高廢鋼比對轉爐煉鋼工藝的影響及應對措施分析

侯 榮

（南京鋼鐵聯合有限公司第一煉鋼廠，江蘇 南京 210035）

0 引言

轉爐煉鋼工藝是我國大部分煉鋼廠的基礎煉鋼工藝，主要煉鋼原料為廢鋼和鐵水[1]。在各個行業對于鋼材質量要求不斷提高、高爐鐵水煉鋼成本持續增加、優質焦煤資源數量日漸減少、節能減排壓力逐步增大的形勢下，我國廢鋼產生量一直處于增長態勢，廢鋼市場銷售價格則持續降低，煉鋼廠通過轉爐煉鋼工藝不但能夠減少對煉鋼原材料和資源的依賴程度，還能夠實現對廢鋼等煉鋼資源的有效利用，有利于同時實現減少工業生產資源消耗和環境污染影響的雙重目標。近年來，為了充分應用轉爐煉鋼工藝，許多煉鋼廠從原本的低廢鋼轉向了高廢鋼比，因此有必要強化高廢鋼比對轉爐煉鋼工藝的影響分析。

1 轉爐高廢鋼比煉鋼的關鍵單元技術

1.1 廢鋼預熱技術

廢鋼預熱是為提高轉爐煉鋼廢鋼比的基礎技術，常見廢鋼預熱形式包括爐內預熱和爐外預熱[2]。其中，爐內預熱指的是在轉爐內先后加入廢鋼和燃料，上部噴吹燃料達到的廢鋼預熱效率約為50%，下部噴吹燃料達到的廢鋼預熱效率約為70%。爐內預熱形式的最大問題是噴吹燃料會占用煉鋼時間，為了解決這一問題，有國外公司選擇同時進行下部噴吹燃料、側吹燃料的廢鋼預熱燃料添加形式。而爐外預熱主要是通過轉爐爐氣的物理熱和化學熱完成廢鋼預熱操作，該預熱方式最大問題是廢鋼能夠吸收的爐氣熱量有限[2]。

在此基礎上，提出一種在鐵水包內展開預熱的廢鋼預熱形式，具體工藝流程是，在鐵水包內放置規格較小的廢鋼，通過鐵水包烘包產生的熱量對廢鋼展開預熱。如果廢鋼預熱溫度達到1 000 ℃時，廢鋼比能夠提高18%。根據能量平衡及物料平衡的原則，可以繪制如圖1 所示的轉爐廢鋼比增加量與鐵水溫度增加量關系圖。

圖1 轉爐廢鋼比增加量與鐵水溫度增加量關系圖

1.2 二次燃燒技術

二次燃燒在轉爐高煉鋼中的應用不但能夠提高廢鋼比，也不會增加煉鋼時間[3]。具體來講，煉鋼廠可以通過上調頂吹氧槍位置的形式增加二次燃燒率，為了避免槍位上調削弱O2射流沖擊能力，有技術人員研發了具備副孔吹氧功能的二次燃燒氧槍。部分煉鋼廠應用轉爐側面設置了噴嘴，通過調整噴嘴位置和角度，也能夠增加二次燃燒率。頂吹氧槍位置、調整噴嘴位置和角度調整均能夠將廢鋼的二次燃燒率提高至30%左右，是轉爐煉鋼二次燃燒率提高的極限值，此時的廢鋼比能夠提高10%。

1.3 燃料添加技術

添加或變更燃料是提高轉爐煉鋼廢鋼比的直接技術，考慮到從頂部添加煤炭的成本較高，現展開了關于無電冶煉無煙煤燃料添加技術應用效果的研究，同時通過工業實驗和理論計算兩種形式，計算了轉爐廢鋼比增加量與無煙煤補充量的關系，由圖2 可以看出，從頂部添加煤炭能夠獲得的效果有限，因此選擇應用底吹碳粉爐形式，并且設計了相應的爐底噴嘴。

