低鐵耗冶煉對鋼水中殘余元素的影響及控制措施

周 昊，李 萍，胡 濱，李傳振，劉智廣

（1 山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 萊蕪 271104；2 萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司，山東 萊蕪 271104）

1 前言

鋼鐵工業的主要鐵源為鐵礦石，每生產1 t 鋼大致需要各種原料4～5 t，能源折合標準煤0.7～1.0 t［1］。廢鋼是一種可循環再生資源，增加廢鋼的供應能力可以緩解鐵礦石的供應壓力，每采用1 t廢鋼，可相應減少消耗1.7 t 鐵精礦粉，從而少開采4.3 t 鐵礦石原礦［2］。目前受國內外鐵礦石、鐵精粉價格大幅上漲的影響，鐵水價格水漲船高，而廢鋼作為清潔能源，如何利用廢鋼置換鐵水，降低綜合生產成本，提高鋼產量，降低環境污染，成為當前企業重要的效益增長點。此種情況下，通過低鐵耗冶煉，降低噸鋼鐵水消耗量，提高使用廢鋼量，即節鐵增鋼，成為冶金行業經營生產的方向之一。

鋼廠自產廢鋼數量一定，入爐廢鋼量的增加勢必要提高外購廢鋼量，但由于外購廢鋼來源廣泛、用途多樣、種類繁雜、成分不明確、質量不穩定，冶煉過程中導致鋼水殘余元素含量超標，影響鋼水質量，惡化鋼材性能，需要鋼廠采取相關措施進行管控以期穩定鋼水殘余元素，減少對鋼材性能的不利影響。

2 廢鋼

廢鋼指的是失去其原有使用價值的鋼鐵制品以及在生產、加工的過程中產生的鋼鐵材料邊角料以及含有鋼鐵的廢棄物等。廢鋼按用途劃分，可分為熔煉用廢鋼和非熔煉用廢鋼。熔煉廢鋼按外形尺寸又可分為重型、中型、小型、統料和輕料型廢鋼等［3-4］。

鋼鐵企業所用的廢鋼按來源可分為自產廢鋼、社會廢鋼和進口再生鋼鐵原料［5］。自產廢鋼是指只在鋼鐵廠內部循環利用，不參與外部交易的廢鋼，例如切頭切尾、注余等，這類廢鋼來源明確，質地較純凈，稍加分類處理即可入爐冶煉。社會廢鋼是指從社會上采購的廢鋼，來源廣泛，用途多樣，成分不明確，廢鋼回收加工企業以機械加工為主，化學成分方面僅對部分廢鋼進行抽檢，無法對廢鋼依據成分進行分類。進口再生鋼鐵原料是指從國外購買的鋼鐵原料，但是在《再生鋼鐵原料》國家標準正式實施后，經過篩選加工后的再生鋼鐵原料進口量很少，與自產廢鋼和社會廢鋼量比起來微乎其微。

3 廢鋼中殘余元素

在煉鋼過程中，大量雜質元素伴隨著廢鋼進入煉鋼爐中，其中一部分雜質元素可以去除，但仍有一部分雜質元素最終將留在鋼中，這一部分留在鋼中的雜質（非有意添加的合金元素）統稱為殘余元素［6］。這些殘余元素按其氧化勢分為完全保留元素和部分保留元素兩類。完全保留元素的氧化勢低于鐵，在煉鋼時不參與氧化反應，最終幾乎全部積存在鋼中，這類殘余元素包括Cu、Ni、Co、As、W、Mo、Sn、Sb。部分保留元素的氧化勢與鐵相近，在煉鋼吹煉過程中，僅有一部分被氧化除去，這類殘余元素包括S、P、Mn、Cr、C、H、N［7］。針對廢鋼殘余元素，國內外發布的廢鋼標準做了相關規定。

（1）日本廢鋼分類標準。日本發布了廢鋼分類國家標準JIS G 2401—1979，按成分分5 大類：A 類為碳素鋼廢鋼；B 類為低銅碳素鋼廢鋼（Cu 為0.2%以下）；C 類為低磷低硫低銅碳素鋼廢鋼（P 為0.025%以下、S 為0.025%以下、Cu 為0.15%以下）；D類為合金鋼廢鋼；E類為雜用廢鋼。

