廖廣府，陳敏，廖綱

（寶武集團(tuán)鄂城鋼鐵有限公司，湖北 鄂州 436002）

中國正在大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，推動綠色低碳、氣候適應(yīng)型和可持續(xù)發(fā)展，加快制度創(chuàng)新，強(qiáng)化政策行動，力爭于2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。廢鋼作為轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要原材料，對減少能耗、降低碳排放具有重要意義。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)分析［1］，2019年國內(nèi)產(chǎn)生廢鋼量達(dá)2.4億t，預(yù)計(jì)2030年產(chǎn)生廢鋼3.18億t。國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)對轉(zhuǎn)爐高廢鋼比冶煉技術(shù)進(jìn)行了很多研究［2］，德國 Klockner公司開發(fā)出 KMS/KS 工藝，其中KMS工藝廢鋼比達(dá)到50%，KS工藝可以實(shí)現(xiàn)100%廢鋼操作。國內(nèi)受廢鋼市場因素影響，高廢鋼比冶煉工藝研究較少，主要采取廢鋼預(yù)熱，增加補(bǔ)燃劑等措施，廢鋼比可實(shí)現(xiàn)30%。自2019年開始，寶武集團(tuán)鄂城鋼鐵有限公司煉鋼廠（以下簡稱“鄂鋼煉鋼廠”）積極探索降低鐵水消耗和煉鋼能耗的工藝，2020年轉(zhuǎn)爐鐵耗平均為823 kg/t。為進(jìn)一步降低鐵水消耗，該廠開展“鐵鋼比750”（鐵耗≤750 kg/t）項(xiàng)目攻關(guān)，全流程降耗，取得較好效果。本文對此做一介紹。

1 工藝概況

鄂鋼煉鋼廠工藝裝備與鐵水條件分別見表 1、2。

表1 工藝裝備Table 1 Technological Equipment

表2 鐵水條件Table 2 Requirements for Molten Iron

2 降低鐵耗生產(chǎn)工藝措施

2.1 提高鐵水入爐溫度

轉(zhuǎn)爐煉鋼工序熱量來源于鐵水物理熱和化學(xué)熱，其中物理熱占比53%，化學(xué)熱占比47%，鐵水物理熱效率高，對提高鐵水入爐溫度最有效。通過采取鐵水包加蓋和“一罐到底”的措施減少運(yùn)輸過程中鐵水熱量的損失。統(tǒng)計(jì)了不同鐵水罐周轉(zhuǎn)次數(shù)下的鐵水平均入爐溫度，如圖1所示。

圖1 不同鐵水罐周轉(zhuǎn)次數(shù)下的鐵水平均入爐溫度Fig.1 Average Temperature of Molten Iron Charged into Converter under Different Numbers of Times for Hot Metal Ladle Turnover

由圖1看出，鐵水平均入爐溫度隨著鐵水罐周轉(zhuǎn)次數(shù)的提高而提高。因此，優(yōu)化生產(chǎn)模式，提高鐵水罐周轉(zhuǎn)次數(shù)，減半出鐵罐數(shù)，縮短轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，進(jìn)而提高鐵水罐溫度，減少出鐵溫降。同時(shí)，降低了鐵水脫硫比例，根據(jù)所生產(chǎn)鋼種的工藝要求，調(diào)整鐵水入爐硫含量，脫硫率由35.0%降至17.2%，提高鐵水入爐溫度5.4℃，平均降低鐵耗3.2 kg/t（鐵耗=鐵水/合格坯產(chǎn)量）。

2.2 鐵水罐加烘烤廢鋼

廢鋼作為最環(huán)保、最潔凈的冷卻劑被應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐煉鋼工序中，廢鋼熔化速度直接影響廢鋼利用率。目前，鋼鐵行業(yè)長流程主要在鐵水罐、轉(zhuǎn)爐、氬站、精煉爐等工序加廢鋼，鄂鋼煉鋼廠主要采取了鐵水罐加烘烤廢鋼來提高廢鋼比，降低鐵耗。因受鐵水溫度和沖擊能量所限，廢鋼入罐后不能完全熔化，通過烘烤廢鋼來提高其在鐵水罐中的熔化比率。具體工藝流程是：鐵水兌入轉(zhuǎn)爐后，鐵水罐吊運(yùn)至廢鋼工位加入廢鋼，在烘烤位烘烤至600～800℃，再快速運(yùn)至高爐出鐵口對位受鐵。生產(chǎn)實(shí)踐表明，鐵水罐加烘烤廢鋼工藝最高可降低鐵耗 50 kg/t。

2.3 優(yōu)化廢鋼結(jié)構(gòu)

