張志偉
（廣西柳州鋼鐵集團有限公司）
摘 要：提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比，有助于降低鐵水消耗，實現(xiàn)節(jié)能降耗。研究表明，廢鋼生產(chǎn)粗鋼其CO 2 排放量僅為長流程的 27%，粉塵排放為 10%，能耗為 41%。綜述了提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比技術(shù)的進展，歸納總結(jié)其實踐效果，探討有競爭力的轉(zhuǎn)爐高廢鋼比冶煉技術(shù)。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐煉鋼；廢鋼比；節(jié)能降耗；綜述
1 前 言
在煉鋼生產(chǎn)過程中，用廢鋼煉 1 t 鋼， 可減少 1.6 t 碳排放， 減少 1 t 原煤消耗， 減少1.7 t 鐵精礦使用量，減少 70%廢水排放， 減少 4.3 t 的原礦開采。我國“十三五”規(guī)劃提出 ， 到 2020 年 ， 要 把 煉 鋼 廢 鋼 比 提 高 到20%；工信部 2015- 12 出臺的 《鋼鐵行業(yè)政策調(diào)整計劃》 提出，到 2025 年要把廢鋼應(yīng)用比例提高到 30％ [1] 。 廢鋼在冶煉粗鋼過程中，避免了傳統(tǒng)長流程中燒結(jié)、焦化、高爐等高能耗工序，能耗指標遠優(yōu)于傳統(tǒng)長流程冶煉，其CO 2 排放量僅為長流程的 27%，粉塵排放為10%，能耗為 41%。采用廢鋼冶煉與鐵礦石冶煉粗鋼的能耗比對情況見圖 1。隨著我國社會鋼鐵蓄積量的迅速增加，將為提高轉(zhuǎn)爐應(yīng)用廢鋼提供良好的條件。當前，我國煉鋼過程廢鋼比僅為 10%～15%，且煉鋼廢鋼比呈下降趨勢（見圖 2[2]）。這一方面是我國廢鋼價格較貴，制約了煉鋼中廢鋼的加入量，馬春武 [3] 對轉(zhuǎn)爐廢鋼比與噸鋼成本進行經(jīng)濟核算，結(jié)果表明，廢鋼的價格直接影響最優(yōu)轉(zhuǎn)爐廢鋼比；另一方面是我國鋼鐵產(chǎn)能迅速增加，出現(xiàn)了大量的長流程煉鋼廠，有充分的高爐鐵水供應(yīng)，這降低了煉鋼過程中廢鋼的用量比。隨著資源環(huán)境形勢日趨緊張，社會廢鋼蓄積量的增加，尋求高效低成本的高廢鋼比煉鋼工藝至關(guān)重要，而提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比技術(shù)是實現(xiàn)該目標的一個重要技術(shù)方向。因此，有必要對過去提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比的研究進行歸納總結(jié)分析，以尋求更優(yōu)的技術(shù)路線。
2 提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比的方法
針對不同地區(qū)，由于其資源稟賦不同，研究提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比技術(shù)的驅(qū)動力亦不同。其目標主要有以下幾類 [4] ： （1） 普通 BOF 增加廢鋼比冶煉，提高經(jīng)濟技術(shù)指標； （2） 高爐生鐵生產(chǎn)率遠低于粗鋼生產(chǎn)率，增加廢鋼比以提高產(chǎn)量； （3） 實現(xiàn)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的工序合理化；（4） 電力貧乏地區(qū)的廢鋼熔煉。提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比過程中，要解決的主要問題是轉(zhuǎn)爐熱平衡問題。其解決思路的框架見圖 3。實現(xiàn)高廢鋼比下的熱量平衡，其熱量補償方式主要為，加入燃料通過燃料燃燒放熱進行熱補償或提高轉(zhuǎn)爐內(nèi)二次燃燒效率實現(xiàn)熱補償。從熱補償作用對象來說，解決思路主要為增加熱量對廢鋼進行預(yù)熱或直接對金屬熔池補償熱量。
2.1 增加燃料比進行轉(zhuǎn)爐熱補償
在高廢鋼比的情況下，實現(xiàn)新的轉(zhuǎn)爐熱平衡最直接的方法是增加爐內(nèi)燃料燃燒放熱，實現(xiàn)熱補償。其主要燃料為煤、碳氫化合物 CmHn等。加入法主要有投入法、噴吹法。其中燃料的加入方法、加入量是工藝的重點和難點，對燃料燃燒效率影響巨大。增加燃料比進行熱補償工藝路線下的典型技術(shù)有 ALCI （Arbed LanceCoal Injection） 、 KMS（ Kl魻ckner MaximilianSteel ）、TAPS（Triple Action Process of STB） 等。這里以 KMS 工藝為例進行介紹，其冶煉裝備示意圖如圖 4 所示。
