影響轉爐廢鋼比的原因分析及對策

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，從而減少環境污染，可將資源進行可持續發展。冶金過程中，轉爐工藝主要的鋼廠要求轉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。鋼鐵冶金工業發展中，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。對于生產同樣鋼種來說，廢鋼優先用于轉爐是科學合理的。煉鋼廠要多用廢鋼，少用鐵水，有利于節能減排、保護環境、減少污染，實現資源的可持續利用。所以，煉鋼廠如果使用轉爐煉鋼法，為了進一步減少鐵礦石的消耗量，亟須提高爐料中的廢鋼比。隨著當代冶金工業的不斷發展，廢鋼材料累計會逐漸增加，這樣會導致廢鋼價格不斷下降，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。我國預計在2023 年，鋼鐵的儲存量可達到約為100 億噸，廢金屬年產量將超過22 億噸。在2025 年，我國的鋼鐵儲備量可達到120 億噸，廢鋼的年產量則會超過22 億噸7 億噸～3 億噸，到2030 年我國鋼鐵儲量達到132 億噸，廢金屬年產量將超過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，降低轉爐的生產成本，從而增加冶金的生產的經濟效益，這也使鋼鐵行業的發展越來越普遍。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境污染和累計能耗，可以提高轉爐生產效率，增加公司的經濟效益，是長期的對公司的看法及發展戰略。

1 轉爐煉鋼和提高轉爐廢鋼比的重要性

轉爐煉鋼主要目的是消除鐵水中多余的硅、錳、磷、硫等元素。為了保護爐襯，有效脫除硫、磷等有害雜質元素，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，產生爐氣的過程中，都要帶走熱量。實際生產中，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，轉爐廢鋼用量比例大約是25%，但實際生產過程中，會因為操作水平、原材料等方面因素的約束，實際的廢鋼比一般會低于這個水平。如果入爐溫度較低，出鋼溫度較高，會使得轉爐廢鋼變得比較低。我國許多煉鋼廠已經探究和使用多種工藝，在使用加燃料等措施后，轉爐廢鋼比可提高到大于40%。為了提高轉爐廢鋼比，無論是增加轉爐的熱源，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爐廢鋼比密切相關，其硅含量多少，與受分配鐵水的高爐情況相掛鉤。如果鐵水的高爐設置的是大高爐，則鐵水中硅的含量會低于小高爐中的鐵水。而鐵水溫度低，同樣會降低廢鋼比，通常與運輸時間、兌鐵、脫硫扒渣等因素有關。運輸時間方面，按照運輸過程中溫降為每分鐘1℃計算，其時間用的越久，溫度降低量會越多，運輸后的鐵水溫度也更低。兌鐵時間若是較長，也會導致鐵水溫降大。比如，兌一罐鐵的溫降會小于三罐兌鐵。而對于脫硫扒渣操作來說，經實際數據研究后發現，該操作會引起一定的鐵損和溫損，每罐脫硫扒渣后，平均溫度會至少損失20℃，對鐵水溫度影響較大。

2.2 爐型問題

如果爐型呈現高度較低、寬度較大的形狀，會直接造成爐內噴濺物灑到爐外，并產生熱量損失，與高度較高、寬度較小形狀的爐型相比，其廢鋼比會受到一定的影響。爐型設計上只有多設計為瘦高型，才能多吃廢鋼。

2.3 留渣操作問題

實際上，該操作有助于保存熱量，能有效降低爐內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。生產低碳鋼時，其爐內爐渣的氧化鐵含量較高，而留渣操作時火較大，不方便控制。另外，廠房的高度也有一定影響，在操作時，如果爐前吊車的主梁高度較低，爐口的火會燒壞吊車上的主減速機和卷鋼繩。

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，然后再進行測溫和取樣。兩套工序不同，測得的硅含量也會有所差異，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、碳含量符合標準，在冶煉低硫和低碳鋼種過程中，加入白灰等渣料的量，會比冶煉正常鋼種時要多。而且，目前一些煉鋼廠在鋼種選擇上，生產上述兩種鋼的情況比以前更多，轉爐廢鋼加入量也會受到影響。

