论高炉添加废钢的料型、方式和方法
摘 要
在环保和去产能的双重打击下，中频炉多数关停，废钢铁资源量激增。为了降低生产成本，提高生存能力，挖潜增效，在钢铁冶炼工艺流程中添加废钢，就成了节能降耗和提高产量最直接有效的方式方法。各钢铁冶炼企业传统添加废钢的方式为转炉添加废钢和电炉添加废钢，而本文将对高炉添加废钢的方式和方法进行浅度的讨论和总结。
关键词
高炉，废钢，废钢比，上料，铁水罐
小节名录
1、引言：剖析当前钢铁行业废钢利用形势
2、传统添加废钢方式简述：主要分为转炉废钢和电炉废钢
3、探寻高炉添加废钢方式：探寻上料过程添加废钢、铁水罐添加废钢、铁水沟添加废钢三种方式和方法
1.引言
在环保和去产能的双重严打之下，多数中频炉已经关停，中频炉逐渐退出历史舞台的同时，废钢铁资源量激增，全国废钢“泛滥成灾”，钢厂日消耗量不及到货量的 1/4。以东北地区为例，2016 年去产能前东北地区在调研钢厂废钢铁月消耗总量可达 91.1 万吨，其中，保守调研转炉企业 24.1 万吨，电弧炉消耗 2 万吨，中频炉企业 65 万吨，实际消耗量或高于调研量。而目前来看，东北地区钢厂废钢月消耗量仅为 42.6 万吨左右，需求减少一半，废钢铁过剩一半多。除了东北外，其他市场基本也是类似的情况。整治“地条钢” 行动，使各地区中频炉钢厂纷纷停产，导致废钢需求量出现下滑。虽然越来越多的转炉钢厂开始采购废钢，但由于用量有限，废钢整体需求量与去年相比还是出现了较大幅度的下降，这也就是目前废钢铁供过于求的主要原因。
目前我国废钢铁综合利用仍存在很大一个问题，那就是我国废钢铁循环利用率与全球平均水平相比还比较低，与发达国家水平相距甚远。以废钢比[废钢比 = 废钢/(废钢 + 生铁块 + 铁水)]为例，一些发达国家该项数值高出我国数倍，如土耳其为 86.79%、美国为 70.74%。另外，“十二五”期间，我国炼钢平均废钢比为 11.4%，与实现“十三五”规划目标差距较大[1]。中国废钢比与发达国家相比差距较大，这也意味着其存在巨大的发展空间。据测算，2016 年末，我国钢铁积蓄量已达到 80 亿吨，废钢资源产生量已超过 1.6 亿吨；到 2020 年末，我国钢铁积蓄量将达到 100 亿吨，废钢资源产生量可达到 2 亿吨。
废钢主要应用于电炉炼钢和转炉炼钢中，其中电炉炼钢中含铁原料废钢约占 70% (其余为高炉铁水或直接还原铁)，转炉最佳废钢比为 8%~20% (其余均为铁水)。据统计，炼钢多用 1 吨废钢，比生铁可节省 60%能源、40%新水，可减少排放废气 86%、废水 76%、废渣 72%、固体排放物(含矿ft部分的废石和尾矿)97%。
废钢属于再生资源，其载能和环保功效显著。随着钢铁产量达到峰值，废钢比将从前几年的越来越低转为越来越高。多用废钢缓解资源紧张，可有效降低铁矿石对外依存度。
2.传统添加废钢方式简述
废钢比的大小决定着冶金企业能耗和能源利用的高低，废钢比的提升既有利于保护资源，又有利于节约能源、减少环境污染。传统废钢添加方法主要是转炉添加废钢和电炉添加废钢。
2.1.转炉废钢比
转炉氧化反应基本上为放热反应，产生热量成为转炉炼钢的热源。另外进一步脱除 S\P 等有害杂质， 并保护炉衬，加入渣料造渣是必不可少的，渣料在成渣过程中要吸收一部分热量，炉气也要带走一部分热量，将铁水、炉渣和废钢加热到出钢温度要吸收热量，满足了这两方面的需要后，剩余热量还能少量添加废钢，但热量有限性严重限制了提高废钢比。所以铁水温度低、硅含量低是导致废钢比低的主要原因。
