肖龍鑫， 李晶， 閆威， 戴雨翔

（北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京100083）

隨著普鋼產品在全球范圍內的競爭日趨激烈以及政府相關部門對鋼鐵行業(yè)節(jié)能環(huán)保的高度重視，提高轉爐廢鋼比成為鋼鐵企業(yè)增產降耗的有效途徑之一[1].在鋼鐵生產過程中，廢鋼作為可回收的再生資源，避免了傳統(tǒng)長流程中燒結、焦化、高爐等高能耗高污染工序，能耗及廢棄物排放指標均遠優(yōu)于傳統(tǒng)長流程冶煉，其CO2排放量較長流程降低73%，粉塵排放降低90%，能耗降低59%[2].工信部2015年出臺的《鋼鐵產業(yè)調整政策》提出，到2025年要把廢鋼應用比例提高到30%.

寶鋼集團新疆八一鋼鐵有限公司部分鐵水采用歐冶爐生產，入爐鐵水成分波動性較大.如表1所列，鐵水 Si含量為 0.2%～4.0%，C含量為 4.1%～4.9%，當遇到低硅以及溫度較低的鐵水時，若依然采用較高的廢鋼比，必然導致熔池熱量不足，出鋼溫度難以達到1600℃以上；若采取少加輔料的方式來保證轉爐出鋼溫度，則會造成渣量不足，無法保證終點較高的脫磷率；如果轉爐終點鋼液溫度偏低，進行補吹提溫，對成本、生產順行及鋼液潔凈度均會造成不良影響.因此，有必要對廢鋼加入量進行研究.基于此，文中首先通過熱平衡的方法研究了鐵水成分和轉爐操作參數(shù)對廢鋼加入量的影響，探討不同條件下合理的廢鋼加入量，在此基礎上提出了一系列提高轉爐廢鋼比的措施，并為實際生產提供了指導.

表1 鐵水成分/%Table 1 Hot metal composition/%

1 轉爐熱平衡計算

以八鋼某一時期的平均鐵水成分為例，假設鐵水的裝入量為110 t，根據(jù)轉爐冶煉的熱平衡，分別計算了該爐次的熱收入項、熱支出項和100 kg廢鋼融化所需的熱量，得出此條件下合理的廢鋼加入量[3-13].計算所用的相關數(shù)據(jù)分別如表2、表3及表4所列.

表2 鐵水、廢鋼及鋼液成分/%Table 2 Hot metal,scrap steel and molten steel composition/%

表3 輔料成分/%Table 3 Excipient ingredients/%

表4 終渣成分/%Table 4 Final slag composition/%

1.1 假設條件

1）終渣堿度設為3.0（采用留渣操作時終渣堿度設為 2.8）；

2）濺渣后所留爐渣溫度為1000℃，P2O5含量為3.0%；

3）鐵水中90%的碳被氧化為CO，10%的碳被氧化為CO2；

4）煙塵損失占鐵水量的1.6%，其中Fe2O3為70%，F(xiàn)eO為20%；

5）終渣溫度比出鋼溫度低30℃；

6）爐氣及煙塵的平均溫度均為1450℃；

7）噴濺鐵損失占鐵水量的1.2%；

8）冶煉過程轉爐熱輻射、對流、傳導以及冷卻水等帶走的熱量占熱量總收入的3%.

1.2 合理的輔料加入量計算

現(xiàn)場生產中，由于鐵水硅和磷含量波動較大，而工人操作過程中往往只考慮鐵水硅含量，而忽略了不同磷含量時脫磷對輔料加入的要求，從而造成了脫磷率不高的問題.因而在確定輔料加入量時，不僅要考慮鐵水硅含量對石灰及白云石消耗的影響，同時也要考慮鐵水磷含量對輔料消耗的影響，這樣才能保證轉爐具有較高的脫磷率.

分別考慮鐵水Si與P含量對石灰消耗的影響，計算過程分述如下.

1.2.1 按鐵水[Si]含量進行計算

按鐵水[Si]含量計算應加入石灰4184 kg，生白云石2353 kg.

1.2.2 按鐵水[P]含量進行計算

按鐵水[P]含量計算應加入石灰4716 kg，生白云石2652 kg.

綜合考慮，應加入石灰4716 kg，生白云石2652 kg.此部分輔料加入轉爐后的吸熱情況在下一部分中進行計算.

