高废钢消耗的转炉冶炼工艺研究与实践

黄伟丽，杨志刚，陈四平，朱红芳

（德龙钢铁有限公司技术中心，河北 邢台 054009）

废钢在转炉冶炼过程的主要作用是冷却剂，因废钢杂质少，用废钢做冷却剂时，渣量少、喷溅小、冷却效果稳定，便于控制转炉熔池内温度[1]。提高废钢比，热量损失较大，转炉需要加入载热材料来补充热量的损失，我公司采用焦炭作为载热材料，经试验，从现场操作和成本方面来看可确保生产顺行[2]。

公司现有3座1080m3高炉、2座120t转炉、3台板坯连铸机，高炉产能小于炼钢的产能，2017年废钢价格持续走低，给炼钢释放产能奠定了基础，为了提高钢产量，降低生产成本，减少环境污染，自2017年1月开始，公司开始了转炉采用高废钢比冶炼的研究和生产试验。

1 焦炭加入量相关公式及算法

结合现场实际数据进行回归计算，以此为基础，根据热平衡可计算焦炭加入量，热平衡计算涉及到的数据包括各物料的物理热和化学热，各物料放出热量等于物理热和化学热之和，经计算，转炉铁水耗为870kg/t时不需要添加载热材料，以此为基础，根据热平衡可计算焦炭加入量，公式如下：

Q化=147.70*C%+269.70*Si%+70.00*Mn%+217.30*P%

式中Q化为化学热，单位为MJ/t；

Q铁水物=61.9+0.88T。

式中Q铁水物为铁水的物理热，单位为MJ/t，T表示摄氏温度；

Q废钢物=0.74T。

式中Q废钢物为废钢的物理热，单位为MJ/t，T表示摄氏温度。

焦炭放热按照 3122（千卡/kg）=3122*4.182（MJ/t）估算。

将各公式汇总可得到：焦炭加入量=｛〔（铁水加入量+废钢加入量）*870/钢铁料消耗-铁水加入量〕*Q铁水热量-〔废钢加入量-（铁水加入量+废钢加入量）*（1-870/钢铁料消耗）*0.7〕*Q废钢铁热量｝/焦炭放热量-〔废钢加入量-（铁水加入量+废钢加入量）*（1-870/钢铁料消耗）*0.3〕*Q铁块热量｝。

铁水、废钢、焦炭加入量的单位：t/炉；钢铁料消耗单位：kg/t；Q热量单位：MJ/t；焦炭放热量单位：MJ/t。

2 焦炭加入量与钢中N含量定量关系

钢中总N含量为不加焦炭时钢中N含量与焦炭带入钢中N含量之和，其中不加焦炭时钢中N含量平均值为0.0020%，焦炭带入钢中N含量为：

〔N〕=W焦炭*N*ŋ

式中：W焦炭为焦炭的加入量，单位：t/t；

N表示焦炭中N元素百分含量。

ŋ表示焦炭中N元素的收得率，为40%～50%。

在以上转炉冶炼基础上，对试验数据进行汇总分析，使用回归方程得到焦炭加入量与钢中N含量的关系如下：

〔N〕=19.84393+17.30933W焦炭。

式中：W焦炭表示焦炭的加入量，单位：t/t。

〔N〕表示焦炭中N元素百分含量，单位：ppm。

3 高废钢比冶炼工艺与实践

公司铁水Si元素含量为0.40%～0.70%，S元素含量为0.020%～0.035%，P元素含量为0.100%～0.125%，铁水入炉温度为1300℃～1350℃；钢种以热轧低碳钢、碳素结构钢为主，在此条件下，转炉高废钢比冶炼工艺措施如下：

3.1 废钢分类

废钢由废钢料和铁矿石组成，铁矿石占废钢总量的30%～35%。废钢料分轻薄料、压块、重型废钢、水洗豆等，要求每次加入的废钢料种类一样，不允许多种类型废钢混装，以确定每炉中所添加废钢料的化学成分平均含量[3]。

3.2 转炉加料方法

转炉炉内加入废钢、焦炭、铁水和造渣料开始冶炼。加料过程如下：先加入废钢中的全部废钢料和铁矿石总量的80%，然后从高位料仓加入焦炭总量的50%，随后加入铁水，铁水添加完成后再加入余量的焦炭，之后加入造渣料，剩余20%铁矿石在冶炼中后期供氧时间的1/2～2/3的时间段加入。