在生产实践过程中通过采取留渣操作、合理的造渣制度、减少渣量、提供一定的热源、保证铁水温度、硅含量达标等措施来提高废钢比，以上措施采取后，因为受废钢斗容积限制，满斗入炉时容易造成炉口卡料，影响转炉生产节奏。平衡计算，转炉在冶炼普通炼钢生铁时的废钢比为 25%左右，但因多种原因，实际废钢比往往低于这个水平，发达国家的转炉废钢比大多稳定在 20%左右。国内的平均水平也就在 16%左右。
2.2.电炉废钢比
电炉炼钢具有工序短、投资省、建设快、节能减排效果突出等优势。电炉钢由于冶炼时间相对较长(40 min~120 min/炉)，若全是废钢，则达(3 h~4 h/炉)，这就表明了从生产效率考虑也不可能全是废钢，如今是去产能时期，对电炉的要求也很高，从冶炼优特钢种考虑其废钢比不会太高，原因是：1) 国内的工业电价偏高，难以支撑成本竞争力；2) 电炉电气系统复杂，设备维护费用比转炉高；3) 电炉耐火材料寿命低(1000 炉/次)而转炉在发展溅渣护炉技术后，寿命高(10,000 炉/次)；4) 电炉对产生的 CO 回收率约为
30%~40%，转炉在 90%以上，由此看出，电炉“废气”回收效果差，电炉间歇作业，造成能源成本显著高于转炉。5) 废钢利用越多，循环冶炼次数越多，钢中残余元素(主要是有色金属元素)含量越高，使特钢(电炉钢)质量下降。从多种因素综合考虑，目前电炉的废钢比也就在 20%~30%。
3.高炉废钢添加方式
鉴于转炉炼钢和电炉炼钢的优点和缺点，我们将探寻高炉添加废钢的可能性以及操作方法。根据本文开篇所述的各种环保压力和提高生产率的期望，我们认为高炉添加废钢是可以缓解上述问题的有效方式。
最近十几年，高炉的工艺操作有了很大范围的改变，特别是喷煤工艺的推广，但在炉料方面，几乎没有变化。虽然现在已经出现了一些用来控制炉料分布的新方法，但是实际炉料仍然是由块矿、烧结矿、球团矿、焦炭和少量的熔剂组成。本文将探寻使用被切割成碎块的废钢作为炉料的想法。
高炉炉料中加入废钢块具有很多可能的优点。由于废钢块属于充分还原后的金属，因此其仅需能量来加热和融化为铁水即可。所以如果在高炉上料过程中添加废钢，是可以提高高炉生产率及降低燃料比的。通过调整废钢的粒度大小，还可以调节料床的气孔率，也就是透气性，同时抵消高炉在高喷煤比下发生气孔减小的情况。
如果从整体工艺流程来考虑，高炉冶炼工艺与电炉相比，是一个较为完善的工艺生产过程，因此高炉对废钢成分和等级要求较低。
综上所述，我们将高炉废钢添加方式简单分为铁前添加和铁后添加两种，铁前添加方式主要为从高炉上料系统之前添加废钢进行冶炼，铁后添加主要为出铁场添加废钢。
3.1 铁前添加废钢
在探寻铁前添加废钢方式之前，我们要先分析高炉冶炼对废钢原料的耐受性，其中最主要的是炉内布料方式。在预先设定的实验条件下，例如：认定废钢开始融化的温度是铁的共晶熔点1147℃，焦比450kg/tFe、煤比57kg/m3、废钢块平均直径范围在10mm左右。