KMS 法主要技術(shù)特征為，煤、O 2 從爐體底部噴入熔池，采用天熱氣裂解吸熱保護底吹氧噴嘴。噸鋼噴煤 50～55 kg，增加氧耗 40～50m 3 /t，底吹氧比例達 60%～100%，底吹供氧強度達 4.5 m 3 /t ·min，可實現(xiàn)廢鋼比高達 75%。KMS 高廢鋼比冶煉工藝路線主要有兩種：工藝一，出鋼后留存部分鋼液，加廢鋼→爐底噴吹煤氧熔化廢鋼→再次加入廢鋼→噴煤熔化→精煉→出鋼；工藝二，吹煉中期將部分高碳鋼液倒出供下包冶煉使用
2.2 提高二次燃燒效率實現(xiàn)熱補償
采用提高二次燃燒效率熱補償?shù)乃悸窞槔脧U氣的顯熱和潛熱進行預(yù)熱廢鋼節(jié)約能源，若通過二次燃燒放熱加熱金屬熔池則熱效率較低。隨著當前新型二次燃燒氧槍的發(fā)展，二次燃燒效率有了明顯提高，新型二次燃燒氧槍原理見圖 5[5] 。新型二次燃燒氧槍通過對槍體及出口處新型設(shè)計，提高了噴出氧氣與脫碳反應(yīng)產(chǎn)生的 CO 之間的反應(yīng)效率，將產(chǎn)生更多的二次燃燒熱。研究表明二次燃燒率應(yīng)以 30%為上限，實踐表明，二次燃燒率每增加 10%，轉(zhuǎn)爐廢鋼比可提高 3.4%～4.0%。
但綜合而言，通過提高二次燃燒效率來增加轉(zhuǎn)爐廢鋼比的能力是有限的，典型技術(shù)有 E-OF （Energy Optimized Furnace） 法 （見圖 6）、Reactor 法 （見圖 7） 等。其中 EOF 法具有普通轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹特點，爐膛燃燒效率高，靠輻射給熔池供熱，用爐氣預(yù)熱廢鋼、空氣，生鐵水廢鋼比很靈活，適宜廢鋼豐富電力短缺的地區(qū)，對煤的粒度要求不高。其廢鋼比可達 100%，冶煉周期 70～80 min。
3 轉(zhuǎn)爐高廢鋼比的實踐與思考
3.1 實踐
在轉(zhuǎn)爐高廢鋼比的工藝優(yōu)勢下，世界范圍內(nèi)，已有大量的轉(zhuǎn)爐高廢鋼比實踐，表 1 匯總了降低鐵水消耗方面的效果，表 2 匯總了提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比的效果。
3.2 存在的問題
與電爐冶煉廢鋼相比，提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比省去了能源的二次轉(zhuǎn)換，但當前高廢鋼比下競爭力不如電爐的主要原因是：
（1） 金屬收得率低，廢鋼需要大量的燃料燃燒熱去熔化，吹入過量的氧會使鐵水過氧化，降低了鐵水的收得率；
（2） 燃料對鋼水的污染，燃料中不可避免的存在 N、P、S 等雜質(zhì)元素，燃料的加入破壞了鋼水的潔凈度；
（3） 技術(shù)的安全性與穩(wěn)定性，由于廢鋼質(zhì)量、燃料質(zhì)量的不穩(wěn)定性，會導(dǎo)致整個工藝的不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)爐的五大操作制度會受到影響，這復(fù)雜化了轉(zhuǎn)爐操作，不利于轉(zhuǎn)爐精確化智能化冶煉升級的需要。
4 結(jié) 語
在鋼鐵形勢嚴峻的大背景下，提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比可能是適應(yīng)未來發(fā)展的一條可行的出路。通過對過去幾十年來世界對提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比研究歸納總結(jié)，可以得出以下結(jié)論：
（1） 煉鋼中高廢鋼比的應(yīng)用是大勢所趨，尋找到一條有競爭力的高廢鋼比冶煉技術(shù)路線迫在眉睫；
（2） 過去幾十年，提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比的主要通過增加燃料和提高二次燃燒效率來實現(xiàn)，轉(zhuǎn)爐增加燃料破壞了鋼水潔凈度與操作可控性，提高二次燃燒效率對提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比能力有限；
（3） 當前需對提高轉(zhuǎn)爐廢鋼的經(jīng)濟性進行核算，以便尋求一條經(jīng)濟上可行，工藝上易于控制的轉(zhuǎn)爐高廢鋼比工藝路線。