轉爐發熱劑的研究與應用進展

劉倫 易衛方 王玉兵 周永 柯凱 彭其春 李建立 彭霞林 劉紅軍 向往

【摘要】本文對轉爐發熱劑的發展歷程進行了簡要介紹，在此基礎上對發熱劑的的原理和作用進行了論述說明，并對鋁質、硅質和碳質三種發熱劑的分類標準，使用效果和優缺點進行了分析。最后對轉爐發熱劑的發展趨勢進行了展望和預測。

【關鍵詞】轉爐煉鋼;發熱劑;鋼水化學加熱法;高廢鋼比

Research and application progress of heating agent for converter

Liu Lun1，Yi Weifang1，Wang Yubing1，Zhou Yong1，Ke Kai2，Peng Qichun2，Li Jianli2，Peng Xialin3，Liu Hongjun3，Xiang Wang3

（1. Zhejiang Hongfeng burden Co.，Ltd，Changxing 313100，China;

2. Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China;

3. Hunan Valin Lianyuan Iron and Steel Co.，Ltd，Loudi 417000，China）

Abstract：In this paper， the development course of the heating agent for converter was briefly introduced. Based on the introduction， the principle and function of heating agent for converter were discussed. And then the classification standards， application effects of the heating agents and their advantages and disadvantages concerning three types of aluminum， silicon and carbon heating agents were analyzed. Finally， the development trend of heating agent for converter was prospected and predicted.

Key words：converter steelmaking; heating agent;chemical heating of molten steel;high scrap ratio

改革開放以來，中國鋼鐵工業迅速發展，鋼鐵產量快速增長并且常年位居世界第一。據世界鋼鐵協會最新初步統計，2020年全球粗鋼產量為18.64億噸，較2019年的18.75億噸同比下降0.6%（受新冠疫情影響），而我國2020年粗鋼產量達到了10.53億噸，同比增長5.2%，占世界粗鋼總產量的56.5%，這的確是一個讓人驕傲的成績。但與此同時，我國廢鋼的產出量也在逐年增長，廢鋼產出量的持續增長，繼而導致了廢鋼價格的持續下降。

轉爐煉鋼是以鐵水、廢鋼、鐵合金為主要原料，通過鐵水本身的物理熱和鐵水內各種元素的氧化放熱產生的熱量在轉爐中完成煉鋼過程[1]。所以轉爐煉鋼需要合適的鐵水比，來滿足冶煉過程中爐內造渣、熔池升溫所需的熱量，保證轉爐冶煉終點溫度，確保連鑄的順行進行[2]。隨著近年來廢鋼價格的逐漸下降，廢鋼價格較相對于鐵水價格而言，具有一定的優勢，而且廢鋼是可以循環回收利用的資源。所以通過提高廢鋼比不僅可以有效降低鐵水消耗、節約生產成本，還能大幅度降低環境污染和綜合能耗。但是，廢鋼的熔化是需要吸收大量熱量的，在減少鐵水量、提高廢鋼比的情況下，必然會導致煉鋼過程中出鋼鋼水溫度不足的問題。為了解決轉爐煉鋼終點鋼水溫度不足的問題，鋼水化學加熱法，即轉爐發熱劑的研發毫無疑問具有十分重要的現實意義。

1 ?轉爐發熱劑的發展歷程

鋼水化學加熱法是伴隨著爐外精煉和連鑄技術發展起來的，一種用于鋼水再加熱的工藝技術。這種技術起始于1982年，日本新日鐵公司為了提高鋼水溫度，減輕轉爐冶煉高溫鋼種的負荷，新日鐵八幡廠采用了具有鋼包加熱功能的鋼包精煉法—CAB-OB法。該技術從鋼包底部吹氬攪拌鋼水，再通過CAS浸入管加鋁的同時用頂吹氧槍吹氧，用氧和鋁的燃燒熱使鋼水溫度上升，滿足了鋼包鋼水快速升溫的要求，從而減輕轉爐冶煉高溫鋼種的負荷[3-4]。CAB-OB法的成功實踐大大推動了鋼水化學加熱法的發展，隨后相繼出現了IR-UT[5]、喂線吹氧[6-7]、RH-OB[8]及RH-KTB[9]等化學加熱法。相較于電熱法（使用電能加熱），化學加熱法升溫速度快、升溫幅度大、設備簡單、操作簡便且投資少，因而成為了鋼水加熱的主要方法[10-11]。