布料方式分为三种，分别为中心废钢布料、均匀废钢布料、炉墙废钢布料。经过大量的实验和计算，发现在中心废钢布料状态下，回旋区温度随着废钢比的增加而大幅度地降低，但是另外两种废钢装料方案对回旋区温度只有很小的影响。这些结果可以解释如下：为了维持铁水温度，在鼓风速度恒定的情况下，单位时间内的燃料比减少，使得吸热的直接还原反应和熔损速度降低。以前用于这些反应的能量现在用在废钢的熔化上。由于在单位铁水中废钢熔化所需的能量比直接还原反应及熔化所需的能量少，所以总体上讲，铁水生产率提高了。而对于三种布料方式，经过大量的实验和数据分析，在中心布料的情况下，轴心部分由于废钢的需要而变凉，导致高炉内煤气分布出现意想不到的变坏。而对于炉墙布料，并没有使高炉稳定性降低，由于废钢的透气性小于焦炭而大于矿石，反而透气性会增加，从而增加反应速度，高炉其他状态同基准期非常相似。因此结论为：炉墙布料是三种方案中最好的。
废钢直径对炉况的影响。选取5mm、10mm和25mm三种直径的废钢，在炉墙布料方式的标准状态下，经试验和计算，产量、燃料比和炉顶煤气效率都几乎不受废钢直径的影响。当废钢直径减小时，炉墙附近的料床透气性随着废钢直径的减小而下降，轴心料床的透气性没有变化。这增加了轴心区域的煤气流，使得炉顶煤气平均温度升高。随着废钢直径的增大，由于料床的透气性增加，炉墙热损会增加，铁水温度会下降。因此总和考虑各种因素，业内一般选用10mm左右粒度的废钢最为合适。
总的来说，最适宜的布料方案，是将废钢布到仅只超过高炉半径外侧的一半，这样使高炉内部状态同无废钢操作相比变化最小，而明显的表现出产量的提高和燃料比的降低。废钢直径对高炉状态也有一点小影响，最显著的变化是煤气流和压力降。这是由于料床平均透气性的变化而引起的。
3.1.1 铁前添加废钢方式
铁前废钢添加主要分为高炉槽下添加和烧结添加两种。烧结添加主要使用两种原料，分别为成本较低品位不高的氧化铁皮，和优质的钢砂钢粒原料。配料时添入，经烧结机生产出高品位的烧结矿，供高炉使用。这种添加方式对高炉炉况变化影响几乎为零。但有原料供应量的限制。另外，由于华北地区雾霾问题，环保压力很大，烧结工序是钢厂冶炼工艺环节中控制扬尘的首要工序。
另一种方式为高炉槽下添加。高炉槽下添加废钢的布料方式和粒度，在前文中已经进行了分析和实验，在此不在详述。添加的位置分为高炉两侧上料皮带机尾，和选取一个小称量斗。其中，上料皮带机尾上料的方式不利用对废钢重量的称量，在此种上料方式下，如需称量则需另外增加皮带秤进行计量，成本增加较高，也较为复杂。小称量斗上料的方式比较简单易行，在高炉槽下众多小称量斗中选取一个，作为废钢称量上料使用，在槽下附近另建一条短的废钢上料皮带，机尾直接向小称量斗内供料，皮带机头上部为震动给料机和废钢料仓，震动给料机动作与小称量斗连锁，料斗内的废钢重量达到设定好的称量的重量后，给料机自动停止。废钢料仓由铲车直接上料。这种方式不需很多改变就能实现废钢上料，且能够融入自动上料控制流程，实现设置好料批后自动上料。
3.2 铁后添加废钢
铁后添加废钢主要分为铁水罐添加和铁沟添加。其中铁水沟添加废钢效率较低，且只能采用粒度较小的钢砂最为适宜，对炉前工工作强度增加较大，因此采用比较少。在此，我们主要讨论铁水罐加废钢的方式。
铁水罐加废钢再受铁，最大的问题在于加入废钢会造成铁水温度下降，还可能造成铁水包底部结底。经过多项实验和分析验证，在没有烤包器对铁水罐内部的废钢进行预加热的情况下，铁水包结底情况如下表
因此，可得出结论：在没有烤包器对铁水罐内部废钢进行预加热的情况下，废钢材料的选择应选择轻薄料为主，且体积不超铁水罐容积的4%，经验证明，铁水罐内部可布满轻薄料，无明显结底影响。