圖2 轉爐廢鋼比增加量與無煙煤補充量關系圖

2 高廢鋼比對轉爐煉鋼工藝的影響

2.1 影響轉爐終點碳溫控制

高廢鋼比會影響轉爐開吹打火難度及轉爐成渣質量，從而對轉爐終點碳溫控制產生影響。鐵水冷凝-冷凝層融化-廢鋼滲碳融化為轉爐熔池內廢鋼融化的基本流程。在高廢鋼比下，規格較小、表面積較大的廢鋼在煉鋼前期的融化效率較高，會降低轉爐熔池溫度，增加轉爐開吹打火難度。如果使用的是干法除塵工藝，為了控制卸爆需要采用低氧壓打火方式，則會進一步增加高廢鋼比導致的轉爐開吹打火難度。當轉爐開吹打火難度到達一定程度后，煉鋼廠便無法實現對煉鋼過程溫度及轉爐終點碳溫的準確控制[3]。

在轉爐熔池溫度較低的情況下，熔池傳質速度、傳熱速度均會降低，從而降低吹氧反應區熱量向其他區域擴散的速度，降低熔劑升溫效率，最終導致轉爐成渣困難。為了提高熔劑升溫效率，煉鋼廠會選擇應用提溫劑，從而實現增加轉爐成渣數量、降低轉爐成渣質量的目的。在轉爐成渣不利的影響下，煉鋼廠對于轉爐終點碳溫的命中率便會下降，甚至可能導致過氧化爐次增加及高溫煉鋼等問題。

2.2 加大轉爐爐襯維護難度

在高廢鋼比爐次中，廢鋼的加入量會直線提高，廢鋼加入操作會對轉爐爐襯表面造成一定沖擊，廢鋼加入量越大，表示廢鋼對于轉爐爐襯表面的沖擊力越大。再加上廢鋼槽容量有限、重型廢鋼占廢鋼比例較高、煉鋼廠持續提高廢鋼比等因素的影響，廢鋼對于轉爐爐襯表面的沖擊力會一直處于持續增長的趨勢，這就增加了沖擊機械作用強度、延長了對轉爐爐襯大面積耐材的沖擊時間，進而增加了轉爐爐襯消耗率，加大了轉爐爐襯維修難度。

此外，在煉鋼前期，由于轉爐熔池溫度較低、轉爐成渣質量較低，導致轉爐內堿度過低，轉爐爐襯受到侵蝕較為嚴重。高廢鋼比會降低鐵水比，尚不成熟的轉爐高廢鋼比煉鋼技術操作會增加爐次，這些都會增加FeO 元素的轉爐成渣占比，降低轉爐爐襯的濺渣護爐效果，長此以往還會降低濺渣層厚度，對轉爐爐襯后期運行維護造成不利影響。

2.3 增加煉鋼終點鋼水氮含量

提溫劑不但能夠提高熔劑升溫效率，還會增加轉爐回硫量，從而增加煉鋼終點鋼水氮含量。煉鋼廠想要提高廢鋼比，便需要增加外購廢鋼數量，因無法掌握外購廢鋼含硫量，導致轉爐煉鋼回硫量存在波動變化，造成較為顯著的煉鋼終點鋼水氮含量變化。為了豐富轉爐熱源，煉鋼廠一般會選擇以焦炭為主的提溫劑，焦炭的含硫量較高，可以強化轉爐煉鋼回硫量波動變化。

為了提高規格較小、表面積較小廢鋼的融化效率，適當減少提溫劑的使用量，使得煉鋼終點鋼水氮含量控制向下傾斜，最終增加鋼水氮含量。

3 高廢鋼比對轉爐煉鋼工藝影響的應對措施

3.1 優化沙鋼無煙煤應用

為了準確控制轉爐終點碳溫，煉鋼廠需要選擇應用無煙煤，沙鋼無煙煤在轉爐煉鋼中的應用能夠大幅度提高無煙煤利用率，具體工藝流程是，在廢鋼斗放置廢鋼及沙鋼無煙煤同時加入轉爐，再加入相應比例的鐵水進行氧槍吹煉。具體沙鋼無煙煤添加量需要根據鐵水溫度及硅含量確定，并且根據實際情況調整，現以鐵水溫度為1 350 ℃為例，統計如表1 所示的鐵水硅含量與沙鋼無煙煤添加量關系。