1.3 凈熱量計算

轉爐煉鋼的熱量來源主要包括：鐵水物理熱，鐵水中 C、Si、Mn等元素的氧化和成渣熱（見表5）以及煙塵氧化熱；而熱量支出主要包括：鋼水物理熱，輔料成渣過程的吸熱，爐渣、爐氣、煙塵、噴濺、鐵珠物理熱以及冶煉過程轉爐熱輻射、對流、傳導、冷卻水等帶走的熱量，熱量來源去除熱量支出所得到的剩余熱量則用來融化廢鋼[14].表6所列即為本研究中每100 kg鐵水的熱收入和熱支出情況.

表5 金屬中各元素氧化熱及成渣熱Table 5 Oxidation heat and slagging heat of each element in the metal

表6 凈熱量計算Table 6 Net calorie calculation

1.4 加入100 kg廢鋼吸熱量計算

轉爐煉鋼過程中廢鋼帶入的熱量主要為廢鋼中各種元素的氧化及成渣熱；而融化廢鋼的熱支出主要包括補加的輔料吸熱以及廢鋼融化為鋼液所需的熱量.如表7所列，即為廢鋼融化過程的熱收入和熱支出情況.

表7 廢鋼吸熱量計算Table 7 Calculation of heat absorption of scrap

則該爐次的廢鋼理論加入量為：凈熱量×鐵水裝入量÷廢鋼吸熱=37420×10×110÷（130940.87×10）=31.44 t

2 結果分析

2.1 鐵水Si含量對廢鋼加入量的影響

圖1所示為熱平衡計算所得的廢鋼理論加入量與鐵水硅含量的關系，由圖1可知，隨著鐵水硅含量的提高，廢鋼理論加入量也隨之增加，但當鐵水硅含量＞0.5%時，廢鋼理論加入量的增加趨勢逐漸減緩.這是由于在設定鐵水成分下，鐵水硅含量在0.5%以內時，鐵水磷含量決定著石灰和白云石的加入量，鐵水硅含量的增加并不會增加輔料的消耗，鐵水硅氧化放出的熱量幾乎可以全部用來融化廢鋼；當鐵水硅含量大于0.5%時，石灰和白云石的加入量則開始由鐵水硅含量決定，隨著鐵水硅含量的增加，輔料加入量也相應增加，新增加的輔料會吸收一部分硅的氧化熱，導致廢鋼加入量的增加趨勢變緩.

由圖1還可以發(fā)現(xiàn)，絕大部分爐次廢鋼實際加入量要明顯少于理論計算量.這里以17B306416爐次（圖中淺色）為例，分析其原因.17B306416爐次鐵水及出鋼情況如表8所列.如圖1所示，該爐次理論廢鋼加入量為28 t，而實際加入量只有24 t，這主要是由輔料加入量偏多造成的.該爐次石灰理論加入量為3419 kg，白云石理論加入量為1865 kg，而現(xiàn)場操作時石灰加入量為5114 kg，白云石加入量為3168 kg.這不僅造成了輔料的浪費，而且多加的輔料吸收了大量的熱，導致廢鋼加入量減少.

圖1 廢鋼的理論及實際加入量隨入爐鐵水硅含量的變化Fig.1 The theoretical and actual addition amount of scrap steel varies with the silicon content of hot metal

表8 17B306416爐次鐵水及鋼液成分/%Table 8 Hot metal and molten steel composition of 17B306416/%

2.2 鐵水C含量對廢鋼加入量的影響

圖2所示為熱平衡計算所得的廢鋼理論加入量與鐵水碳含量的關系，由圖2可知，隨著鐵水碳含量的提高，廢鋼理論加入量也逐漸增加，且增加趨勢保持不變.這是由于隨著鐵水碳含量的提高，轉爐冶煉的熱支出幾乎不發(fā)生變化，新增碳的氧化熱幾乎全部用來融化廢鋼.故隨著鐵水碳含量的提高，廢鋼理論加入量也逐漸增加，且增加趨勢保持不變.鐵水碳含量每增加0.1%，廢鋼理論加入量平均增加0.875 t.

圖2 廢鋼理論及實際加入量隨入爐鐵水C含量的變化Fig.2 The theoretical and actual addition amount of scrap steel varies with the carbon content of hot metal

以17B106751爐次為例進行誤差分析，其鐵水及出鋼情況如表9所示.如圖2所示，該爐次理論廢鋼加入量為24 t，而實際卻加入了20 t，這是由于該爐次的出鋼溫度為1679℃（比計算條件設定值1630℃高了49℃），鋼水攜帶了大量的物理熱，這部分熱量未能用來融化廢鋼.

