影響轉(zhuǎn)爐廢鋼比的原因分析及對(duì)策

蔡 境，馬春輝

在黑色冶金中，含鐵材料主要的來源有兩種：第一是礦石，第二是廢鋼。前者的材料是資源，后者所得材料是可收回的再生資源。在冶金生產(chǎn)過程中，盡量少用鐵水，多用廢鋼資源，這不僅可以確保資源得到保護(hù)，從而減少環(huán)境污染，可將資源進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展。冶金過程中，轉(zhuǎn)爐工藝主要的鋼廠要求轉(zhuǎn)爐中的廢品率得到提高，這也是可以降低鐵礦石使用率的最有效途徑。鋼鐵冶金工業(yè)發(fā)展中，含鐵的原材料主要來源于廢鋼材料與含鐵礦石。礦石是自然資源，而廢鋼是再生資源。對(duì)于生產(chǎn)同樣鋼種來說，廢鋼優(yōu)先用于轉(zhuǎn)爐是科學(xué)合理的。煉鋼廠要多用廢鋼，少用鐵水，有利于節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、減少污染，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。所以，煉鋼廠如果使用轉(zhuǎn)爐煉鋼法，為了進(jìn)一步減少鐵礦石的消耗量，亟須提高爐料中的廢鋼比。隨著當(dāng)代冶金工業(yè)的不斷發(fā)展，廢鋼材料累計(jì)會(huì)逐漸增加，這樣會(huì)導(dǎo)致廢鋼價(jià)格不斷下降，在未來的3 年～5 年中，我國開啟了廢鋼材料使用量的增長期。我國預(yù)計(jì)在2023 年，鋼鐵的儲(chǔ)存量可達(dá)到約為100 億噸，廢金屬年產(chǎn)量將超過22 億噸。在2025 年，我國的鋼鐵儲(chǔ)備量可達(dá)到120 億噸，廢鋼的年產(chǎn)量則會(huì)超過22 億噸7 億噸～3 億噸，到2030 年我國鋼鐵儲(chǔ)量達(dá)到132 億噸，廢金屬年產(chǎn)量將超過32億噸。2 億噸～350 萬噸。隨著我國鋼鐵材料以及廢鋼材料存儲(chǔ)量的不斷增加。在未來的20 年期間，我國廢金屬總量充足，可以提高廢舊鋼材的回收率，降低轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)成本，從而增加冶金的生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，這也使鋼鐵行業(yè)的發(fā)展越來越普遍。廢鋼是一種可以回收利用的鐵資源，提高廢鋼的比重可以大大減少環(huán)境污染和累計(jì)能耗，可以提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率，增加公司的經(jīng)濟(jì)效益，是長期的對(duì)公司的看法及發(fā)展戰(zhàn)略。

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼和提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比的重要性

轉(zhuǎn)爐煉鋼主要目的是消除鐵水中多余的硅、錳、磷、硫等元素。為了保護(hù)爐襯，有效脫除硫、磷等有害雜質(zhì)元素，還需要添加渣料造渣。在渣料成渣的過程中，爐渣、鐵水、廢鋼加熱過程中，產(chǎn)生爐氣的過程中，都要帶走熱量。實(shí)際生產(chǎn)中，鐵水入爐溫度一般介于1300℃～1400℃間，而出爐溫度一般介于1340℃～1450℃間，但一些煉鋼廠溫度低于1300℃，且出爐溫度通常為1640℃～1700℃。通常來說，轉(zhuǎn)爐廢鋼用量比例大約是25%，但實(shí)際生產(chǎn)過程中，會(huì)因?yàn)椴僮魉?、原材料等方面因素的約束，實(shí)際的廢鋼比一般會(huì)低于這個(gè)水平。如果入爐溫度較低，出鋼溫度較高，會(huì)使得轉(zhuǎn)爐廢鋼變得比較低。我國許多煉鋼廠已經(jīng)探究和使用多種工藝，在使用加燃料等措施后，轉(zhuǎn)爐廢鋼比可提高到大于40%。為了提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比，無論是增加轉(zhuǎn)爐的熱源，還是降低熱量的消耗程度，亦或是廢鋼加熱，在提高入爐鐵水溫度、降低出鋼溫度等方面，都是較為有效的方法。

