VOD炉尾气中CO2、CO‑Ar循环喷吹的炼钢装置的制作方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，涉及VOD炉尾气中CO₂、CO-Ar循环喷吹的炼钢装置。

背景技术：

目前，VOD真空精炼炉是钢铁生产中真空精炼设备之一，冶炼低碳或者超低碳钢种，主要但并不仅限于不锈钢生产。传统VOD真空精炼炉的生产过程为：①首先将钢包密封在真空室内，使用抽气泵并对室内抽真空，从而降低钢水所处环境压力，促进钢水中N和H等气体元素的脱除；②利用超音速氧枪，在真空室内对钢液进行顶吹O₂进行真空氧脱碳，在选择性氧化原理的作用下，保护合金元素并促进脱碳反应深入进行；③停止吹氧，钢液中剩余碳和氧元素继续反应，实现钢水深脱氧；④所有操作结束后破真空，将钢包移除真空室，VOD真空处理过程完毕。整个VOD处理过程中，全程底吹Ar气搅拌，改善冶金反应动力学条件，提高冶金反应速率。

VOD真空精炼能实现钢水大量脱碳，并能有效的脱除钢水中的O、N和H等杂质元素，但是传统的VOD冶炼工艺存在以下问题：①VOD真空精炼处理过程中，需要消耗大量的Ar气，使用成本较高；②使用氧气作为氧化剂，从而在VOD处理中期钢水氧含量较高，在停止吹氧后，需进行较长时间的真空碳脱氧处理，冶炼周期相应延长，冶炼效率较低。

本申请人在相关研究中发现，使用CO₂与O₂混合作为VOD顶吹气源，可在保证完成脱碳任务的同时，降低钢水的氧含量，从而缩短VOD处理时间，并提高钢水质量。目前钢铁企业中缺乏稳定的CO₂气体来源，制约着该研究成果的工业应用。

VOD真空处理过程中，尤其是在获得稳定真空以后，VOD尾气中含有很高浓度的Ar气、CO气和CO₂气，但传统的VOD均未有效利用，仅选择直接排放或简单处理后排放。

目前常用的O₂气体、Ar气体和CO₂气体的分离方法主要有为空气液化分离精馏法、变压吸附法和化学分离法等。各方法为了获得较纯净气体，往往造成气体分离效率下降、生产成本升高等问题。如果可以将气体简单分离（不完全分离）后直接用于炼钢生产，并能满足炼钢工艺的全部要求，将能极大降低气体制备难度，从而降低炼钢生产成本。

技术实现要素：

针对以上问题，本专利提供了一种VOD真空精炼炉尾气循环喷吹炼钢方法，首先将VOD尾气进行检测，并将符合要求的尾气进行过滤、除水、压缩和分离，获得CO₂气体和CO-Ar混合气，并使用气罐存储；然后将CO₂气循环应用于VOD炉顶吹脱碳，而CO-Ar混合气循环用于VOD炉的底吹搅拌。

本发明的技术方案是：VOD炉尾气中CO₂、CO-Ar循环喷吹炼钢装置，该装置包括VOD真空精炼炉和尾气循环处理装置，所述VOD真空精炼炉包含装置有：真空室1、钢包2、顶吹氧枪和升降机构3、O₂气源4、O₂流量控制阀组5、真空泵6、尾气处理排放装置7、底吹Ar透气喷嘴8、Ar气源9、Ar流量控制阀组10。钢包置于真空室内，真空室顶部炉盖安装有顶吹氧枪及升降机构，氧气由氧气气源供应，由管道P1输送至氧气控制阀组控制，再经由管道P2输送至顶吹氧枪；钢包底部安装有底吹Ar透气喷嘴，Ar气由Ar气源供应，经由管道P3输送至Ar流量控制阀组，再经由管道P4输送至钢包底部喷嘴；真空泵与真空室由真空室侧壁布置的管道P5连接，真空泵后部通过管道P6连接至尾气排放装置。VOD精炼炉一般选用机械式真空泵或蒸汽喷射真空泵；

