二氧化碳资源化应用于炼钢：从奇思妙想到理论实践

2019 年 7 月 12 日 科学出版社

1983 年，我从江西冶金学院(现江西理工大学)毕业后到江西钢厂(现新余钢铁集团有限公司)工作。1990 年考取北京科技大学钢铁冶金专业硕士研究生，1996 年博士研究生毕业后留校任教。20 多年一直从事冶金工程专业“炼钢学”课程教学及炼钢相关领域的科学研究工作。

《二氧化碳炼钢理论与实践》一书追其来源要感谢一次炼钢课堂教学，有学生提问：“为什么炼钢过程顶吹氧会产生烟尘？能否不产生或少产生烟尘呢？”关于第一个问题，通常认为炼钢产生烟尘的主要原因是吹氧大量放热，形成局部达到2500~3000℃的高温火点区，而铁的沸点为2700℃左右，因此造成了金属铁的大量蒸发；铁蒸气与熔池上方过剩氧迅速反应生成大量微细FeO粉尘，并随高温烟气排出。但关于“能否少产生烟尘或不产生呢？”这一问题确实难以给学生解答。这是“炼钢学”中尚未触及的研究领域，是烟尘从源头治理的思路，这大大激发了我的研究热情。查遍了国内外相关文献，除减少供氧强度和采用底吹氧工艺，鲜有从源头治理，降低烟尘产生的研究报道。

既然吹氧产生局部高温形成火点，能否采用某种方法降低炼钢火点区温度，而又不影响冶炼节奏呢？经苦思冥想及实验尝试，我采用了在氧气中掺入粉剂或气体，试图通过物理及化学降温降低氧气吹炼火点区温度，最终发现仅有CO₂气体具备这一特质。在O₂中掺入少量的CO₂可降低熔池火点区温度300~400℃，减少烟尘排放10%。相关实验研究先后在1t、30t、300t转炉完成，证实了这一奇思妙想。

▲ CO₂ 应用于炼钢的冶金原理及效果分析

工业示范期间，我意外发现CO₂ 可提高煤气总量及煤气中CO的浓度，降低终渣FeO、氧、氮、磷含量等，以此展开了CO₂ 用于炼钢反应的机理探究及工程应用研究。在多项国家自然科学基金、国家科技支撑计划及校企合作项目的支持下，从2004 年开始，我完成了CO₂ 应用于炼钢的基础理论及工业示范研究。涉及转炉(basic oxygen furnace，BOF)、电弧炉(electric arc furnace，EAF)、钢包精炼炉(ladle furnace，LF)、真空脱气炉(vacuum degassing furnace，VD)/真空循环脱气炉(rheinsahl-heraeus，RH)等工序，完成了部分工业试验验证，为工业应用积累了数据。

朱荣著

北京：科学出版社，2019.2

《二氧化碳炼钢理论与实践》一书详细介绍了我及团队成员的研究成果，是国内外第一部关于CO₂ 资源化应用于炼钢领域的学术专著。

本书从CO₂与钢液中元素反应的热力学及动力学，物料和能量平衡等多方面解析了CO₂应用于炼钢的机理。在热力学方面，利用Factsage热力学软件计算分析CO₂氧化碳、硅、锰、磷、铬、镍、钒等元素的热力学条件，分析了CO₂同时氧化多种元素时的选择性氧化规律；在动力学方面，使用气相质谱-同位素气体交换技术分析CO₂的界面反应机理，研究CO₂-渣-金间氧的传递过程及传递速率；在物料及能量平衡方面，主要是介绍了利用CO₂的高温特性控制熔池温度、改善熔池反应条件、减少铁液蒸发、降低炼钢过程的烟尘产生量；以试验数据为基础，建立了CO₂应用于炼钢的单元操作理论模型，包括脱碳、脱磷、脱氮、脱碳保铬、提钒保碳反应模型，并开始应用于炼钢生产工艺；迈出了从理论到实践的重要一步，为钢铁生产流程节能降耗及钢液洁净化开辟了全新的解决方案。

随着国家对CO₂减排的重视，越来越多的钢铁企业关注CO₂在钢铁生产流程的资源化应用技术，令人感到欣慰的是，在本书出版之时，该技术已开始在转炉及电弧炉实现工业化示范及应用。2018年5月，中国金属学会一致认为该技术发明总体成果达到国际领先水平。

本书内容丰富，注重现代监测技术、冶金物理化学及炼钢工艺的相互联系，书中附有大量试验数据，完善了炼钢过程CO₂喷吹的热力学及动力学理论，为CO₂炼钢的工程化应用提供了帮助。

2018 年6 月

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朱荣，1983年毕业于江西理工大学炼钢专业，1983-1990年于江西新余钢铁公司（原江西钢厂）工作，1996年于北京科技大学获冶金工程博士学位并留校任教至今。

全国创新争先奖状获得者，全国科技先进工作者，享受国务院政府特殊津贴，高端金属熔炼及制备北京市重点实验室主任、北京科技大学冶金喷枪研究中心主任、中国金属学会电冶金分会主任、特殊钢分会副主任、废钢铁分会副主任、专家委员会委员、炼钢分会委员、中国电工技术学会委员、全国专业标准化技术委员会委员，《工业加热》编委。

研发出的新一代电弧炉冶炼技术——“电弧炉炼钢复合吹炼技术”被《世界金属导报》评为“2015年世界钢铁工业十大技术要闻”。该技术获得国家科技进步二等奖、省部级科技进步一等奖、二等奖十余项，已在国内外数十家具有世界先进水平的电弧炉炼钢企业成功应用。在特钢冶炼领域负责多项国家及企业项目，为我国特钢行业的发展做出了突出贡献。

在国际上首次提出并研发了CO₂-O₂混合喷吹炼钢技术。 “二氧化碳在炼钢的资源化应用技术” 被《世界金属导报》评为“2018年世界钢铁工业十大技术要闻”。

获中国及国际专利授权50余项，软件著作权3项，参与制订国家及行业标准多件，撰写电弧炉炼钢著作两部、CO₂炼钢专著1部，发表学术论文300余篇。