在鋼水化學加熱法傳入國內后，在國內也得到了快速發展。寶鋼CAS—OB裝置為挽救低溫鋼水，保證鋼液二次精煉以及連鑄的正常進行，減輕轉爐負擔起了很大的作用[12]。但是當時發熱劑的品種較為單一，基本使用工業純鋁作發熱劑。隨著科學技術的快速發展，越來越多的生產實踐表明，鋁質發熱劑還是有著諸多不足之處。因此，越來越多的科學家開始將目光轉向的非鋁發熱劑的研究和探索，隨后出現了碳、硅鐵、硅鈣鋇、Al-CaO等一系列發熱劑。

近年來，隨著廢鋼價格的逐步下降，不管是從節約成本的角度還是從環境保護角度來說，轉爐煉鋼過程中提高廢鋼比，降低鐵水消耗都是一種十分有效的措施。在以前，轉爐煉鋼的廢鋼比在5%～15%左右，但現在廢鋼比提高到了30%～50%。以前廢鋼熔化消耗的是煉鋼過程中鐵水富余的熱量，進而保證煉鋼過程的熱平衡，而現在轉爐所加入的廢鋼占比大大增加，所需要的熱量是以前煉鋼過程富余熱量根本滿足不了的，完全破壞了以前轉爐煉鋼的熱平衡體系，所以必須采取一些手段來提高鋼水溫度。因此，國內企業嘗試將化學加熱法運用在轉爐上，實踐證明，這一做法是完全能夠實現的。武鋼集團昆明鋼鐵股份有限公司煉鋼廠在節鐵增鋼工作中，在不增加任何設備的情況下，采取爐內添加碳質轉爐用調溫劑補償溫度的工藝，有效彌補了爐內欠缺的熱量，滿足了爐內熱平衡要求，且對鋼水質量無明顯負面影響[13]。首鋼長治鋼鐵有限公司在80t轉爐上使用焦炭作為發熱劑，滿足了降低鐵水消耗的要求，提升了產能，創造了良好的經濟效益[14]。所以用于轉爐上的化學加熱法是完全可行的，轉爐發熱劑也由此誕生了。

在轉爐發熱劑成功應用后，越來越多的企業加入了這項技術的開發使用，轉爐發熱劑得到了快速的發展，相關工藝制度也得到優化和改善。

2 ?轉爐發熱劑的原理和作用

盡管轉爐煉鋼過程是一個非常復雜的物理、化學變化過程，但它依然遵守質量和能量守恒定律。轉爐煉鋼的熱平衡為煉鋼過程中熱收入熱量和熱支出熱量之間的平衡，其中熱收入熱量主要是鐵水的物理熱和鐵水中各元素的氧化反應產生的化學熱，而熱支出熱量主要是鋼水的物理熱和爐渣的物理熱[15]。在降低鐵水消耗和提高廢鋼比的條件下，鐵水的物理熱會減少，廢鋼熔化吸熱升溫需要的熱量會增加，此時，為保持煉鋼過程中的熱平衡，能采取的手段有：提高鐵水溫度、增加元素氧化反應的放熱、降低出鋼溫度、降低爐內渣量、廢鋼預熱、合理控制冶煉時間等[16]。