所述尾气循环处理装置包括气体分析仪11、尾气切换装置12、气体过滤除水器13、气体压缩分离装置14、CO₂气体储气罐15、CO₂流量控制阀组16、CO-Ar混合气体储气罐17、CO-Ar混合气流量控制阀组18、CO₂临时气源19。真空泵后部通过管道P7连接尾气切换装置，气体分析仪由管路P8在真空泵后部取气；尾气切换装置一路出口通过管路P6连接尾气处理排放装置，另一路出口通过管路P9连接至气体过滤除水器，再经由管路P10连接至气体压缩分离装置；尾气在气体压缩分离装置内分离为CO₂气和CO-Ar混合气体，CO₂气经由管道P11输送至CO₂气体储气罐，而CO-Ar混合气体经由管道P12输送至CO-Ar混合气体储气罐。CO₂气体由CO₂气体储气罐出发，经由管道P13输送至CO₂流量控制阀组控制，再经由管道P14输送至顶吹氧枪尾部，与氧气管路P2汇合；CO-Ar混合气由CO-Ar混合气体储气罐出发，经由管道P15输送至CO-Ar混合气气流量控制阀组控制，再经由管道P16输送至钢包底部喷嘴处，与Ar气管路P4汇合。CO₂气储气罐可使用CO₂临时气源，经由管路P17补充CO₂；CO-Ar气储气罐可经由Ar气源，经由管道P18补充Ar气。CO₂气储气罐内多余的CO₂气和CO-Ar气储气罐内多余的CO-Ar混合气可分别经由管道P19和P20输送至尾气处理排放装置。

所述尾气循环处理装置的基本要求和主要参数为：

(1)CO₂气储气罐内压力为0.3~2.5Mpa；

(2)CO₂流量控制阀组流量控制范围是50~200Nm³/min；

(3)CO-Ar混合气储气罐内压力为0.3~2.5Mpa；

(4)CO-Ar混合气流量控制阀组流量控制范围是20~1000NL/min；

(5)气体分析仪用于检测尾气中CO、CO₂、Ar、O₂和N₂浓度，监测精度为0.5‰；

(6)尾气切换装置可将VOD尾气流向在处理排放和循环回收间自由切换；

(7)气体过滤除水器可将尾气除尘脱水，处理后粉尘含量小于5mg/m³，露点低于0℃；

(8)气体压缩分离装置可将尾气简单分离为CO₂气和CO-Ar混合气，CO₂气中CO₂浓度大于99.5%，压力大于1.5Mpa；CO-Ar混合气中O₂浓度小于0.01%，CO₂浓度小于0.5%，N₂浓度小于0.5%，压力大于1.5Mpa。气体分离采用变压吸附法或化学法。因为CO₂气体的物理性质和化学性质均与CO气体和Ar气体存在较大差异，采用变压吸附法或化学法可以将CO₂气体单独分离，剩余气体即为CO-Ar混合气。

本专利方法冶炼过程分为：(1)钢包吊入抽真空阶段、(2)吹气脱碳阶段、(3)底吹脱氧阶段和(4)破真空钢包吊出阶段，各个阶段具体操作过程为：

(1)钢包吊入抽真空阶段：首先将钢包吊至真空室内，在此过程中钢包底吹Ar气体，底吹流量为50~200NL/min；然后真空室盖关闭后密封，底吹气体切换为CO-Ar混合气，底吹流量为50~200NL/min；真空泵开始抽气，将底吹气流量降低为30~150NL/min，真空室内压力持续下降。本阶段中VOD尾气中含有较高的N₂气和O₂气，而CO₂气和Ar气含量较低，尾气切换装置将尾气导向尾气处理排放装置方向，进行处理和排放。

(2)吹气脱碳阶段：真空室内压力达到0~133Pa后，进入吹气脱碳阶段，真空泵持续抽气保持压力为0~133Pa。吹气脱碳阶段分为脱碳前期(15~30min)和脱碳后期(5~20min)。脱碳前期：枪位为0.3~1.5m；喷吹流量为300~600NL/(min·t钢)；喷吹气体组成为：O₂ (50%~100%)、CO₂ (50%~0%)；底吹气体为CO-Ar混合气，底吹流量为50~200NL/min。脱碳后期：枪位为0.3~1.0m；喷吹流量为500~850NL/(min·t钢)；喷吹气体组成为：CO₂ (70%~100%)、O₂ (30%~0%)；底吹气体为CO-Ar混合气，底吹流量为80~300NL/min。本阶段中，VOD尾气成分为50%~60%的CO、13%~22%的Ar、18%~20%的CO₂，进行尾气检测和回收操作。