表1 鐵水硅含量與沙鋼無煙煤添加量關系統計表

3.2 優化廢鋼質量管理

為了降低轉爐爐襯維護難度，煉鋼廠需要從根本上減少廢鋼對轉爐爐襯表面的沖擊力，具體方式是調整應用廢鋼的規格和結構。

煉鋼廠需要嚴格控制廢鋼規格，尤其是報廢鑄坯廢鋼、坯頭廢鋼、中間包殘廢鋼。具體來講，煉鋼廠可以根據轉爐運行技術參數標準，針對不同類型廢鋼設置切割標準、確定切割次數，以此來實現對于廢鋼規格及重量的有效控制。如果需要外購廢鋼，煉鋼廠需要盡量采購原始規格較小的生鐵塊和破碎料廢鋼。

煉鋼廠需要強化對廢鋼結構控制的嚴格程度，盡量降低低碳廢鋼、非板狀廢鋼的占比，實現對煉鋼前期廢鋼融化效率的有效控制，避免出現融化效率過高或過低的問題。現總結基本廢鋼結構占比要求如下：規格較小生鐵塊和破碎料廢鋼占比約為40%；坯頭廢鋼占比≤20%；低碳廢鋼、非板狀廢鋼占比≤20%；自產廢鋼占比約為20%。

3.3 優化提溫劑的應用

為了有效控制提溫劑對于煉鋼終點鋼水氮含量的影響，煉鋼廠需要科學選擇提溫劑。碳化鈣在轉爐中的融化效率較低，并且應用成本較高，不適合作為轉爐高廢鋼比煉鋼提溫劑。碳化硅容易產生SiO2，對于添加量的要求較高，作為提溫劑應用也會受到限制。硅鐵的穩定性控制難度較低，應用技術流程簡單，添加量的控制較為靈活，但成本高，或多或少會產生SiO2，作為提溫劑同樣會受到限制。焦炭的融化效率較高，應用成本較低，因此被廣泛應用，但是需要注意掌握添加量，避免因添加量過大導致轉爐含硫量過高。

3.4 優化轉爐成渣工藝

為了實現對轉爐終點碳溫的準確控制，煉鋼廠需要通過科學的轉爐成渣工藝提高轉爐成渣質量。主流轉爐成渣工藝分為鈣質成渣工藝、鐵質成渣工藝兩種，兩種工藝的最終目標均為改善轉爐成渣的流動性及堿度，確保轉爐成渣質量能夠達到濺渣護爐技術標準。在低廢鋼比轉爐煉鋼模式中，煉鋼廠一般選擇鈣質成渣工藝，考慮到高廢鋼比轉爐煉鋼的顯著特征為煉鋼前期熔池溫度偏低，更適合應用鐵質成渣工藝。

鐵質成渣工藝具體工藝流程是，分批次在轉爐中加入造渣劑，首先加入鎂質熔劑，將加入時間延遲2 min 左右，以此來提高煉鋼前期廢鋼融化效率，為熔池溫度升高提供助推力，還可以在轉爐成渣中加入MgO，以此來提高FeO 含量；隨后結合具體轉爐成渣情況，分3～5 次加入造渣劑，逐步提高CaO 含量；在轉爐煉鋼后期，需要及時下調頂吹氧槍位置，將轉爐成渣w（MgO）控制在9%左右。

4 結論

1）轉爐高廢鋼比煉鋼關鍵單元技術主要包括廢鋼預熱技術、二次燃燒技術、燃料添加技術、轉爐底噴粉技術，在這些關鍵技術的支持下，轉爐煉鋼作業才能夠獲得足夠的熱量供應。

2）高廢鋼比能夠影響轉爐終點碳溫控制，加大轉爐爐襯維護難度，增加煉鋼終點鋼水氮含量，從而對轉爐煉鋼工藝實施質量及效率產生不同程序的影響。

3）為了有效應對高廢鋼比對轉爐煉鋼工藝的影響，煉鋼廠可以采取優化沙鋼無煙煤應用、優化廢鋼質量管理、優化提溫劑應用、優化轉爐成渣工藝、優化轉爐操作工藝等具體應對措施，從而提高轉爐高廢鋼比煉鋼效果。