表9 17B106751爐次鐵水及鋼液成分/%Table 9 Hot metal and molten steel composition of 17B106751/%

2.3 鐵水Mn含量對廢鋼加入量的影響

圖3所示為熱平衡計算所得的廢鋼理論加入量與鐵水錳含量的關系，由圖3可知，隨著鐵水錳含量的提高，廢鋼理論加入量也逐漸增加，且增加趨勢保持不變.這是由于隨著鐵水錳含量的提高，轉爐冶煉的熱支出亦未發(fā)生變化，新增錳的氧化熱幾乎全部用來融化廢鋼，故隨著鐵水錳含量的提高，廢鋼理論加入量也逐漸增加，且增加趨勢保持不變.綜合不同碳、硅含量廢鋼理論加入量隨鐵水錳含量的變化，可知鐵水錳含量每增加0.1%，廢鋼理論加入量平均增加0.37 t.

圖3 廢鋼理論及實際加入量隨入爐鐵水Mn含量的變化Fig.3 The theoretical and actual addition amount of scrap steel varies with the manganese content of hot metal

2.4 鐵水溫度對廢鋼加入量的影響

圖4所示為熱平衡計算所得的廢鋼理論加入量與鐵水溫度的關系，由圖4可知，隨著鐵水溫度的提高，廢鋼理論加入量呈線性增加.這是由于隨著鐵水溫度的提高，其帶入的物理熱也隨之增加，新增加的這部分物理熱幾乎全部用來融化廢鋼.故隨著鐵水溫度的提高，廢鋼理論加入量呈線性增加.且鐵水溫度每增加10℃，廢鋼理論加入量平均增加0.68 t.

圖4 廢鋼理論及實際加入量隨入爐鐵水溫度的變化Fig.4 The theoretical and actual addition amount of scrap steel varies with the temperature of hot metal

2.5 鐵水重量對廢鋼加入量的影響

圖5所示為熱平衡計算所得的廢鋼理論加入量與鐵水重量的關系，由圖5可知，隨著鐵水重量的提高，廢鋼理論加入量呈線性增加，但鐵水成分不同，廢鋼的理論增加量也不同.這是由于鐵水重量對廢鋼加入的影響主要是通過帶入鐵水物理熱以及C、Si等元素的氧化來實現(xiàn)的.鐵水中C、Si等元素含量越高，每增加1 t鐵水帶入的元素氧化熱就越多，故不同成分鐵水的重量對廢鋼加入量的影響是不一樣的.相同鐵水成分下（4.6%C和0.4%Si），每增加1 t鐵水，廢鋼加入量可提高0.15 t.

圖5 廢鋼理論及實際加入量隨入爐鐵水重量的變化Fig.5 The theoretical and actual addition amount of scrap steel varies with the weight of hot metal

2.6 出鋼溫度對廢鋼加入量的影響

圖6所示為熱平衡計算所得的廢鋼理論加入量與轉爐出鋼溫度的關系，由圖6可知，隨著出鋼溫度的提高，廢鋼理論加入量呈線性下降.這是由于在其他條件一定的情況下，出鋼溫度越低，鋼水帶走的物理熱越少，可供廢鋼融化的熱量也就越多，故隨著出鋼溫度的提高，廢鋼理論加入量呈線性下降，出鋼溫度每增加10℃，廢鋼理論加入量平均減少0.73 t.

圖6 廢鋼理論及實際加入量隨出鋼溫度的變化Fig.6 The theoretical and actual addition amount of scrap steel varies with the temperature of the tapping steel

2.7 留渣操作對廢鋼加入量的影響

當上一爐鐵水磷含量較低時，采用留渣操作.所謂留渣操作就是在連續(xù)生產中將上一爐濺渣后的部分或全部爐渣留待下一爐使用.由于所留爐渣溫度較高且已形成均勻多元低熔點渣系，這些都有利于促進石灰熔化[15]，進而提高轉爐脫磷率.

