项目，已在众多钢铁企业中取得显著成效；过去三年间，它为我国钢产量带来了3879.2万吨的增长，促进了31.5万吨工业CO2的利用，降低了10.3万吨粉尘排放，减少了24.5万吨炉渣产生，节约了7.0万吨钢铁料，并减少了4500吨脱氧合金的使用。该项目成功降低了炼钢过程中的污染物排放，并提高了冶金指标，三年累计节约了20.5万吨标准煤，CO2排放量减少了86.0万吨；炼钢环节的脱磷、脱氮和控氧效果显著增强，带来了显著的经济和社会效益，三年内新增产值达到4.24亿元，增收节支共计3.14亿元。该技术能够服务于我国80%以上的炼钢产能，有望在全行业实现大规模应用。
四、项目成果和科技评价
项目团队的研究成果为“二氧化碳绿色洁净炼钢技术及应用”，这一领域在国际上尚属罕见，鲜有关于CO2在炼钢过程中应用的报道。通过深入研究CO2的冶金反应特性并加以应用，项目团队掌握了多项创新工艺，这些工艺对传统炼钢技术产生了颠覆性影响，并取得了显著的成效。与传统炼钢方法相较，本工程大幅提高了炼钢技术水准，在氮含量、渣中铁含量、碳氧积、底吹供气强度以及底吹使用寿命等多个关键指标上均展现出明显优势。项目成功获得18项发明专利授权，以及2项美国和欧盟专利，2项国际PCT专利，还制定了5项行业标准，出版了《二氧化碳炼钢理论与实践》专著，并发表了66篇学术论文。
2018年，中国金属学会举办了“二氧化碳在炼钢中资源化利用技术”的科技成果评审会议。在会上，专家评审委员会达成共识：该技术将CO2转化为炼钢资源，有效降低了金属蒸发和烟尘排放，实现了CO2在炼钢过程中的脱磷、脱氮和钢水过氧化控制，同时延长了底吹寿命。该技术及其理论创新显著，实现了废物的资源化利用，一举两得，达到了国际领先水平。
该项目已顺利通过工业和信息化部对“原材料工业20大低碳技术”的初次筛选，并且荣幸地被纳入了2020年河北省发布的低碳技术推广名单之中。《世界金属导报》在“2018年世界钢铁工业十大技术要闻”中提到，这项技术首次将CO2资源化技术引入炼钢领域，被视为一项重要的技术突破。它不仅构建了CO2炼钢的理论框架，而且在推进节能减排和清洁冶炼的过程中，实现了CO2的资源化利用。
本项目的示范效应十分突出，在钢铁行业开启了CO2高质量应用的先河，并首次构建了钢铁行业CO2资源化利用的规范体系，代表了温室气体CO2利用和减排技术的创新。项目基础上成立了“二氧化碳科学研究中心”，打造了“生产-学习-研究-应用”的合作网络，为CO2在冶金全领域的广泛应用提供了强有力的支持。
本项目被誉为“中国低碳原创技术”，有力推动了我国钢铁工业向绿色低碳方向迈进。我国由此每年可减少炼钢过程中产生的固体污染物1000万吨，并实现温室气体减排2600万吨。这不仅是构建“碳中和”国家战略的重要支撑，也为“蓝天、碧水、净土”保卫战提供了坚实的技术保障。此举充分展现了“中国创造”在钢铁行业节能减排方面所做出的卓越贡献。