轉爐發熱劑，是通過加入能與氧反應放出大量化學熱的元素來達到提升煉鋼過程中的鋼水溫度的目的，即增加元素氧化反應放熱，是解決轉爐鋼液升溫問題的一種非常有效的方法。最開始出現的發熱劑是純鋁，之后因為成本太高，國內科學家開始轉向非鋁發熱劑的研究。喻淑仁等[17]根據文獻[18-19]中的熱力學數據，先后計算了B、Si、Al、C、Mg、Ti、Ca等多種元素的元素氧化熱效應和理論升溫值，見表1[17]。最后綜合熱效應值、升溫值、生產成本、工藝要求等諸多因素，最終選定Si和C為主要發熱元素進行開發實踐。目前，市面上使用最為廣泛的便是硅質和碳質發熱劑。

3 ?常見發熱劑

從發熱劑本身的主要發熱元素來區分，常見的轉爐發熱劑可分為鋁質發熱劑、硅質發熱劑、碳質發熱劑和其復合發熱劑等。但不同發熱劑對轉爐煉鋼的作用、效果是有所區別的，不同的廠家應該根據自身的條件和需要，選擇合適的鐵水比和發熱劑，進而達到提高廢鋼比，優化鋼水質量，降低生產成本等效果。

3.1 ?鋁質發熱劑

鋁質發熱劑，即以Al為主要發熱元素的發熱劑，鋁質發熱劑基本采用工業純鋁，在碳、硅發熱劑還未研發時，有著較為廣泛的使用。盡管鋁質發熱劑有著發熱能力大、熱效率高、鋼水升溫快和生成產物為中性氧化鋁、夾雜易排除、對爐襯無大的影響等優點，但它使用過程中也有著諸多缺點：（1）殘留的酸溶鋁含量過高時，易導致澆注是中間包水口結瘤，影響連鑄順利進行;（2）對于一些特殊鋼種，如低鋁或無鋁鋼種，不能使用鋁質發熱劑[20];（3）使用鋁質發熱劑會顯著增加生產成本，這也是企業放棄使用鋁質發熱劑的主要原因。

3.2 ?硅質發熱劑

硅質發熱劑，即以Si為主要發熱元素的發熱劑，常見的硅質發熱劑有硅鋁、硅鈣鋇和硅鐵等，目前市面上最常用的硅質發熱劑為硅鐵。首鋼盛唐所用硅鐵發熱劑，其Si含量超過74%，其粒度為10-50mm;小于10mm者和大于50mm者均不得超過5%，其余無成分要求。

邱慧玲等[21]和王海川等[22]對硅質發熱劑的實驗研究表明：硅質發熱劑有著升溫速度快，熱效率高，發熱能力大等優點，有著很高的實用價值。用硅質發熱劑（尤其是硅鐵、硅鈣鋇）能得到近似用鋁質發熱劑進行升溫處理的效果，盡管硅質發熱劑的消耗量比鋁質發熱劑高，但是成本會更低[23]。

當然，硅質發熱劑在使用過程也有一些缺點：（1）盡管硅質發熱劑的成本較鋁質發熱劑而言更低，但相對于焦炭等碳質發熱劑而言，成本還是較高;（2）樂可襄等[24-25]研究硅質發熱劑對爐襯耐火材料的侵蝕實驗表明：使用硅質發熱劑對爐襯有著侵蝕效果，需要加入CaO以提高爐渣堿度，從而減輕SiO2對爐襯的侵蝕，同時保證爐渣堿度還能防止回磷、回硫，進而提高爐渣的脫磷和脫硫效果。這是限制硅質發熱劑使用的主要原因，加入硅質發熱劑后，需要補加CaO用以平衡爐渣堿度，這其中還需要對工藝流程進行相關優化，才能讓硅質發熱劑發揮更好的效果。

3.3 ?碳質發熱劑

碳質發熱劑，即以C為主要發熱元素的發熱劑，常見的碳質發熱劑有煤、石墨、焦炭等。文獻[26]指出，碳的化學反應熱效應值與碳的結構有關，單從發熱值考慮，優質煤的發熱值最高，但天然煤的雜質含量高，會影響鋼水質量，因此選擇焦炭作發熱劑更合適，目前市面上的碳質發熱劑最常用的便是焦炭。寶鋼所用焦炭發熱劑，其C含量超過90%。