(3)底吹脱氧阶段：吹气脱碳阶段结束后，进入底吹脱氧阶段，真空泵持续抽气保持压力为0~133Pa。本阶段持续时间为20~50min，CO-Ar气由CO-Ar混合气储气罐供应；底吹流量保持为50~200NL/min。本阶段中，VOD尾气成分为24%~60%的CO、15%~78%的Ar、0%~18%的CO₂，进行尾气检测和回收操作。

(4)破真空钢包吊出阶段：脱氧期结束后，将底吹气切换为Ar，流量为50~400NL/min，破真空开启炉盖，将钢包吊出，完成处理过程。本阶段中VOD尾气中含有较高的N₂气和O₂气，而CO₂气和Ar气含量较低，尾气切换装置将尾气导向尾气处理排放装置方向，进行处理和排放。

在VOD冶炼吹气脱碳阶段和底吹脱氧阶段中，进行VOD尾气检测和回收操作，具体过程为：气体分析以检查尾气成分；当尾气中N₂或O₂高于5%时，尾气切换装置切换至尾气排放装置方向，尾气排放；当尾气成分中N₂或O₂低于5%时，尾气切换装置切换至尾气循环方向；尾气经过气体过滤除水器，脱除粉尘和水分后，进入气体压缩分离装置，将尾气分离为CO₂气体和CO-Ar混合气，并分别输送至储气罐储存，以供循环使用。因为CO₂气体的物理性质和化学性质均与CO气体和Ar气体存在较大差异，采用变压吸附法或化学法可以将CO₂气体单独分离，剩余气体即为CO-Ar混合气。

本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，通过该方法，每吨钢可回收5~9m³的CO、1~2.5m³的CO₂、0.05~0.30m³的Ar气，将它们使用于VOD炉本身，实现了CO₂、Ar和CO气体的循环资源化利用，减少CO₂排放30%，Ar气使用量降低60~70%，具有显著的经济效益和社会效益。本技术方案实现将VOD尾气单分离（不完全分离）后直接用于VOD炼钢生产，降低了气体制备难度。通过本方法，为VOD提供了稳定的CO₂气源，实现CO₂气体在VOD真空精炼过程中的应用，从而降低VOD处理中期钢水氧含量5~30ppm，提高合金元素收得率1~5%。降低吨钢冶炼成本5~15元。

附图说明

图1为现有的VOD精炼炉系统图。

图2为本发明的VOD精炼炉尾气循环喷吹系统的结构示意图。

图3为应用本方法的120tVOD精炼炉气体喷吹工艺曲线图。

图中：

1．真空室、2.钢包、3.顶吹氧枪和升降机构、4.O₂气源、5.O₂流量控制阀组、6.真空泵、7.尾气处理排放装置、8.底吹Ar透气喷嘴、9.Ar气源、10.Ar流量控制阀组、11.气体分析仪、12.尾气切换装置、13.气体过滤除水器、14.气体压缩分离装置、15.CO₂气体储气罐、16.CO₂流量控制阀组、17.CO-Ar混合气体储气罐、18.CO-Ar混合气流量控制阀组、19.CO₂临时气源、P1~P20为气体输送管道。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明做进一步的说明。

如图2所示，为本发明VOD精炼炉尾气中CO₂、CO-Ar循环喷吹的炼钢装置，该装置包括VOD真空精炼炉和尾气循环处理装置，所述尾气循环处理装置包括气体分析仪11、尾气切换装置12、气体过滤除水器13、气体压缩分离装置14、CO₂气体储气罐15、CO₂流量控制阀组16、CO-Ar混合气体储气罐17和CO-Ar混合气流量控制阀组18；