2 影響轉(zhuǎn)爐廢鋼比的原因

2.1 鐵水成分和溫度問題

鐵水中的硅含量與轉(zhuǎn)爐廢鋼比密切相關(guān)，其硅含量多少，與受分配鐵水的高爐情況相掛鉤。如果鐵水的高爐設(shè)置的是大高爐，則鐵水中硅的含量會(huì)低于小高爐中的鐵水。而鐵水溫度低，同樣會(huì)降低廢鋼比，通常與運(yùn)輸時(shí)間、兌鐵、脫硫扒渣等因素有關(guān)。運(yùn)輸時(shí)間方面，按照運(yùn)輸過程中溫降為每分鐘1℃計(jì)算，其時(shí)間用的越久，溫度降低量會(huì)越多，運(yùn)輸后的鐵水溫度也更低。兌鐵時(shí)間若是較長，也會(huì)導(dǎo)致鐵水溫降大。比如，兌一罐鐵的溫降會(huì)小于三罐兌鐵。而對(duì)于脫硫扒渣操作來說，經(jīng)實(shí)際數(shù)據(jù)研究后發(fā)現(xiàn)，該操作會(huì)引起一定的鐵損和溫?fù)p，每罐脫硫扒渣后，平均溫度會(huì)至少損失20℃，對(duì)鐵水溫度影響較大。

2.2 爐型問題

如果爐型呈現(xiàn)高度較低、寬度較大的形狀，會(huì)直接造成爐內(nèi)噴濺物灑到爐外，并產(chǎn)生熱量損失，與高度較高、寬度較小形狀的爐型相比，其廢鋼比會(huì)受到一定的影響。爐型設(shè)計(jì)上只有多設(shè)計(jì)為瘦高型，才能多吃廢鋼。

2.3 留渣操作問題

實(shí)際上，該操作有助于保存熱量，能有效降低爐內(nèi)成渣過程中所消耗的熱量，也使得加入廢鋼更加方便，有效提高廢鋼比。生產(chǎn)低碳鋼時(shí)，其爐內(nèi)爐渣的氧化鐵含量較高，而留渣操作時(shí)火較大，不方便控制。另外，廠房的高度也有一定影響，在操作時(shí)，如果爐前吊車的主梁高度較低，爐口的火會(huì)燒壞吊車上的主減速機(jī)和卷鋼繩。

2.4 冶煉工序問題

比如，兌一罐鐵，廢鋼量加一槽，混鐵前測量溫度并取樣，然后評(píng)估鐵水的溫度和硅含量，以確定添加的廢金屬量。與之相比，在兌完鐵后，直接向其中加入廢鋼，然后再進(jìn)行測溫和取樣。兩套工序不同，測得的硅含量也會(huì)有所差異，便無法判斷廢鋼加入量的合理值。

2.5 冶煉鋼種問題

為了使硫、碳含量符合標(biāo)準(zhǔn)，在冶煉低硫和低碳鋼種過程中，加入白灰等渣料的量，會(huì)比冶煉正常鋼種時(shí)要多。而且，目前一些煉鋼廠在鋼種選擇上，生產(chǎn)上述兩種鋼的情況比以前更多，轉(zhuǎn)爐廢鋼加入量也會(huì)受到影響。

2.6 風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間問題

一些煉鋼廠為了提高除塵效果，風(fēng)機(jī)調(diào)為高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間會(huì)提前一些。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，其抽力較大，同時(shí)也會(huì)帶走一些爐氣的熱量，同樣影響了轉(zhuǎn)爐廢鋼比。

2.7 廢鋼加熱溫度問題

實(shí)踐證實(shí)，廢鋼最適宜的加熱溫度在大約800℃，如果溫度大于900℃，廢鋼氧化速度會(huì)急劇升高，會(huì)引起金屬損失和兌鐵時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，也會(huì)加大廢鋼內(nèi)溫度差，使加熱時(shí)間有所延長。由于可變因素較多，廢鋼加熱時(shí)的效果較難確定，無法確保燃料是否能充分燃燒。一般情況下，20%～140%的輕廢鋼，能夠使廢鋼快速升溫，有助于吸收燃料產(chǎn)生的熱量。

3 提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比的對(duì)策

3.1 宏觀措施

（1）減少兌鐵罐數(shù)。為了提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比，減少在兌鐵過程中鐵水散失的物理熱，可以減少對(duì)鐵罐數(shù)。煉鋼廠如果之前兌三罐鐵，可以提升兌兩罐鐵的比例。

（2）提高留渣操作爐次的比例。留渣操作可有效提升廢鋼比，煉鋼廠應(yīng)采取有效對(duì)策，使?fàn)t渣的物理熱、成渣過程中的化學(xué)熱得以充分利用。