（2）美國廢鋼分類標準。根據美國廢料回收工業協會（IS RI）的分類標準，美國廢鋼分類關注殘余元素Mn-1.65%、Cr-0.20%、Ni-0.45%、Mo-0.10%，當殘余元素含量不超過以上百分比時，可認定為無合金元素廢鋼，并且要求除Mn 元素以外的所有殘余元素含量之和不得超過0.60%。

（3）中國廢鋼分類標準。中國鋼鐵工業協會發布了關于廢鋼鐵分類的國家標準GB/T 4223—2017，標準中規定，廢鋼的碳含量一般＜2.0%，硫含量、磷含量一般≯0.050%。非合金廢鋼中殘余元素應符合以下要求：Ni≯0.30%，Cr≯0.30%，Cu≯0.30%；除Mn和Si外，其他殘余元素含量總和≯0.60%。雖然我國發布了廢鋼分類的國家標準，并對廢鋼中殘余元素做了相關要求，但實際中廢鋼的加工分類還是以剪切、打包、壓塊等機械加工為主。對廢鋼成分分析只能做到抽檢，不能做到分類管理。這種情況下低鐵耗冶煉，廢鋼量的增加勢必會造成鋼水中殘余元素含量的波動，最終影響產品質量。

4 廢鋼加入對鋼水殘余元素的影響

國內各大鋼鐵企業統計分析了低鐵耗冶煉下對鋼水殘余元素的影響。

福建三鋼閩光股份公司統計了2016—2018 年廢鋼消耗量、鐵水殘余元素以及鋼水殘余元素數據，結果如圖1、表1、表2所示。圖1為2016—2018年每月廢鋼消耗量，從中可以看出，廢鋼消耗量逐年增加。表1 為2016—2018 年鐵水的微量元素平均含量統計，從中可以看出，鐵水質量良好，殘余元素含量較低。表2 為2016—2018 年鋼水倒爐樣成分統計，從中可以看出，鋼水中殘余元素Cu、S、Cr、Ni 含量超標爐次呈逐年上升趨勢。通過研究推測是由于廢鋼消耗量增加，導致鋼水中引入的微量元素超標［8］。

表1 2016—2018年鐵水的微量元素平均含量（質量分數）%

表2 2016—2018年鋼水倒爐樣成分統計

圖1 2016—2018年每月廢鋼消耗量

河鋼集團唐鋼公司由于鐵水供應不足而提高廢鋼比，同時統計分析了鋼中殘余元素含量隨鐵水消耗量的變化趨勢，結果如圖2所示。隨著鐵水消耗的降低，廢鋼比的增加，鋼中殘余元素含量明顯增加，殘余元素含量總和增加了27.5%［9］。

圖2 低碳鋼中殘余元素含量隨鐵水消耗的變化趨勢

天津天鋼聯合特鋼有限公司結合自身工藝特點，在LF 精煉加廢鋼（鋼筋頭），同時統計分析了加入1 t 鋼筋頭對鋼水主要成分的影響，結果如表3 所示。結果表明，水中C、Si、Mn、P、S 均有不同程度增加［10］。

表3 鋼筋頭加入對鋼水主要成分的影響（質量分數）%

鞍鋼股份有限公司研究了加入不同類型廢鋼對超低碳鋼冶煉終點氮含量的影響，結果如表4所示。結果表明：不加廢鋼爐次的終點氮質量分數較低，平均含量達到0.001 8%，加入小粒度、輕薄廢鋼有利于氮含量的控制，可以將終點氮質量分數控制在0.001 8%～0.002 2%，加輕型廢鋼爐次鋼中氮質量分數在0.002 0%～0.002 4%，加重型廢鋼爐次鋼中氮質量分數在0.002 3%～0.002 7%［11］。

表4 廢鋼種類對終點氮含量的影響

5 控制措施

圖3 為國際鋼鐵協會（IIMA）展示的各種鋼鐵產品的典型殘余元素要求，可以看出，不同類型的廢鋼其殘余元素含量差別很大。從圖中還可以看出，各鋼種可接受的殘余元素也是不同的。國內各鋼鐵企業普遍依據廢鋼來源、廢鋼類型進行分類管理，同時改善優化廢鋼配加模型來應對低鐵耗冶煉下鋼水殘余元素的波動。