2.6 風機運行時間問題

一些煉鋼廠為了提高除塵效果，風機調為高速運轉的時間會提前一些。因為風機在高速運行時，其抽力較大，同時也會帶走一些爐氣的熱量，同樣影響了轉爐廢鋼比。

2.7 廢鋼加熱溫度問題

實踐證實，廢鋼最適宜的加熱溫度在大約800℃，如果溫度大于900℃，廢鋼氧化速度會急劇升高，會引起金屬損失和兌鐵時發生強烈反應，也會加大廢鋼內溫度差，使加熱時間有所延長。由于可變因素較多，廢鋼加熱時的效果較難確定，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，有助于吸收燃料產生的熱量。

3 提高轉爐廢鋼比的對策

3.1 宏觀措施

（1）減少兌鐵罐數。為了提高轉爐廢鋼比，減少在兌鐵過程中鐵水散失的物理熱，可以減少對鐵罐數。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，煉鋼廠應采取有效對策，使爐渣的物理熱、成渣過程中的化學熱得以充分利用。

（3）降低出鋼溫度。該方法是一項系統性比較強的工程，不但要嚴格控制生產周期，還應該科學合理地協調生產系統。在此過程中，大罐周轉時間有所下降，提高了轉灌出鋼溫度，減少了熱量損失，降低切削溫度。可以看出，這種方法可以減少轉爐的熱耗，而余熱增加了廢鋼的加入量。降低出口溫度可以減少轉爐熱耗，將剩余的熱量來增加廢鋼材料的用量。降低轉爐排放溫度已經成為系統工程，需要整個冶金生產系統之間進行高度協調，從而來縮短生產周期。在縮短了生產周期以后，轉爐中的周轉時間縮短，爐內的熱量損失相對減少，從而有效提高轉爐內轉罐的溫度，減少出料時的溫度損失，減少放電溫度。

（4）合理利用鐵水資源。在目前現有的生產條件下，煉鋼廠要進一步提升鐵水中硅含量預測和評估的準確性，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生的化學熱。

（5）減少轉爐的空爐時間。轉爐空爐后，以傳導、對流、輻射的形式，高溫爐襯會散發熱量。因此，煉鋼廠要提高生產節奏，以便于縮短空爐的時間。

3.2 具體措施

3.2.1 進行廢鋼預熱

該方法設備投資較大，維護和使用費用也較高。但如果可以利用廢氣余熱，能夠切實減弱廢鋼冷卻效果，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→在預熱站加蓋保溫→廢鋼預熱至600℃～1900℃→連接鐵水高爐→加蓋保溫鋼廠→將其添加到轉換器。該流程的特點是：①操作復雜；②投資很大，除了增加一定數量的設備添加廢鋼和一個鐵水罐焙燒爐外，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鐵水在運輸過程中的溫降可降低20℃～30℃，轉爐廢鋼量增加約0.3kg/℃。廢鋼預熱以及廢鋼利用的各種方法：廢鋼作為再生資源，被國內各個鋼鐵公司大量收購，鋼鐵公司現在都在極力大量地使用廢鋼，目前廢鋼預熱的方法有以下幾種：①首先可以在高爐中加廢鋼，但是對廢鋼料型有限制，還有含油的廢鋼容易糊死布袋，所以這個辦法很有局限性；②在鐵水包里加廢鋼，但是在鐵水包里加涼廢鋼會引起粘包和噴濺等事故，這樣就應該把廢鋼先預熱一下就可以了，也有在魚雷罐廢鋼預熱的，還有在混鐵爐前廢鋼預熱的；③轉爐爐前加廢鋼預熱；④高位料倉加廢鋼預熱，高位料倉加廢鋼預熱也是很不錯的，但是對料型要求很高；⑤轉爐爐后廢鋼預熱，爐后廢鋼預熱可以采用豎爐形式的，對料型也是有要求的；⑥精煉爐廢鋼預熱，精煉爐廢鋼預熱和爐后廢鋼預熱差不多，要求也是要用精品廢鋼。