（3）降低出鋼溫度。該方法是一項(xiàng)系統(tǒng)性比較強(qiáng)的工程，不但要嚴(yán)格控制生產(chǎn)周期，還應(yīng)該科學(xué)合理地協(xié)調(diào)生產(chǎn)系統(tǒng)。在此過程中，大罐周轉(zhuǎn)時(shí)間有所下降，提高了轉(zhuǎn)灌出鋼溫度，減少了熱量損失，降低切削溫度?？梢钥闯觯@種方法可以減少轉(zhuǎn)爐的熱耗，而余熱增加了廢鋼的加入量。降低出口溫度可以減少轉(zhuǎn)爐熱耗，將剩余的熱量來增加廢鋼材料的用量。降低轉(zhuǎn)爐排放溫度已經(jīng)成為系統(tǒng)工程，需要整個(gè)冶金生產(chǎn)系統(tǒng)之間進(jìn)行高度協(xié)調(diào)，從而來縮短生產(chǎn)周期。在縮短了生產(chǎn)周期以后，轉(zhuǎn)爐中的周轉(zhuǎn)時(shí)間縮短，爐內(nèi)的熱量損失相對(duì)減少，從而有效提高轉(zhuǎn)爐內(nèi)轉(zhuǎn)罐的溫度，減少出料時(shí)的溫度損失，減少放電溫度。

（4）合理利用鐵水資源。在目前現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下，煉鋼廠要進(jìn)一步提升鐵水中硅含量預(yù)測和評(píng)估的準(zhǔn)確性，使廢鋼加入量有所保障，有這樣才能高效地利用鐵水中所產(chǎn)生的化學(xué)熱。

（5）減少轉(zhuǎn)爐的空爐時(shí)間。轉(zhuǎn)爐空爐后，以傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射的形式，高溫爐襯會(huì)散發(fā)熱量。因此，煉鋼廠要提高生產(chǎn)節(jié)奏，以便于縮短空爐的時(shí)間。

3.2 具體措施

3.2.1 進(jìn)行廢鋼預(yù)熱

該方法設(shè)備投資較大，維護(hù)和使用費(fèi)用也較高。但如果可以利用廢氣余熱，能夠切實(shí)減弱廢鋼冷卻效果，提高廢鋼比。工藝流程為：鐵水容器與鐵混合后→加入透氣性廢鋼→在預(yù)熱站加蓋保溫→廢鋼預(yù)熱至600℃～1900℃→連接鐵水高爐→加蓋保溫鋼廠→將其添加到轉(zhuǎn)換器。該流程的特點(diǎn)是：①操作復(fù)雜；②投資很大，除了增加一定數(shù)量的設(shè)備添加廢鋼和一個(gè)鐵水罐焙燒爐外，還需要添加1 套鐵水。每輛鐵水罐車的罐蓋裝置；③可以減少鐵水槽的熱量損失；④可以增加鐵水罐的使用壽命，減少耐火材料的消耗；⑤廢鋼量廢鋼的加入量受鐵水罐容量的限制；⑥廢鋼的加入量受出口溫度的限制很大；⑦廢鋼要透氣；⑧鐵水在運(yùn)輸過程中的溫降可降低20℃～30℃，轉(zhuǎn)爐廢鋼量增加約0.3kg/℃。廢鋼預(yù)熱以及廢鋼利用的各種方法：廢鋼作為再生資源，被國內(nèi)各個(gè)鋼鐵公司大量收購，鋼鐵公司現(xiàn)在都在極力大量地使用廢鋼，目前廢鋼預(yù)熱的方法有以下幾種：①首先可以在高爐中加廢鋼，但是對(duì)廢鋼料型有限制，還有含油的廢鋼容易糊死布袋，所以這個(gè)辦法很有局限性；②在鐵水包里加廢鋼，但是在鐵水包里加涼廢鋼會(huì)引起粘包和噴濺等事故，這樣就應(yīng)該把廢鋼先預(yù)熱一下就可以了，也有在魚雷罐廢鋼預(yù)熱的，還有在混鐵爐前廢鋼預(yù)熱的；③轉(zhuǎn)爐爐前加廢鋼預(yù)熱；④高位料倉加廢鋼預(yù)熱，高位料倉加廢鋼預(yù)熱也是很不錯(cuò)的，但是對(duì)料型要求很高；⑤轉(zhuǎn)爐爐后廢鋼預(yù)熱，爐后廢鋼預(yù)熱可以采用豎爐形式的，對(duì)料型也是有要求的；⑥精煉爐廢鋼預(yù)熱，精煉爐廢鋼預(yù)熱和爐后廢鋼預(yù)熱差不多，要求也是要用精品廢鋼。