使用碳質材料做發熱劑有一些顯著的優勢：（1）碳質材料來源廣泛，資源豐富，并且相較于Al、Si等材料，有著顯著的價格優勢，能大大節省煉鋼成本;（2）C的氧化產物均為氣體，極易排除，不會影響鋼水質量;（3）單質碳的氧化熱效應值較高，特別是在C完全氧化后，其氧化熱效應值非常高。所以，提高碳的完全氧化率能顯著提升碳質發熱劑的升溫效果。

然而，碳質發熱劑在使用過程中也會帶來一些問題：（1）為了增強碳的反應性能，提高其反應速度，宜將焦炭等破碎加工成粉粒狀后加入粘結劑等材料制成球狀使用[17]，而且這種發熱球含粉量大，從高位料倉加入時會損失一部分，利用率低;（2）C與Al、Si相比升溫速度慢，而前期熔池溫度低，加入碳質發熱劑會影響前期的化渣，不利于脫磷;（3）由于碳質發熱劑是依賴C與吹入熔池中的氧發生氧化反應放熱，來達到補充爐內熱量、提高溫度的目的，所以會延長吹氧時間，也就是說，使用碳質發熱劑會延長冶煉周期[2]，這是制約碳質發熱劑使用的主因。因此，為提高碳質發熱劑的升溫效果，縮短反應時間以縮短吹氧時間，以達到縮短冶煉周期的目的，還需要采取相關工藝優化方法，如提高供氧強度、擴大氧化反應面積、使用新型高效氧槍噴頭等。

3.4 ?碳硅復合發熱劑

碳硅復合發熱劑，即將碳質和硅質材料按一定比例混合在一起而制成的發熱劑。這種發熱劑綜合了碳質和硅質發熱劑的優缺點。相較于焦炭等碳質發熱劑，碳硅球的物理性質穩定，含粉量少，利用率高，熱效應值更高，發熱能力更大。相較于硅鐵等硅質發熱劑，碳硅發熱劑的成本更低，需要補加的CaO含量也更少。碳硅發熱劑是一種很優秀轉爐發熱劑，在目前市場上也得到了較為廣泛的使用。寶鋼所用硅碳發熱劑，其Si含量為18%，C含量為60%。

4 ?新型發熱劑

近年來，能源和環境問題已經成為全球關注的焦點，我國在經濟建設上在取得巨大成就的同時，經濟發展和資源環境的矛盾也日益突出[27]。伴隨著全行業市場經濟競爭的不斷加劇和國家“循環經濟”政策的引導，實現對工業廢棄資源的控制和回收利用得到了越來越多的鋼鐵企業的重視和推廣[28]。因此，使用一些合適的工業廢料用來生產轉爐發熱劑，不僅能響應國家的政策號召，順應當前時代潮流，還能顯著降低生產成本，創造更多利潤價值，同時，也能減輕環境污染和資源壓力，可謂一舉多得。目前，國內已經有不少企業擁有這種回收利用工業廢料來開發新型發熱劑的相關成果。

專利CN110951939A[29]介紹了一種新型高效硅質發熱劑，它由以下原材料按重量百分比構成：單晶硅切割微粉，8%～16%;提銅尾料硅微粉，36%～46%;冶煉金屬硅尾料硅渣塊，23%～29%;碳化硅切割粉，3%～15%;增碳劑尾料，7%～11%;粘接劑，2%～4%。將上述組分混合均勻，然后壓制成直徑為35～42mm球狀體。這種發熱劑有著相當大的優勢：（1）熱效應值高，此發熱劑中的Si含量為50%～60%，而Si熱效應值高，而且C含量≥6%;（2）生產成本低，此發熱劑所用原料除粘接劑外，其余原料均為工業廢料，價格便宜。