圖7所示為廢鋼理論加入量隨留渣量的變化.圖7中爐次均為未留渣或全留渣爐次，其中全留渣爐次的留渣量根據(jù)該爐次的鐵水、輔料加入以及出鋼情況通過物料平衡計算得來.由圖7可知，隨著留渣量的增加，廢鋼理論加入量逐漸下降，且當鐵水硅含量為0.6%時，下降趨勢比較明顯.這是因為，留渣雖然會保留一定量的物理熱，在轉爐冶煉前期促進輔料的熔化，同時形成高堿度的前期渣，減少一定量的輔料加入，但是，由于所留爐渣在上一爐出鋼以及這一爐加廢鋼兌鐵水過程中也存在較大的溫降，其溫度遠低于出鋼時終渣的溫度，盡管少加了一部分輔料，但是所留的大量爐渣在吹煉過程繼續(xù)升溫所需的熱量要高于少加的這部分輔料節(jié)約的熱量，因而，從整體上來講，留渣會帶來一定程度的熱量消耗，導致最終用來融化廢鋼的熱量減少，廢鋼理論加入量降低.此外，當鐵水硅含量≥0.6%時，不建議采用留渣操作.這是因為，當鐵水硅含量較高時，石灰、白云石等輔料的消耗增加，渣量增大，且鐵水中的硅被氧化生成大量的二氧化硅，降低爐渣表面張力，促進爐渣泡沫化.若此時采用留渣操作，不僅會增加現(xiàn)場的操作難度，而且極易引發(fā)溢渣甚至泡沫性噴濺.

圖7 廢鋼理論及實際加入量隨留渣量的變化Fig.7 The theoretical and actual addition amount of scrap steel varies with change of slag retention

3 提高廢鋼比的措施

轉爐煉鋼的含鐵原料主要為鐵水和廢鋼.前者是由鐵礦石經高爐還原得來，生產過程中不僅要消耗巨額的能源，而且伴隨著各種廢棄物的排放，污染我們賴以生存的環(huán)境；而后者是回收的再生資源，提高轉爐廢鋼比不僅有利于降低噸鋼鐵耗，減少生產成本，而且能促進廢鋼的回收利用，減少環(huán)境污染.在能耗一定的情況下，轉爐冶煉用1 t廢鋼代替1 t鐵水可節(jié)約 500 kg標準煤，轉爐冶煉的廢鋼比每提高1%，錳、鉻等非鐵元素的吹損將減少0.04%左右[16].

轉爐煉鋼的主要熱量來源為鐵水物理熱、鐵水中各種元素的氧化成渣放熱和煙塵氧化熱，而熱量支出主要包括鋼水物理熱、廢鋼熔化吸熱、爐渣物理熱、輔料分解熱、對流輻射散熱以及煙塵、鐵珠、噴濺物理熱等.可見，增加轉爐熱量來源，減少除廢鋼融化以外的熱量支出，是提高轉爐廢鋼比的有效途徑[17].

3.1 添加增熱劑

根據(jù)上述研究，鐵水碳和硅的氧化放熱可以顯著提高轉爐熱收入.轉爐冶煉初期，向熔池內添加焦炭、硅鐵等增熱劑，不僅可以增加元素氧化熱，提高轉爐廢鋼比，而且有利于熔池前期升溫，促進爐渣熔化，提高轉爐前期的脫磷率.由上述熱平衡計算結果可知，鐵水碳含量每增加0.1%，可多融化0.875 t廢鋼；當鐵水硅含量＜0.5%時，鐵水硅含量每增加0.1%，則可多融化2.34 t廢鋼，但當鐵水硅含量＞0.5%時，隨著鐵水硅含量的增加，廢鋼的理論加入量增加幅度較小.此外，若以添加硅鐵等原料的方式再次增加，不僅會造成硅鐵的浪費，而且會增加輔料的消耗，引發(fā)溢渣甚至泡沫性噴濺.

增熱劑的加入方式通常有2種：一種是在轉爐兌鐵水之前加入，該方式不能根據(jù)轉爐冶煉的實際情況靈活地調整增熱劑的加入量及加入時機，不利于充分發(fā)揮增熱劑的供熱效果；另一種是由轉爐料倉加入，該方式改善了前一種加入方式的靈活性問題，不僅能夠有效利用增熱劑的氧化放熱，而且有利于改善轉爐冶煉前期由于溫度不足造成的化渣問題.但增熱劑加入量不宜過大，隨著增熱劑加入量的提高，其熱利用效率逐漸降低.研究表明，對于120 t轉爐，為充分發(fā)揮焦炭的氧化放熱，其最大加入量應控制在1500 kg/爐以下[4].

