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(tuán)銀山型鋼有限公司，山東 萊蕪 271104）

1 前言

鋼鐵工業(yè)的主要鐵源為鐵礦石，每生產(chǎn)1 t 鋼大致需要各種原料4～5 t，能源折合標(biāo)準(zhǔn)煤0.7～1.0 t［1］。廢鋼是一種可循環(huán)再生資源，增加廢鋼的供應(yīng)能力可以緩解鐵礦石的供應(yīng)壓力，每采用1 t廢鋼，可相應(yīng)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(guó)內(nèi)外鐵礦石、鐵精粉價(jià)格大幅上漲的影響，鐵水價(jià)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(chǎn)成本，提高鋼產(chǎn)量，降低環(huán)境污染，成為當(dāng)前企業(yè)重要的效益增長(zhǎng)點(diǎn)。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(jié)鐵增鋼，成為冶金行業(yè)經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)的方向之一。

鋼廠自產(chǎn)廢鋼數(shù)量一定，入爐廢鋼量的增加勢(shì)必要提高外購(gòu)廢鋼量，但由于外購(gòu)廢鋼來源廣泛、用途多樣、種類繁雜、成分不明確、質(zhì)量不穩(wěn)定，冶煉過程中導(dǎo)致鋼水殘余元素含量超標(biāo)，影響鋼水質(zhì)量，惡化鋼材性能，需要鋼廠采取相關(guān)措施進(jìn)行管控以期穩(wěn)定鋼水殘余元素，減少對(duì)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(jià)值的鋼鐵制品以及在生產(chǎn)、加工的過程中產(chǎn)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(tǒng)料和輕料型廢鋼等［3-4］。

鋼鐵企業(yè)所用的廢鋼按來源可分為自產(chǎn)廢鋼、社會(huì)廢鋼和進(jìn)口再生鋼鐵原料［5］。自產(chǎn)廢鋼是指只在鋼鐵廠內(nèi)部循環(huán)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(zhì)地較純凈，稍加分類處理即可入爐冶煉。社會(huì)廢鋼是指從社會(huì)上采購(gòu)的廢鋼，來源廣泛，用途多樣，成分不明確，廢鋼回收加工企業(yè)以機(jī)械加工為主，化學(xué)成分方面僅對(duì)部分廢鋼進(jìn)行抽檢，無法對(duì)廢鋼依據(jù)成分進(jìn)行分類。進(jìn)口再生鋼鐵原料是指從國(guó)外購(gòu)買的鋼鐵原料，但是在《再生鋼鐵原料》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正式實(shí)施后，經(jīng)過篩選加工后的再生鋼鐵原料進(jìn)口量很少，與自產(chǎn)廢鋼和社會(huì)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(zhì)元素伴隨著廢鋼進(jìn)入煉鋼爐中，其中一部分雜質(zhì)元素可以去除，但仍有一部分雜質(zhì)元素最終將留在鋼中，這一部分留在鋼中的雜質(zhì)（非有意添加的合金元素）統(tǒng)稱為殘余元素［6］。這些殘余元素按其氧化勢(shì)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(shì)低于鐵，在煉鋼時(shí)不參與氧化反應(yīng)，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(shì)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(duì)廢鋼殘余元素，國(guó)內(nèi)外發(fā)布的廢鋼標(biāo)準(zhǔn)做了相關(guān)規(guī)定。

（1）日本廢鋼分類標(biāo)準(zhǔn)。日本發(fā)布了廢鋼分類國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(guó)廢鋼分類標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)美國(guó)廢料回收工業(yè)協(xié)會(huì)（IS RI）的分類標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)廢鋼分類關(guān)注殘余元素Mn-1.65%、Cr-0.20%、Ni-0.45%、Mo-0.10%，當(dāng)殘余元素含量不超過以上百分比時(shí)，可認(rèn)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(guó)廢鋼分類標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布了關(guān)于廢鋼鐵分類的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4223—2017，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)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(yīng)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(guó)發(fā)布了廢鋼分類的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)廢鋼中殘余元素做了相關(guān)要求，但實(shí)際中廢鋼的加工分類還是以剪切、打包、壓塊等機(jī)械加工為主。對(duì)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(shì)必會(huì)造成鋼水中殘余元素含量的波動(dòng)，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量。