專利CN108165697A[30]介紹了一種新型硅鋁發熱劑，它由以下原材料按重量百分比構成：工業硅粉（晶體硅切割廢料，金屬硅含量為70%～95%），40%～60%;AD粉（工業煉鋁渣料，鋁含量為5%～35%），20%～40%;氧化鐵原料（FeO含量為80%～95%），10%～30%;其余為粘結劑、添加劑。將上述組分合理配比，然后用高壓對輥壓球機壓成球狀體。顯然，這種發熱劑也有著熱效應值高，生產成本低的優點。

5 ?結語和展望

隨著煉鋼技術的不斷發展，廢鋼資源的進一步豐富，還有國家對資源回收利用和環境保護的進一步重視，降低鐵水消耗、提高廢鋼比已成為轉爐煉鋼技術發展的一種必然趨勢。這不僅能響應國家的政策號召，也能明顯降低生產成本。然而，低鐵耗高廢鋼比必然會導致煉鋼過程中鋼液溫度不足的問題，除了改善優化煉鋼工藝之外，轉爐發熱劑毫無疑問是最有效的解決此問題途徑之一。因此，轉爐發熱劑的使用從以前的只在特定情況下使用轉變為每爐鋼基本都在使用（特定鋼種除外），從以前的可用可不用變成了現在的不可或缺。盡管目前的發熱劑還有著一些缺點，但在實際生產都能有效解決鋼液溫度不足的問題，其作用是毋庸置疑的，其價值是肯定的。

當然，這種低鐵耗高廢鋼比的煉鋼技術的發展也會帶來一系列的問題。在這之中，以前的轉爐智能煉鋼系統鋼水終點成分和溫度命中率明顯降低應該是很多鋼鐵企業亟待解決的問題了。以前的智能煉鋼系統是基于轉爐煉鋼過程中的物料平衡與熱平衡體系建立機理模型，利用加入的鐵水量、熔劑加入量等數據來預測冷卻劑（鐵礦石、氧化鐵皮等）的加入量，需要預測發熱劑加入量的情況很少。但隨著廢鋼比提高，以前的平衡體系基本被破壞了，需要預測的更多的是發熱劑的加入量，因此以前的智能煉鋼系統的鋼水終點成分和溫度命中率下降了。所以企業的煉鋼系統也需要做出相應的更新換代來適應這種改變，而且在人工智能和算法模型高速發展的今天，利用BP人工神經網絡、GBR集成學習等算法模型，能夠得到比機理模型準確度更高的供氧量、熔劑加入量，進而得到準確度更高轉爐終點成分和溫度命中率。

發熱劑，即鋼水化學加熱法，從最開始運用在爐外精煉上，到現在運用在轉爐中，如果將其運用在現代電弧爐煉鋼上應該也能取得不錯的效果。相比于傳統電弧爐煉鋼，現代電弧爐煉鋼為了提高生產效率，縮短冶煉周期，采取了高功率供電、廢鋼預熱和強化供氧等措施。因此，現代電弧爐的功能越來越豐富，和轉爐的功能已經很接近了，也有單獨的氧槍進行供氧操作，這就為發熱劑的添加提供了便利，如果加入適量發熱劑來進行鋼水升溫，這樣就能減少電能的消耗，來達到減少成本的效果。當然這只是本人的一些淺見，還需要真正的生產實踐來實現。

查閱相關資料就會發現，最近十年期間有關發熱劑的文獻并不多，可想而知發熱劑所受重視程度是多么低，發展是多么的緩慢，目前市面上轉爐發熱劑使用的最多的仍然還是焦炭、硅鐵和碳化硅這些發熱劑，雖然有著回收利用工業廢棄資源用來研發的新型發熱劑，但這卻并不是主流。因此，企業應該對發熱劑的研究開發提起重視，盡管發熱劑在煉鋼過程中并不是至關重要的一環，但卻也是不可或缺的一環，其作用不容忽視。

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