3.2 適當提高鐵水溫度

鐵水物理熱是轉爐冶煉的主要熱量來源之一，約占轉爐熱收入的50%.在實際生產中可采用鐵水“一罐制”、為鐵水罐加蓋等方式，縮短鐵水運輸時間，減少鐵水在運輸過程中的溫降，增加轉爐熱量來源，從而提高轉爐廢鋼比[18].鐵水溫度每增加10℃，廢鋼理論加入量平均增加0.68 t.此外，提高轉爐冶煉的鐵水溫度，還能夠促進爐渣和廢鋼融化，進而提高鋼液質量.

3.3 適當降低轉爐出鋼溫度

由上文熱平衡計算可知，鋼液帶走的物理熱占轉爐熱支出的70%左右.適當降低轉爐出鋼溫度能夠有效減少鋼水及爐渣帶走的物理熱，從而使熔池有更多的熱量用于融化廢鋼，提高轉爐廢鋼比.出鋼溫度每降低10℃，轉爐可多吃0.73 t廢鋼.同時，適當降低轉爐出鋼溫度，能夠有效地降低冶煉終點鋼液磷含量，提高轉爐脫磷率，進而減少輔料的消耗，增加熔池熱量.此外，低溫出鋼還有利于降低鋼水的氧化性，減少過吹現(xiàn)象的發(fā)生，降低噸鋼鐵耗，節(jié)約生產成本[19,20].

3.4 適當減少輔料的加入量

在保證鋼液磷含量達標的前提下，根據(jù)上文中輔料加入量的計算，適當減少石灰及白云石的加入量，不僅可以有效降低轉爐冶煉的生產成本，而且隨著輔料加入量的減少，轉爐渣量也隨之下降，這可以有效地減少爐渣帶走的物理熱，增加熔池的凈熱量，進而提高轉爐廢鋼比.經計算，石灰消耗每減少1 kg/t鋼，渣量將相應地減少0.89 kg/t鋼，每噸鐵水可多融化1.01 kg的廢鋼；白云石消耗每減少1 kg/t鋼，每噸鐵水可多融化2.91 kg的廢鋼.

4 現(xiàn)場應用效果

基于上述研究，通過采用留渣操作、適當提高鐵水溫度、合理降低輔料消耗及轉爐出鋼溫度等措施，實際生產中廢鋼比由16.4%提高到了21.3%，脫磷率由79.3%提高到了93.3%.調整前后試驗爐次脫磷率及廢鋼比如表10所列.

1）采用留渣操作，留取上一爐濺渣后的一半以上的爐渣.改善轉爐前期化渣效果，進而提高轉爐脫磷率；

2）適當提高鐵水溫度，將鐵水平均溫度由1312℃提高至1318℃，增加鐵水物理熱，進而提高轉爐廢鋼比；

3）基于鐵水硅、磷含量和目標要求，合理降低輔料消耗.根據(jù)自開發(fā)的轉爐煉鋼輔料加入模型計算，確定合理的輔料加入量，使石灰消耗由42.3 kg/t鋼下降到39.0 kg/t鋼，生白云石消耗由20.8 kg/t鋼下降到14.1 kg/t鋼.在降低轉爐冶煉成本的同時，減少了渣料的吸熱，使更多的熱量用于融化廢鋼；

4）適當降低出鋼溫度，將鋼液平均溫度由1664℃降低至1600℃，減少鋼液帶走的物理熱，提高轉爐廢鋼比.

5 結 論

1）鐵水溫度每增加10℃，廢鋼理論加入量平均增加0.68 t；出鋼溫度每增加10℃，廢鋼理論加入量平均減少0.73 t；相同鐵水成分下，每增加1 t鐵水，廢鋼加入量可提高0.15 t；隨著留渣量的增加，廢鋼的加入量下降.

2）鐵水中硅、碳、錳含量的增加能夠有效提高廢鋼的加入量，其中硅含量對廢鋼加入量的影響最為顯著；可通過添加增熱劑（如硅鐵、焦炭等）的方式提高轉爐廢鋼比，鐵水碳含量每增加0.1%，可多融化0.875 t廢鋼；當鐵水硅含量<0.5%時，鐵水硅含量每增加0.1%，則可多融化2.34 t廢鋼.

表10 調整前后試驗爐次廢鋼比及脫磷率對比Table 10 Comparison of the ratio of scrap steel and dephosphorization rate before and after the adjustment

3）通過采用留渣操作、適當提高鐵水溫度、降低渣料消耗及轉爐出鋼溫度等措施，轉爐廢鋼比由16.4%提高到21.3%，脫磷率由79.3%提高到93.3%，同時石灰和白云石消耗量分別降低了3.3 kg/t鋼和6.7 kg/t鋼.