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道［3］，廢鋼熔化過程可以分為4個階段：生成凝固層→凝固層快速熔化→滲碳階段→滲碳+母體廢鋼快速熔化。提高熔池溫度、熔池?cái)嚢枘苊芏?、廢鋼比表面積、廢鋼碳含量均能促進(jìn)廢鋼熔化?；貧w分析廢鋼平均直徑熔化速率（y1）、平均質(zhì)量熔化速度（y2）、傳質(zhì)系數(shù)（y3）與熔池溫度（x1）、熔池?cái)嚢枘苊芏龋▁2）、廢鋼比表面積（x3）、廢鋼碳含量（x4）的定量關(guān)系如下：

通過參考上述廢鋼熔化速率回歸方程，設(shè)計(jì)了四種廢鋼結(jié)構(gòu)模型，如表3所示。

表3 廢鋼結(jié)構(gòu)模型Table 3 Model for Scrap Composition t

統(tǒng)計(jì)1 281爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，模型中生鐵塊超過10 t時(shí)易粘爐底，吹煉終點(diǎn)不穩(wěn)定，倒?fàn)t或出鋼過程中熔化掉，造成轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量高，鋼水成分不合格；內(nèi)轉(zhuǎn)坯頭廢鋼碳含量較低且致密，重量≥1 t左右時(shí)較難熔化，易降低終點(diǎn)溫度，中斷生產(chǎn)。對比結(jié)果認(rèn)為，模型四的廢鋼結(jié)構(gòu)效果較好，轉(zhuǎn)爐吹煉過程較平穩(wěn)，最早達(dá)到吹煉返干期，終點(diǎn)控制穩(wěn)定。

2.4 采用補(bǔ)燃劑提溫

鐵水熱量不富余時(shí)，可以向轉(zhuǎn)爐加入補(bǔ)燃劑提溫。轉(zhuǎn)爐使用的補(bǔ)燃劑有碳質(zhì)和硅質(zhì)兩類，主要有焦炭、類石墨球、硅碳球、硅鐵等，其反應(yīng)熱效應(yīng)如表 4 所示［4］。

表4 補(bǔ)燃劑反應(yīng)熱效應(yīng)Table 4 Thermal Effect of Supplementary Combustion Agent in Reaction

由表4可見，鄂鋼煉鋼廠的碳質(zhì)補(bǔ)燃劑在轉(zhuǎn)爐內(nèi)不能完全氧化成CO2，大部分氧化成CO。生產(chǎn)實(shí)踐也表明，采用的硅質(zhì)提溫效果優(yōu)于碳質(zhì)，但硅質(zhì)氧化后會增加渣中SiO2，需要提高石灰平衡堿度，同時(shí)渣量增加會減少金屬收得率，因此，綜合考慮后選擇硅碳球和類石墨球作為補(bǔ)燃劑開展研究。補(bǔ)燃劑理化指標(biāo)如表5所示。

表5 補(bǔ)燃劑理化指標(biāo)Table 5 Physicochemical Indexes of Supplementary Combustion Agent

為了對比分析補(bǔ)燃劑加入情況，統(tǒng)計(jì)了539爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明，加入1 kg/t硅碳球可提高終點(diǎn)鋼水溫度5.92℃，而加入1 kg/t類石墨球可提高終點(diǎn)鋼水溫度4.98℃，硅碳球更有利于提高終點(diǎn)鋼水溫度，經(jīng)計(jì)算，加入1 kg/t硅碳球可降低鐵耗約3.5 kg/t。。

表6 補(bǔ)燃劑加入情況對比Table 6 Comparison of Supplementary Combustion Agent Addition

由于硅質(zhì)補(bǔ)燃劑氧化后增加渣中SiO2含量，不利于提高堿度和減少渣量，因此當(dāng)鐵水硅含量≤0.35%時(shí)，優(yōu)先使用硅碳球補(bǔ)燃劑，加入1 t硅碳球可以降低鐵耗23.4 kg/t；當(dāng)鐵水硅含量＞0.35%時(shí)，優(yōu)先使用類石墨球，加入1 t類石墨球可以降低鐵耗19.8 kg/t。

2.5 優(yōu)化煉鋼工藝

為降低煉鋼系統(tǒng)溫降，減少熱量損失，一方面縮短轉(zhuǎn)爐冶煉周期，加快轉(zhuǎn)爐冶煉節(jié)奏；另一方面鑄機(jī)提速，形成爐機(jī)匹配，提高鋼包周轉(zhuǎn)率［5］。