其中，真空泵6前端与真空室1连接，后端通过管道P7连接所述尾气切换装置12，所述气体分析仪11由管路P8与所述真空泵6和所述尾气切换装置12之间的管路P8连接；尾气切换装置12一路出口通过管路P6连接尾气处理排放装置7，另一路出口通过管路P9连接至气体过滤除水器13，气体过滤除水器13通过管路P10连接至气体压缩分离装置14；所述气体压缩分离装置14的一路出气口通过管道P11与所述CO₂气体储气罐15连接，另一路出气口通过管道P12与所述CO-Ar混合气体储气罐17连接，所述CO₂气体储气罐15通过由管道P13与所述CO₂流量控制阀组16连接，所述CO₂流量控制阀组16通过管道P14与氧气管路P2汇合后与顶吹氧枪尾部连接，所述CO-Ar混合气体储气罐17通过管道P15与所述CO-Ar混合气气流量控制阀组18的一端连接，所述CO-Ar混合气气流量控制阀组18的另一端通过管道P16与Ar气管路P4汇合后与钢包底部喷嘴连接，所述CO₂气体储气罐15通过管道P19与所述尾气处理排放装置7连接，所述CO-Ar混合气体储气罐17通过管道P20与所所述尾气处理排放装置7连接，所述CO-Ar混合气体储气罐17通过管道P18与Ar气源连接。

该装置还包括CO₂临时气源19，所述CO₂临时气源19通过管路P17 与所述CO₂气体储气罐15连接。

所述CO₂气储气罐15内压力为0.3~2.5Mpa；所述CO-Ar混合气储气罐内压力为0.3~2.5Mpa。

所述CO-Ar混合气流量控制阀组流量控制范围是20~1000NL/min；所述 CO₂流量控制阀组最大流量控制范围是50~200Nm³/min；

所述气体分析仪用于检测尾气中CO、CO₂、Ar、O₂和N₂浓度，监测精度为0.5‰。

所述气体过滤除水器可将尾气除尘脱水，处理后粉尘含量小于5mg/m³，露点低于0℃；

本发明的另一目的是提供一种使用上述的装置的炼钢方法：其冶炼过程分为：(1)钢包吊入抽真空阶段、(2)吹气脱碳阶段、(3)底吹脱氧阶段和(4)破真空钢包吊出阶段，各个阶段具体操作过程为：

(1)钢包吊入抽真空阶段：首先将钢包吊至真空室内，在此过程中钢包底吹Ar气体，底吹流量为50~200NL/min；然后真空室盖关闭后密封，底吹气体切换为CO-Ar混合气，底吹流量为50~200NL/min；真空泵开始抽气，将底吹气流量降低为30~150NL/min，真空室内压力持续下降，所述气体分析仪检测VOD尾气中含有较高的N₂气和O₂气，而CO₂气和Ar气含量较低，通过尾气切换装置将尾气导向尾气处理排放装置方向，进行处理和排放；

(2)吹气脱碳阶段：真空室内压力达到0~133Pa后，进入吹气脱碳阶段，真空泵持续抽气保持压力为0~133Pa，吹气脱碳阶段分为脱碳前期(15~30mins)和脱碳后期(5~20mins)，脱碳前期：枪位为0.3~1.5m；喷吹流量为300~600NL/(min·t钢)；喷吹气体组成为：O₂ (50%~100%)、CO₂ (50%~0%)；底吹气体为CO-Ar混合气，底吹流量为50~200NL/min。脱碳后期：枪位为0.3~1.0m；喷吹流量为500~850NL/(min·t钢)；喷吹气体组成为：CO₂ (70%~100%)、O₂(30%~0%)；底吹气体为CO-Ar混合气，底吹流量为80~300NL/min。本阶段中，VOD尾气成分为50%~60%的CO、13%~22%的Ar、18%~20%的CO₂，进行尾气检测和回收操作；

(3)底吹脱氧阶段：吹气脱碳阶段结束后，进入底吹脱氧阶段，真空泵持续抽气保持压力为0~133Pa，本阶段持续时间为20~50min，CO-Ar气由CO-Ar混合气储气罐供应；底吹流量保持为50~200NL/min。本阶段中，VOD尾气成分为24%~60%的CO、15%~78%的Ar、0%~18%的CO₂，进行尾气检测和回收操作；