3.2.2 廢鋼槽預(yù)熱裝置

工藝流程：透氣廢鋼→加入廢鋼槽→預(yù)熱至500℃～700℃→吊車吊裝→加入轉(zhuǎn)爐。工藝簡單，投資少，廢鋼用量可提高5%～6%。廢鋼槽預(yù)熱廢鋼在目前鋼鐵冶煉中也獲得了普遍應(yīng)用。

3.2.3 鋼包預(yù)熱廢鋼

工藝流程為：合格的包邊廢料→加入鋼包→預(yù)熱裝置至600℃～800℃→運(yùn)輸鋼包車到出料位置→轉(zhuǎn)爐出料→底吹氬攪拌→上升到鋼包爐。該工藝的特點(diǎn)是：①廢鋼預(yù)熱速度快；②報(bào)廢必須是合格的包裝報(bào)廢；③必須用氬氣吹掃攪拌；④加入廢鋼量取決于出口溫度；沒有LF 鋼包爐等下游加熱設(shè)備，不能添加廢鋼；⑤廢鋼與鋼水混合后，溫度應(yīng)達(dá)到1540℃左右，高于鋼種的液相線溫度。

3.2.4 爐后設(shè)置預(yù)熱廢鋼料倉

工藝流程為：合格廢鋼材料→底部開口料罐→料倉→預(yù)熱至600℃～800℃→振動(dòng)給料機(jī)→中間稱量倉→料斗。該工藝特點(diǎn)：①廢鋼預(yù)熱速度快；②廢品必須是合格的廢品；③用氬氣吹掃和攪拌；④加入廢鋼量取決于出口溫度；無法添加后續(xù)加熱設(shè)備，例如LF；⑤廢鋼混入鋼水的溫度應(yīng)高于鋼水的液相線溫度（約1540℃）。

3.2.5 利用高位料倉加熱壓鐵

廢鋼資源逐漸減少的今天，熱壓鐵應(yīng)運(yùn)而生。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在料倉加熱壓鐵后，可以依照鐵水條件補(bǔ)加廢鋼，使鐵水內(nèi)在資源獲得充分利用，最大量加入廢鋼。

3.2.6 使用提溫劑

為了增加煉鋼系統(tǒng)外部熱源，使廢鋼加入量有所提升，可以向爐內(nèi)加入一些成本較低的提溫劑，通常是一些焦炭碎末、碳化硅等，還有助于抵消掉廢鋼產(chǎn)生的冷卻作用。一般來說，加入提溫劑會(huì)直接隨同廢鋼一同加入，但要求較高，計(jì)算錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致鑄鐵資源的過度使用或過度氧化。也可添加至高位料倉，可根據(jù)鐵水情況隨機(jī)添加，充分利用鐵水資源。由于廢鋼庫存下降，熱壓鐵將成為廢鋼的有效替代品。鞍鋼也采用熱壓鐵代替廢金屬，但隨廢鋼罐中的廢鋼同時(shí)加入爐內(nèi)，不存在二次調(diào)整的可能。鐵水經(jīng)料斗加熱加壓后，可根據(jù)鐵水情況隨時(shí)添加廢鋼，充分利用鐵水內(nèi)部資源，最大限度地添加廢鋼。