3.2.2 廢鋼槽預熱裝置

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

3.2.3 鋼包預熱廢鋼

工藝流程為：合格的包邊廢料→加入鋼包→預熱裝置至600℃～800℃→運輸鋼包車到出料位置→轉爐出料→底吹氬攪拌→上升到鋼包爐。該工藝的特點是：①廢鋼預熱速度快；②報廢必須是合格的包裝報廢；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備，不能添加廢鋼；⑤廢鋼與鋼水混合后，溫度應達到1540℃左右，高于鋼種的液相線溫度。

3.2.4 爐后設置預熱廢鋼料倉

工藝流程為：合格廢鋼材料→底部開口料罐→料倉→預熱至600℃～800℃→振動給料機→中間稱量倉→料斗。該工藝特點：①廢鋼預熱速度快；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；無法添加后續加熱設備，例如LF；⑤廢鋼混入鋼水的溫度應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，熱壓鐵應運而生。實際應用時，在料倉加熱壓鐵后，可以依照鐵水條件補加廢鋼，使鐵水內在資源獲得充分利用，最大量加入廢鋼。

3.2.6 使用提溫劑

為了增加煉鋼系統外部熱源，使廢鋼加入量有所提升，可以向爐內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生的冷卻作用。一般來說，加入提溫劑會直接隨同廢鋼一同加入，但要求較高，計算錯誤會導致鑄鐵資源的過度使用或過度氧化。也可添加至高位料倉，可根據鐵水情況隨機添加，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加入爐內，不存在二次調整的可能。鐵水經料斗加熱加壓后，可根據鐵水情況隨時添加廢鋼，充分利用鐵水內部資源，最大限度地添加廢鋼。

4 高廢鋼比的效益

在轉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，利用大量的過剩空氣和水冷煙道冷卻燃燒后的煙氣，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。控制從爐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煙氣的冷卻作用。高溫煙氣從煙罩進入余熱鍋爐，利用余熱生產蒸汽，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，利用一個活動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氣密封的方法控制空氣進入爐氣，使爐氣中少量的CO 燃燒（一般8%～10%），而大部分不燃燒，經過冷卻凈化后即為轉爐煤氣，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 結語

綜上所述，無論是鐵水、鋼種，還是生產、冶煉的操作，都會影響到轉爐廢鋼比。在鋼鐵冶煉過程中，一定要控制好溫度、技術、能耗等因素。另外，只要轉爐有能力吃廢鋼，實際上使用開辟轉爐——近型連筑、電爐——軋鋼兩種短工藝流程，在經濟上也都較為劃算。通過提高廢品率，不僅提高了鋼鐵產量，給企業帶來了顯著的經濟效益，而且降低了噸鋼能耗，減少了環境污染。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。鋼材產量大幅增加，全年鋼材產量45095 萬噸，新增鋼材13572 萬噸。降低噸鋼總能耗9.9 公斤標準煤/噸。顯著減少環境污染：與2016年相比，現代的轉爐內鋼材料數量為噸鋼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%。

這些影響轉爐內材料的次品率的主要因素為煉鐵條件、鋼材材料、金屬材料的生產組織的緊密程度，熔煉水平。對于一些鋼種材料，轉爐的廢品率主要表現在兩個方面：第一，為外部提供熱源，這是為了為增加加熱器或者是預熱廢鋼的一種技術措施；第二，提高冶金企業的運營水平，從而可以提高轉爐生產效率。緊湊組織，提高留渣率，合理利用現有資源。廢鋼是一種可回收資源，在冶金過程中，轉爐中使用廢鋼作為材料，可以大大減少環境污染輕，降低其他不可再生資源的消耗，增加冶金企業經濟生產，提高轉爐鋼材的生產量，從而增加了冶金企業的長期發展觀點及發展戰略。煉鋼廠要使用科學合理的手段進行轉爐廢鋼比的控制，提升生產質量和效率，進而使我國鋼鐵冶煉行業又好又快發展。