(4)破真空钢包吊出阶段：脱氧气结束后，将底吹气切换为Ar，流量为50~400NL/min，破真空后开启炉盖，将钢包吊出，完成处理过程，气体分析仪（）检测到VOD尾气中含有较高的N₂气和O₂气，而CO₂气和Ar气含量较低，尾气切换装置将尾气导向尾气处理排放装置方向，进行处理和排放。

在VOD冶炼吹气脱碳阶段和底吹脱氧阶段中，进行VOD尾气检测和回收操作，具体过程为：气体分析以检查尾气成分；当尾气中N₂或O₂高于5%时，尾气切换装置切换至尾气排放装置方向，尾气排放；当尾气成分中N₂或O₂低于5%时，尾气切换装置切换至尾气循环方向；尾气经过气体过滤除水器，脱除粉尘和水分后，进入气体压缩分离装置，将尾气分离为CO₂和CO-Ar混合气，并分别输送至储气罐储存，以供循环使用。

所述气体压缩分离装置可将尾气分离为CO₂气和CO-Ar混合气，CO₂气中CO₂浓度大于99.5%，压力大于1.5Mpa；CO-Ar混合气中O₂浓度小于0.01%，CO₂浓度小于0.5%，N₂浓度小于0.5%，压力大于1.5Mpa。

实施例1：

本发明应用在120t VOD精炼炉，顶吹O₂-CO₂混合气，底吹Ar-CO混合气。按照附图2的连接方式新增装置并连接，其中装置的基本要求和主要参数为：

采用机械式真空泵；CO₂气储气罐内压力为1.5~2.0Mpa；CO₂流量控制阀组最大控制流量是100Nm³/min；CO-Ar混合气储气罐内压力为1.5~2.0Mpa；CO-Ar混合气流量控制阀组最大控制流量是500NL/min；气体分析仪用于检测尾气中CO、CO₂、Ar、O₂和N₂浓度，监测精度为0.5‰；气体压缩分离采用变压吸附法，可将尾气分离为CO₂气和CO-Ar混合气。CO₂气中CO₂浓度大于99.5%，压力大于1.5Mpa；CO-Ar混合气中O₂浓度小于0.01%，CO₂浓度小于0.5%，N₂浓度小于0.5%，压力大于1.5Mpa。

本方法应用于120t VOD真空精炼炉后，其冶炼过程分为：(1)钢包吊入抽真空阶段、(2)吹气脱碳阶段、(3)底吹脱氧阶段和(4)破真空钢包吊出阶段，各个阶段具体操作过程为：

钢包吊入抽真空阶段：钢包吊入真空室阶段，钢包底吹Ar气，底吹流量为120NL/min；然后真空盖关闭后密封，底吹CO-Ar混合气，底吹流量为120NL/min；真空泵开始抽气，底吹气体流量降低为100NL/min，本阶段中尾气中N₂和O₂浓度较高，尾气切换装置将尾气导向尾气处理排放装置方向，进行处理和排放；

吹气脱碳阶段：真空泵持续抽气保持压力为0~133Pa。吹气脱碳阶段分为脱碳前期(20min)和脱碳后期(10min)。脱碳前期：枪位为1.2~1.3m；喷吹流量为40~60Nm³/min；喷吹气体组成为：O₂ (50%~100%)、CO₂ (50%~0%)；底吹气体为CO-Ar混合气，底吹流量为100NL/min。脱碳后期：枪位为0.7~0.8m；喷吹流量为70~80Nm³/min；喷吹气体组成为：CO₂ (70%~100%)、O₂ (30%~0%)；底吹气体为CO-Ar混合气，底吹流量为150NL/min。本阶段中，VOD尾气成分为50%~60%的CO、13%~22%的Ar、18%~20%的CO₂，进行尾气检测和回收操作。

底吹脱氧阶段：真空泵持续抽气保持压力为0~133Pa；持续时间为25min；钢包底吹CO-Ar混合气，流量为130NL/min。本阶段中，VOD尾气成分为24%~60%的CO、15%~78%的Ar、0%~18%的CO₂，进行尾气检测和回收操作。