4 廢鋼加入對(duì)鋼水殘余元素的影響

國(guó)內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)統(tǒng)計(jì)分析了低鐵耗冶煉下對(duì)鋼水殘余元素的影響。

福建三鋼閩光股份公司統(tǒng)計(jì)了2016—2018 年廢鋼消耗量、鐵水殘余元素以及鋼水殘余元素?cái)?shù)據(jù)，結(jié)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(tǒng)計(jì)，從中可以看出，鐵水質(zhì)量良好，殘余元素含量較低。表2 為2016—2018 年鋼水倒?fàn)t樣成分統(tǒng)計(jì)，從中可以看出，鋼水中殘余元素Cu、S、Cr、Ni 含量超標(biāo)爐次呈逐年上升趨勢(shì)。通過研究推測(cè)是由于廢鋼消耗量增加，導(dǎo)致鋼水中引入的微量元素超標(biāo)［8］。

表1 2016—2018年鐵水的微量元素平均含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 2016—2018年鋼水倒?fàn)t樣成分統(tǒng)計(jì)

圖1 2016—2018年每月廢鋼消耗量

河鋼集團(tuán)唐鋼公司由于鐵水供應(yīng)不足而提高廢鋼比，同時(shí)統(tǒng)計(jì)分析了鋼中殘余元素含量隨鐵水消耗量的變化趨勢(shì)，結(jié)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(shì)

天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司結(jié)合自身工藝特點(diǎn)，在LF 精煉加廢鋼（鋼筋頭），同時(shí)統(tǒng)計(jì)分析了加入1 t 鋼筋頭對(duì)鋼水主要成分的影響，結(jié)果如表3 所示。結(jié)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(duì)鋼水主要成分的影響（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

鞍鋼股份有限公司研究了加入不同類型廢鋼對(duì)超低碳鋼冶煉終點(diǎn)氮含量的影響，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明：不加廢鋼爐次的終點(diǎn)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，平均含量達(dá)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(diǎn)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.001 8%～0.002 2%，加輕型廢鋼爐次鋼中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.002 0%～0.002 4%，加重型廢鋼爐次鋼中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.002 3%～0.002 7%［11］。

表4 廢鋼種類對(duì)終點(diǎn)氮含量的影響

5 控制措施

圖3 為國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)（IIMA）展示的各種鋼鐵產(chǎn)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(guó)內(nèi)各鋼鐵企業(yè)普遍依據(jù)廢鋼來源、廢鋼類型進(jìn)行分類管理，同時(shí)改善優(yōu)化廢鋼配加模型來應(yīng)對(duì)低鐵耗冶煉下鋼水殘余元素的波動(dòng)。

圖3 國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)（IIMA）展示的各種鋼鐵產(chǎn)品的典型殘余元素要求

福建三鋼針對(duì)低鐵耗冶煉下殘余元素Cu、S、Cr、Ni含量超標(biāo)問題，通過制定廢鋼分類措施、建立鋼水質(zhì)量預(yù)警機(jī)制、加強(qiáng)異常廢鋼檢驗(yàn)并建立異常廢鋼檔案、加強(qiáng)廢鋼雜質(zhì)化驗(yàn)、集中管理殘余元素含量超標(biāo)廢鋼等措施，2019 年1—10 月鋼水中Cu、S、Cr 超標(biāo)月平均爐數(shù)較2018 年分別降低了56.67%、65.07%、59.72%，Ni 成分超標(biāo)月平均爐數(shù)較2018年稍有上升。

河鋼唐鋼針對(duì)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(zhì)量等因素將廢鋼細(xì)分為20 種，通過冶煉不同鋼種時(shí)配加不同類型廢鋼，要求高的重點(diǎn)產(chǎn)品使用廠內(nèi)自循環(huán)廢鋼，船板等產(chǎn)品以優(yōu)質(zhì)特級(jí)破碎料以及一類重型廢鋼為主，普通產(chǎn)品使用合格的全類型廢鋼，使鋼水中殘余元素含量降低，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