圖3 國際鋼鐵協會（IIMA）展示的各種鋼鐵產品的典型殘余元素要求

福建三鋼針對低鐵耗冶煉下殘余元素Cu、S、Cr、Ni含量超標問題，通過制定廢鋼分類措施、建立鋼水質量預警機制、加強異常廢鋼檢驗并建立異常廢鋼檔案、加強廢鋼雜質化驗、集中管理殘余元素含量超標廢鋼等措施，2019 年1—10 月鋼水中Cu、S、Cr 超標月平均爐數較2018 年分別降低了56.67%、65.07%、59.72%，Ni 成分超標月平均爐數較2018年稍有上升。

河鋼唐鋼針對低鐵耗冶煉下殘余元素含量總和增加的問題，采取廢鋼分類管理，按照廢鋼來源、質量等因素將廢鋼細分為20 種，通過冶煉不同鋼種時配加不同類型廢鋼，要求高的重點產品使用廠內自循環廢鋼，船板等產品以優質特級破碎料以及一類重型廢鋼為主，普通產品使用合格的全類型廢鋼，使鋼水中殘余元素含量降低，產品質量穩定。

天津天鋼聯合特鋼針對LF精煉加鋼筋頭后鋼水主要成分增加問題，通過對不同批次廢鋼成分化驗并分類配加，按照鋼種合金成分中下限進行冶煉，避免了廢鋼加入對鋼水成分合格率的影響。

馬鋼在生產潔凈鋼特別是IF鋼時，通過加強廢鋼管理，即外購廢鋼根據種類、自產廢鋼根據工序出處分類堆放并根據鋼種要求進行配加，使IF鋼中的殘余元素含量得到了有效控制，鋼水中Cr+As+Cu+Sn+Mo+Ni≤0.03%［12］。

萊鋼依據鋼種配加不同類型廢鋼，對成品［S］要求＜0.005%的鋼種，原則上100%使用自產優質廢鋼，若自產優質廢鋼資源緊張，可考慮外購優質廢鋼的使用；對走LF 路線、成品［S］要求＞0.005%的普通鋼種，以普通廢鋼為主；優質鋼種或走RH路線的普通鋼種，原則上使用自產優質廢鋼或外購優質廢鋼；合金廢鋼實行廢鋼專用，優先應用于有Cu、Ni、Mo等要求特殊鋼種；冶煉對Cu、Ni、Mo等殘余元素有嚴格限制的鋼種時，嚴禁使用合金廢鋼。

6 廢鋼智能分類技術

在鋼鐵廠自產廢鋼量保持穩定的情況下，低鐵耗冶煉勢必會加大社會廢鋼的采購使用量，廢鋼智能分類技術應運而生。國內鐳目公司開發了廢鋼智能判級系統，通過內置智能自適應算法，不僅能完成整車規整料型的評級工作，也能實現多厚度、混搭料型的精準測算和評級扣重工作，大大降低了操作人員的勞動強度，促進了廢鋼檢驗工作的安全、精準、高效運行。但當前廢鋼智能分類技術主要集中在料型方面，涉及廢鋼成分進行智能分類的研究還很少，有少數鋼鐵企業通過采用手持式XRF和LIBS 分析儀進行廢鋼成分抽檢，顯然這種檢測方法并不適合大規模廢鋼成分檢驗。

北京科技大學程樹森教授課題組率先將機器視覺及機器學習技術與LIBS 技術相結合，針對廢鋼銹層、廢鋼鍍層以及廢鋼中合金元素智能分類技術進行了探索性研究，其中廢鋼合金元素智能分類研究了基于LIBS技術利用定標法和自由定標法對低合金鋼和高合金廢鋼進行快速定量檢測，為以后工業化應用奠定了基礎［13］。

7 結語

在環保政策趨緊、碳排放限制增強的態勢，以及鐵礦石和焦炭價格高啟的情況下，各大鋼企均面臨限產、控制碳排放的問題，低鐵耗冶煉已成為大勢所趨。為應對煉鋼過程中廢鋼消耗量增加引起的鋼水殘余元素波動甚至是超標，國內各大鋼鐵企業重視廢鋼的分類、利用和管理，通過區分自產廢鋼、外購廢鋼，冶煉不同鋼種配加不同廢鋼進行鋼水成分控制。同時，廢鋼智能分類技術的需求也越來越明顯，這促使各大高校、鋼鐵企業在廢鋼成分智能檢測方面的研究，加快了工業化應用的步伐。