破真空钢包吊出阶段：钢包底吹Ar气，流量为100NL/min。本阶段中VOD尾气中含有较高的N₂气和O₂气，而CO₂气和Ar气含量较低，尾气切换装置将尾气导向尾气处理排放装置方向，进行处理和排放。

采用本发明后，120t VOD真空精炼炉每炉可回收CO气体850~900m³，CO₂气体150~200m³，Ar气20~23m³。将Ar-CO循环利用于VOD炉自身底吹搅拌，CO₂气体用于VOD顶吹脱碳，减少CO₂排放30%，Ar气使用量降低60%；VOD处理中期钢水氧含量降低15ppm，合金元素收得率提高3%。降低吨钢冶炼成本10元。

实施例2：

本发明应用在60t VOD真空精炼炉，顶吹O₂-CO₂混合气，底吹Ar-CO混合气，按照附图2的连接方式新增装置并连接，其中装置的基本要求和主要参数为：

采用蒸汽喷射真空泵；CO₂气储气罐内压力为1.8~2.0Mpa；CO₂流量控制阀组最大控制流量是60Nm³/min；CO-Ar混合气储气罐内压力为1.8~2.0Mpa；CO-Ar混合气流量控制阀组最大控制流量是0~400NL/min；气体分析仪用于检测尾气中CO、CO₂、Ar、O₂和N₂浓度，监测精度为0.5‰；气体压缩分离采用化学吸附法，可将尾气分离为CO₂气和CO-Ar混合气。CO₂气中CO₂浓度大于99.5%，压力大于1.5Mpa；CO-Ar混合气中O₂浓度小于0.01%，CO₂浓度小于0.5%，N₂浓度小于0.5%，压力大于1.5Mpa。

该60t VOD真空精炼炉使用本专利方法的冶炼过程分为：(1)钢包吊入抽真空阶段、(2)吹气脱碳阶段、(3)底吹脱氧阶段和(4)破真空钢包吊出阶段，各个阶段具体操作过程为：

钢包吊入抽真空阶段：钢包吊入真空室阶段，钢包底吹Ar气，底吹流量为70NL/min；然后真空盖关闭后密封，底吹Ar-CO混合气，底吹流量为70NL/min；真空泵开始抽气，底吹气体流量降低为50NL/min，本阶段中尾气中N₂和O₂浓度较高，尾气切换装置将尾气导向尾气处理排放装置方向，进行处理和排放；

吹气脱碳阶段：真空泵持续抽气保持压力为0~133Pa。吹气脱碳阶段分为脱碳前期(20min)和脱碳后期(8min)。脱碳前期：枪位为1.0~1.1m；喷吹流量为25~28Nm³/min；喷吹气体组成为：O₂ (50%~100%)、CO₂ (50%~0%)；底吹气体为CO-Ar混合气，底吹流量为50NL/min。脱碳后期：枪位为0.6~0.7m；喷吹流量为30~40Nm³/min；喷吹气体组成为：CO₂ (70%~100%)、O₂ (30%~0%)；底吹气体为CO-Ar混合气，底吹流量为70NL/min。本阶段中，VOD尾气成分为50%~60%的CO、13%~22%的Ar、18%~20%的CO₂，进行尾气检测和回收操作。

底吹脱氧阶段：真空泵持续抽气保持压力为0~133Pa；持续时间为20min；钢包底吹CO-Ar混合气，流量为60NL/min。本阶段中，VOD尾气成分为24%~60%的CO、15%~78%的Ar、0%~18%的CO₂，进行尾气检测和回收操作。

破真空钢包吊出阶段：钢包底吹Ar气，流量为50NL/min。本阶段中VOD尾气中含有较高的N₂气和O₂气，而CO₂气和Ar气含量较低，尾气切换装置将尾气导向尾气处理排放装置方向，进行处理和排放。

使用本方法后，60t VOD真空精炼炉，每炉可回收CO气体430~450m³，CO₂气体65~70m³，Ar气10~12m³。将Ar-CO循环利用于VOD炉自身底吹搅拌，CO₂气体用于VOD顶吹脱碳，减少CO₂排放25%，Ar气消耗量降低55%；VOD处理中期钢水氧含量降低10~15ppm，合金元素收得率提高2~3%。降低吨钢冶炼成本8元。