4 高廢鋼比的效益

在轉(zhuǎn)爐煙氣處理上有三種方法：①全燃燒法：此法不回收煤氣，不利用余熱。在爐氣從爐口進(jìn)入煙罩過程中，吸入大量空氣，使煙氣中CO 完全燃燒，利用大量的過?？諝夂退錈煹览鋮s燃燒后的煙氣，在煙道出口處煙氣溫度降低到800℃～1000℃，然后再向煙氣噴水，進(jìn)一步降溫到200℃以下，最后用靜電除塵器或文氏管除塵器除去煙氣中的煙塵，然后放散。②半燃燒法：此法不回收煤氣，利用余熱?？刂茝臓t口與煙罩間縫隙吸入的空氣量，一方面使煙氣中CO 完全燃燒，另一方面又要防止空氣量過多對(duì)煙氣的冷卻作用。高溫?zé)煔鈴臒熣诌M(jìn)入余熱鍋爐，利用余熱生產(chǎn)蒸汽，冷卻后的煙氣一般用濕法除塵凈化。③未燃法：此法回收煤氣，利用余熱。未燃法在爐氣離開爐口后，利用一個(gè)活動(dòng)煙罩將爐口和煙罩之間的縫隙縮小并采取控制爐口壓力或用氮?dú)饷芊獾姆椒刂瓶諝膺M(jìn)入爐氣，使?fàn)t氣中少量的CO 燃燒（一般8%～10%），而大部分不燃燒，經(jīng)過冷卻凈化后即為轉(zhuǎn)爐煤氣，可以回收作為燃料或化工原料，每噸鋼可以回收煤氣60Nm3～70Nm3，也可點(diǎn)火放散。

2021 年各月NOx 和SO2的排放情況。NOx 排放量隨著廢鋼比的增加明顯減少，由年初的0.82kg/t 減少到年底的0.36kg/t，下降了0.46kg/t，平均降低56.1%；每提高1%廢鋼比，每噸鋼降低NOx 排放0.0199kg/t。SO2排放量隨著廢鋼比的增加略有降低，由年初的0.402kg/t 減少到年底的0.302kg/t，下降了0.1kg/t，平均降低24.8%；每提高1%廢鋼比，每噸鋼降低SO2排放0.0043kg。

2021 年各月噸鋼CO2的排放情況。隨著廢品率的提高，CO2排放量從年初的1，803kg/t 顯著下降到年末的1，287kg/t，減少了516kg/t，CO2排放量減少每噸鋼28.6%；廢品率每增加1%，每噸鋼的二氧化碳排放量減少22.357 公斤。

5 結(jié)語

綜上所述，無論是鐵水、鋼種，還是生產(chǎn)、冶煉的操作，都會(huì)影響到轉(zhuǎn)爐廢鋼比。在鋼鐵冶煉過程中，一定要控制好溫度、技術(shù)、能耗等因素。另外，只要轉(zhuǎn)爐有能力吃廢鋼，實(shí)際上使用開辟轉(zhuǎn)爐——近型連筑、電爐——軋鋼兩種短工藝流程，在經(jīng)濟(jì)上也都較為劃算。通過提高廢品率，不僅提高了鋼鐵產(chǎn)量，給企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且降低了噸鋼能耗，減少了環(huán)境污染。顯著降低鐵水消耗：廢品率從3.7%提高到32.5%，鐵水消耗從1049 公斤/噸降低到734 公斤/噸，噸鋼成本降低。鋼材產(chǎn)量大幅增加，全年鋼材產(chǎn)量45095 萬噸，新增鋼材13572 萬噸。降低噸鋼總能耗9.9 公斤標(biāo)準(zhǔn)煤/噸。顯著減少環(huán)境污染：與2016年相比，現(xiàn)代的轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼材料數(shù)量為噸鋼CO2排放量減少了516公斤，平均情況下減少了28.6%。噸鋼SO2排放量減少0.1 公斤，平均損失24.8%，噸鋼氮氧化物排放量減少0.46 公斤，平均損失56.1%。

這些影響轉(zhuǎn)爐內(nèi)材料的次品率的主要因素為煉鐵條件、鋼材材料、金屬材料的生產(chǎn)組織的緊密程度，熔煉水平。對(duì)于一些鋼種材料，轉(zhuǎn)爐的廢品率主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，為外部提供熱源，這是為了為增加加熱器或者是預(yù)熱廢鋼的一種技術(shù)措施；第二，提高冶金企業(yè)的運(yùn)營水平，從而可以提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率。緊湊組織，提高留渣率，合理利用現(xiàn)有資源。廢鋼是一種可回收資源，在冶金過程中，轉(zhuǎn)爐中使用廢鋼作為材料，可以大大減少環(huán)境污染輕，降低其他不可再生資源的消耗，增加冶金企業(yè)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，提高轉(zhuǎn)爐鋼材的生產(chǎn)量，從而增加了冶金企業(yè)的長期發(fā)展觀點(diǎn)及發(fā)展戰(zhàn)略。煉鋼廠要使用科學(xué)合理的手段進(jìn)行轉(zhuǎn)爐廢鋼比的控制，提升生產(chǎn)質(zhì)量和效率，進(jìn)而使我國鋼鐵冶煉行業(yè)又好又快發(fā)展。