炼钢对铁水的消耗难免会出现慢的现象，设备检修、故障等原因会导致消耗慢，铁水包停留时间长， 会导致铁水包结壳现象，这会造成损失，故研究铁水包停留时间很有意义。未加废钢和加废钢进行对比， 看对停留时间长短有无影响。根据处理故障经验一般情况下铁水滞留时间最大也就在 4 h 内，故做研究时选择 4 h 为标准，不预热、废钢为轻薄型电工钢、废钢加入量占铁水包容量的百分比为 3%，其结果如下表所示。
由上表可以看出，在四小时之内，加与不加废钢对铁水有无结壳影响不大。铁水结壳其实就是铁水流动性的问题，影响流动性只有两个原因，一个是铁水物理热，一个是铁水化学成分。如果铁水在铁包中放置时间过长，就会引起结壳，较严重时要送去铸铁机铸铁，这会影响钢材的产量。数据表明没有结壳，说明还未到结壳周期。
加废钢与不加废钢对铁水温度的影响，见下表：
经统计得出影响温度在 30℃~40℃之间。转炉对所用铁水温度是有要求的，行业一般认为开始炼钢时铁水温度不低于1250℃是可以使用的，但如果低于 1250℃以下时是要返包的，因为此温度会容易使铁水包结壳，影响转炉的使用。研究得出，初始铁水温度当低于 1450℃，考虑到等包和转运时间，再加上加入的废钢等条件，其铁水在转炉使用时的温度有点偏低，但仍能使用，处于避免返包的考虑，建议高炉铁水在 1470℃~1500℃之间。
在有烤包器对铁水罐内部废钢进行预加热的情况下，需在铸铁机工段或炉前使用烤包器将包内废钢预加热至700℃到800℃，即可避免上述对铁水温度影响的问题出现。
为提高炉前添加废钢的效率，可在高炉出铁厂天车导轨上再加一部单梁吊，专门用于添加废钢使用。
4.经济效益分析
以800立方高炉为例，正常生产不添加废钢情况下，每天产量为3200吨左右，选择效益最直接的铁水罐废钢添加以及高炉槽下废钢添加以后，日产量飙升至4500吨，每天增产铁水1300吨。
在铁水罐添加废钢方式下，800立方高炉每天出铁18次，每次3罐，在不使用烤包器预热的情况下，每罐添加轻薄料3吨，每吨1600元，原吨铁成本2250元，可直接计算出经济效益。
每日铁水包加废钢增产效益=18*3*3*（2250-1600）=105300元
在高炉槽下添加废钢方式下，料型主要选择冲子、直径100mm厚度50mm的铁销压饼、直径大于10mm长度小于10cm的钢筋头。综合各种料型配合，每吨成本约在2100元左右。800立方高炉每小时上料9批，每天上料216批，每批料添加废钢5.3吨，高炉每日增产216*5.3=1144.8吨。
每日槽下添加废钢创效=（2250-2100）*1184=177600元。
两种添加方式每日增效=105300+177600=282900元，每年个月增效848万元，每年增效近1亿元。
上述效益计算仅为炼铁高炉冶炼工序的直接经济效益，并未计算节能降耗创效，和后续炼钢工序增产创效。因此，高炉添加废钢对钢企能够带来的效益巨大至不可估量。
5.关于钢企上废钢加工生产工序
简单来说，如果钢企自己上一套废钢深加工的生产线，以加工钢筋头为例，直径10mm以上拆房钢筋1700到1800/吨，建筑钢筋废料1800到2000/吨，加工成10cm以内的钢筋头，收购价值约2300/吨。每吨废钢筋头即可节约成本150元左右。每日又可直接增效15万元，年增效0.5亿元。并且理论上吨铁成本可降至2000元左右。
6.结语
今年以来，我们一直不断的探寻钢铁冶炼工艺中添加废钢的方式和方法，本文中总结的各种方式，在提高废钢比的同时，还能减少对环境的污染，提高了废钢资源利用率，带来的降本效益是显著的。