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

馬鋼在生產(chǎn)潔凈鋼特別是IF鋼時(shí)，通過加強(qiáng)廢鋼管理，即外購(gòu)廢鋼根據(jù)種類、自產(chǎn)廢鋼根據(jù)工序出處分類堆放并根據(jù)鋼種要求進(jìn)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(jù)鋼種配加不同類型廢鋼，對(duì)成品［S］要求＜0.005%的鋼種，原則上100%使用自產(chǎn)優(yōu)質(zhì)廢鋼，若自產(chǎn)優(yōu)質(zhì)廢鋼資源緊張，可考慮外購(gòu)優(yōu)質(zhì)廢鋼的使用；對(duì)走LF 路線、成品［S］要求＞0.005%的普通鋼種，以普通廢鋼為主；優(yōu)質(zhì)鋼種或走RH路線的普通鋼種，原則上使用自產(chǎn)優(yōu)質(zhì)廢鋼或外購(gòu)優(yōu)質(zhì)廢鋼；合金廢鋼實(shí)行廢鋼專用，優(yōu)先應(yīng)用于有Cu、Ni、Mo等要求特殊鋼種；冶煉對(duì)Cu、Ni、Mo等殘余元素有嚴(yán)格限制的鋼種時(shí)，嚴(yán)禁使用合金廢鋼。

6 廢鋼智能分類技術(shù)

在鋼鐵廠自產(chǎn)廢鋼量保持穩(wěn)定的情況下，低鐵耗冶煉勢(shì)必會(huì)加大社會(huì)廢鋼的采購(gòu)使用量，廢鋼智能分類技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)內(nèi)鐳目公司開發(fā)了廢鋼智能判級(jí)系統(tǒng)，通過內(nèi)置智能自適應(yīng)算法，不僅能完成整車規(guī)整料型的評(píng)級(jí)工作，也能實(shí)現(xiàn)多厚度、混搭料型的精準(zhǔn)測(cè)算和評(píng)級(jí)扣重工作，大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)了廢鋼檢驗(yàn)工作的安全、精準(zhǔn)、高效運(yùn)行。但當(dāng)前廢鋼智能分類技術(shù)主要集中在料型方面，涉及廢鋼成分進(jìn)行智能分類的研究還很少，有少數(shù)鋼鐵企業(yè)通過采用手持式XRF和LIBS 分析儀進(jìn)行廢鋼成分抽檢，顯然這種檢測(cè)方法并不適合大規(guī)模廢鋼成分檢驗(yàn)。

北京科技大學(xué)程樹森教授課題組率先將機(jī)器視覺及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)與LIBS 技術(shù)相結(jié)合，針對(duì)廢鋼銹層、廢鋼鍍層以及廢鋼中合金元素智能分類技術(shù)進(jìn)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(shù)利用定標(biāo)法和自由定標(biāo)法對(duì)低合金鋼和高合金廢鋼進(jìn)行快速定量檢測(cè)，為以后工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)［13］。

7 結(jié)語(yǔ)

在環(huán)保政策趨緊、碳排放限制增強(qiáng)的態(tài)勢(shì)，以及鐵礦石和焦炭?jī)r(jià)格高啟的情況下，各大鋼企均面臨限產(chǎn)、控制碳排放的問題，低鐵耗冶煉已成為大勢(shì)所趨。為應(yīng)對(duì)煉鋼過程中廢鋼消耗量增加引起的鋼水殘余元素波動(dòng)甚至是超標(biāo)，國(guó)內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)重視廢鋼的分類、利用和管理，通過區(qū)分自產(chǎn)廢鋼、外購(gòu)廢鋼，冶煉不同鋼種配加不同廢鋼進(jìn)行鋼水成分控制。同時(shí)，廢鋼智能分類技術(shù)的需求也越來越明顯，這促使各大高校、鋼鐵企業(yè)在廢鋼成分智能檢測(cè)方面的研究，加快了工業(yè)化應(yīng)用的步伐。