废钢料斗容量根据加入废钢料最大值设计，保证废钢料一次加入，缩短冶炼周期。加完废钢料后摇炉使转炉前后摆动一下，这样废钢可以在炉内充分预热，去除废钢中的水蒸气，避免水蒸气在铁水下面来不及上浮而发生打炮事故。

铁矿石分批次加入，是由于钢铁料配比调整后，前期加入废钢、焦炭、铁水进行吹炼，铁水中的C氧化生成了大量的CO，有利于钢水快速升温、脱氮，但到吹炼中后期（供氧时间段的1/2～2/3），CO生成量减少，钢水易从炉气中吸氮，为此在冶炼中后期再加入部分铁矿石，可加速CO的生成，促使了C-O继续反应带走钢中N，并可进一步提高渣中TFe含量，生成高氧化性的泡沫渣，此阶段的泡沫渣覆盖在钢水表面可有效隔断氮气进入钢水中。

3.3 焦炭的加入控制

在冷、热钢铁料配比下，需使用焦炭补偿因高废钢比造成的热损失。

根据现有技术转炉炼钢废钢比小于20%时不添加焦炭，以废钢比20%为基数，根据热平衡计算，估算废钢比超过20%时所添加废钢的热损失，再根据焦炭的放热确定其添加量。

焦炭加入分第一、第二批次，上下共同作用，使焦炭充分、快速释放热量，同时第一批次加入焦炭燃烧产生的含N气体随着炉气、CO回收，第二批次加入焦炭燃烧产生的含N气体从炉腔表面随炉气回收，焦炭分两批加入可降低焦炭中N含量进入钢水中。

3.4 造渣料的加入

钢铁料配比调整后，入炉降Si量为：4*（1-2%）*0.8%+16*（1-5%）*0.15%-20*（1-1.3%）*0.5%=44.54kg，降低入炉SiO2量为：44.54/28*60=95.4kg，转炉终渣SiO2平均含量为11.5%，则渣量减少：95.4/11.5%=829kg，转炉终渣CaO平均含量为40%，所用石灰平均含量为88%，则需减少石灰：829*40%/88%=377kg，吨钢减少石灰0.38kg，实际生产过程中吨钢白灰使用量平均为41kg。

3.5 转炉吹炼过程控制

转炉加入废钢、焦炭、铁水后，降枪吹炼，吹炼过程采取低、高、低枪位控制，前期低枪位Si、Mn反应快速进行，加速废钢、渣料的熔化，早化渣、多去磷、均匀升温，对去除P、S有利；中期为碳的氧化期，在脱碳的同时继续去除P、S，此时要关注炉内喷溅情况，出现严重泡沫渣和喷溅时，适当提高枪位，使冶炼安全顺利进行；后期降低枪位，出钢温度控制在1630℃～1650℃范围内，避免了终点回P，终点成份P为0.005%～0.015%。

出钢过程使用含铝合金进行脱氧合金化，因出钢温度较低，钢水氧化性降低，脱氧合金用量减少0.5kg/t。

3.6 效果

（1）废钢比为23%时，造渣料采用优质白灰，钢铁料消耗为1100kg/t，铁水加入量为77t/炉，废钢加入量为23t/炉，铁水热量为2041.63MJ/t，废钢中废钢铁和铁块比为7：3，废钢铁热量为147.77 MJ/t，铁块热量为808.95 MJ/t，焦炭放热量为13056.2 MJ/t，带入计算公式焦炭加入量0.39t/炉，加入0.39t/炉载热材料，钢中N含量为0.0027%。

（2）废钢比为27%时，造渣料采用优质白灰，钢铁料消耗为1100kg/t，铁水加入量为73t/炉，废钢加入量为27t/炉，铁水热量为2041.63MJ/t，废钢中废钢铁和铁块比为7：3，废钢铁热量为147.77 MJ/t，铁块热量为808.95 MJ/t，焦炭放热量为13056.2 MJ/t，带入计算公式焦炭加入量0.909t/炉，钢中N含量为0.0036%。

4 结论

（1）转炉高废钢比冶炼过程中，通过数据统计分析得到的焦炭加入量公式及钢中N元素含量与焦炭关系具有较强实用性，为生产提供了很大便利。

（2）2016年转炉平均废钢比10%，2017年转炉平均废钢比30%，最高35%，年产量提高了180万吨，为公司增效2亿元以上。

（3）在要求的铁水条件下，加焦炭炉次废钢比可达到30%以上，不加焦炭炉次最多达到25%，且加焦炭炉次钢中N含量≤40ppm。