（1）轉(zhuǎn)爐吹煉模型優(yōu)化

轉(zhuǎn)爐工序通過降低鐵水脫硫比例增加鐵水溫度，每降低1%的脫硫比例可以增加0.4℃，鐵水提質(zhì)后脫硫比例減少5%，鐵水溫度增加2℃。對轉(zhuǎn)爐操作進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化前后吹煉模型的對比如圖2所示。優(yōu)化后提高了供氧強(qiáng)度，降低了氧槍槍位。

圖2 優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐吹煉模型的對比Fig.2 Comparison of Converter Blowing Models before and after Optimization

（2）縮短轉(zhuǎn)爐冶煉周期

采取增加出鋼口直徑，提高轉(zhuǎn)爐一倒率等措施，轉(zhuǎn)爐平均冶煉周期較優(yōu)化前下降6.2 min，逐步降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度。表7為轉(zhuǎn)爐冶煉周期與出鋼溫度的關(guān)系，冶煉周期降至32 min以內(nèi)時(shí)，出鋼溫度降至1 630℃以下，較優(yōu)化前下降26℃。優(yōu)化轉(zhuǎn)爐工藝共降低系統(tǒng)溫度28℃，可以降低鐵耗16.8 kg/t。

表7 轉(zhuǎn)爐冶煉周期與出鋼溫度的關(guān)系Table 7 Relationship between Converter Smelting Cycle and Tapping Temperature

（3）優(yōu)化連鑄配水模式

連鑄工序通過優(yōu)化配水模式，加大冷卻強(qiáng)度，由氣霧冷卻改為全水冷卻，平均拉速由2.80 m/min提高至3.46 m/min，單流最高可達(dá)到4.18 m/min。連鑄平臺平均溫度由1 562℃降至1 550℃，可增加轉(zhuǎn)爐氬站冷料用量1.2 t，降低鐵耗7.2 kg/t。

綜上所述，優(yōu)化煉鋼工藝，降低系統(tǒng)溫降，無成本投入，是降低鐵耗最經(jīng)濟(jì)的措施。

2.6 提高精煉加廢鋼比例

精煉爐具有升溫，脫硫，去除夾雜物，調(diào)整鋼水成分和生產(chǎn)節(jié)奏的功能。精煉爐加入廢鋼是降低鐵耗的措施之一，但存在一定的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，廢鋼中的雜質(zhì)、結(jié)晶水和有害元素對鋼水的純凈度有較大影響。鄂鋼煉鋼廠提高精煉加廢鋼比例采取的措施如下：

（1）氬站采用內(nèi)部鋼筋廢材和板材切邊，通過焦?fàn)t煤氣加熱至600℃。

（2）廢鋼加入鋼包熔化后，會有約8℃/t的冷卻效應(yīng)，加入量多時(shí)會降低鋼水溫度，導(dǎo)致鋼水在透氣磚附近凝固，造成底吹不通。鋼水進(jìn)站溫度與廢鋼加入量的關(guān)系見表8。按表8的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場爐后加入鋼包2～5 t廢鋼可以綜合降低鐵耗10.6 kg/t。

表8 鋼水進(jìn)站溫度與廢鋼加入量的關(guān)系Table 8 Relationship between Molten Steel Inlet Temperature and Scrap Addition

（3）加入廢鋼全程底吹氬氣，氬氣流量為≥300 m/L，電振下料速度為1 t/min。

3 取得的效果

統(tǒng)計(jì)2021年優(yōu)化前后各項(xiàng)指標(biāo)對比見表9。2021年3～6月份平均鐵耗約為747.5 kg/t，實(shí)現(xiàn)了鐵耗≤750 kg/t的目標(biāo)。

表9 優(yōu)化前后各項(xiàng)指標(biāo)的對比Table 9 Comparison of Various Indexes before and after Optimization

4 結(jié)論

（1）鐵水罐加烘烤廢鋼是降低鐵水消耗的最佳措施，可以降低鐵耗50 kg/t。

（2）鐵水熱量不富余時(shí)可以向轉(zhuǎn)爐加入補(bǔ)燃劑提溫，硅質(zhì)補(bǔ)燃劑效果優(yōu)于碳質(zhì)補(bǔ)燃劑，1 kg/t硅碳球可以提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度5.92℃，降低鐵耗約3.5 kg/t。

（3）采取優(yōu)化轉(zhuǎn)爐吹煉模型，縮短轉(zhuǎn)爐冶煉周期等措施，減少系統(tǒng)熱量損失，是降低鐵耗成本最低的措施。

（4）提高精煉加廢鋼比例是降低鐵耗措施之一。

（5）采取轉(zhuǎn)爐低鐵耗生產(chǎn)優(yōu)化措施后，2021年3～6月份平均鐵耗約為747.5 kg/t，實(shí)現(xiàn)了鐵耗≤750 kg/t的目標(biāo)。