废钢在高炉内软熔性能研究及应用
摘 要
研究了废钢在高炉内的软熔行为。研究表明，废钢在高炉内会发生明显的渗碳反应，其滴落温度远低于纯铁及常规烧结矿，1400℃没有体积收缩，其明显的体积收缩均发生在滴落之后，没有明显的压差陡升现象，可以降低炉料的软熔区间，有利于改善软熔带的透气性。梅钢高炉生产实践表明，高炉配加一定比例的废钢后，能够显著提高生产效率降低燃料消耗，120kg/t 的使用量，增产率达到近 30%，燃料比降低近 30kg/t。
关键词：废钢；软熔性能；高炉；冶炼
废钢作为一种铁素金属资源被广泛应用于钢铁生产中，主要用于长流程转炉炼钢中的添加料和短流程电炉炼钢的主料。但是，对于许多钢厂来说，转炉炼钢添加的废钢量有限，电炉炼钢需要增加新的工艺和设备，而且炼钢工受工艺、成本、环保等方面的限制所用废钢多为重型废钢，对一些铁屑及轻薄料使用量较少，如这部分废钢能够在高炉使用，可以提高高炉冶炼效率降低能耗，减少 CO2 排放。高炉吃废钢等金属料在国外已有很多的实践，例如,2017 年北美在生产的 25 座高炉中，有 23 座加废钢或金属回收料，最多用到 213kg/t,国内很多钢厂（主要是民营钢厂）近两年也开始在高炉使用废钢。[1]梅钢公司从 2017 年开始也在 1280m3 高炉陆续开展使用废钢冶炼的试验，由于废钢与传统铁矿石相比成分及微观结构均有显著区别， 而国内对此方面的基础研究基本处于空白，所以进行废钢在高炉内冶金行为特别是软熔性能的研究，为高炉应用提供技术支撑，具有重要意义。
1 试验原料与方法
1.1 试验原料
本研究所采用的废钢为梅钢自产热轧板边角料，将其加工成 10-12.5mm 粒度，同时为了研究废钢与烧结矿混合料的软熔性能，还准备了梅钢自产烧结矿，也加工成 10-12.5mm 粒度。两种原料的主要化学成分见表 1、表 2。
表1 废钢化学成分，%
表2 烧结矿化学成分，%
1.2 试验设备及方法
实验设备为 RDL-2000 性熔滴炉，实验设备简易图如图 1 所示。该实验设备是由计算机测控系统控制， 测定铁矿石高温软化滴落性能的试验设备，压差、收缩率、熔化温度等一系列实验数据可通过实验装置直接给出，设置在底部的摄像头可看到滴落时的实时影像。实验时使用 N2 作为加压气体，为了模拟高炉气氛， 反应气体使用 CO、N2。
图 1 RDL-2000 熔滴炉
试验使用内径 75mm、底部设有直径 l0mm 滴落孔径的石墨坩埚。试验室取 500g 粒径为 10-12.5mm 的废钢或铁矿石装入坩埚，常规试验过程中，试样上下铺 20g 等粒径的焦炭以保证试验过程中煤气流能够正常通过及滴落物能够正常滴落。具体试验条件见表 3.
表 3 软熔试验条件
1.3 试验研究方案
为了研究废钢自身软熔性能及其对烧结矿混矿软熔性能的影响，共进行了 4 组试验，其中废钢单种料试验 2 组：一组为常规试验（试样上下均铺 20g 焦炭层），一组为特殊试验（试样上下均没有焦炭）；烧结矿单种矿试验一组，废钢烧结矿混料试验一组，均为常规实验，具体试验方案较表 4.
表4 软熔试验方案
2 试验结果及分析
2.1 试验结果
熔滴试验结果见表5。软化区间( T40-T10) 、熔融区间(TD-TS) 及软熔温度区间( TD-T10 ) ，其中,T10, T40为试样收缩率为10% 和40% 时的温度; TS, TD为压差陡升和熔融滴落温度。
表5 废钢及烧结矿软熔滴落温度 ℃
2.2 试验结果分析
废钢软熔性能分析：由表5可知，废钢的滴落较低，均未超过1350℃，这比纯铁1538℃的熔化温度低188℃以上，也远低于烧结矿1481℃的滴落温度，这是由于废钢在与煤气的接触过程中发生：2CO+3Fe=Fe3C+CO2 渗碳反应，由铁碳相图可知，铁被渗碳后能够急剧降低其熔点。常规试验废钢的滴落温度为1291℃，特殊试验废钢为1326℃，只是由于常规试验中试样上下均铺有焦炭层，废钢熔化后，在滴落过程中与焦炭层有良好的接触条件，渗碳反应迅速进行：3Fe（L）+C=Fe3C（L），[2]能够进一步降低铁的熔点改善液铁的流动性。取两组试验废钢滴落物进行碳含量分析，见表6，可以看出两组试验滴落物含碳量较原始废钢均提高了，4.161%和2.051%，常规试验比特殊试验高2.31%。
表6 废钢试验前后含碳量 %
废钢在软熔过程中体积的变化也比较特殊，图2为特殊试验废钢收缩率变化情况。废钢在高炉内1400℃以下，均表现为体积膨胀，最大膨胀率接近10%，1400℃以上才开始收缩，其T10、T40均低于滴落温度，所以在体积收缩前已经大量熔化滴落，没有明显的压差陡升现象，所以在高炉使用废钢可以降低软熔带的煤气阻损。
图2 废钢收缩率变化
在烧结中配加5%的废钢后，与单种烧结矿相比，其软化区间（T40-T10）、熔融区间（TD-TS）及软熔区间(TD-T10)具有减小,其中熔融区间减小9℃，熔融区间减小13℃，这与前述废钢的基本软熔特性相关，所以，在实际中高炉如果配加一定比例的废钢除了能够增加入炉品位以外，还能够改善软熔带的透气性，为高炉进一步改善技术经济指标提供有利条件。
2.3 试验小结
(1) 废钢在高炉内会发生明显的渗碳反应，其滴落温度远低于纯铁及常规烧结矿。
(2) 废钢在软熔过程中，固态下没有体积收缩，其明显的体积收缩均发生在滴落之后，在1400℃以前受热胀冷缩的影响，体积会膨胀，没有明显的压差陡升现象。
(3) 一定比例废钢与烧结矿混合，可以降低炉料的软熔区间，有利于改善软熔带的透气性。
3 高炉使用废钢生产实践
2019年2月份开始，梅钢1280m3高炉开始稳定使用一定比例废钢进行生产，所用废钢品种为破碎料，粒度为5-100mm，配加比例由50kg/t逐步提高到120kg/t。生产中，废钢随矿石混合布入高炉，在布料档位的控制上，选择中间档位，目的就是控制废钢分布在料面的中间位置，以避免其对边缘和中心气流的影响过大，同时考虑了减少废钢中有害元素可能对炉衬造成危害。高炉主要生产技术经济指标见表7。
表7 梅钢高炉主要技术经济指标
由表7可知，梅钢高炉使用废钢后，与使用前基准相比，高炉透气性得到改善，风量增加100m3/min以上，受品位提高及气流改善的双重作用，利用系数，随废钢加入量的增加而增加，提高明显，当废钢加入量达到吨铁120kg/t时，利用系数达到3.088t/m3.d，比基准提高0.507t/m3.d,增产率达到19.64%，效率提升显著。在燃料消耗方面，配加废钢也可以明显降低高炉的燃料比，50-120kg/t配加量最高可以降低燃料比近30kg/t,节能减排效果显著。
4 结论
(1) 废钢在高炉内会发生明显的渗碳反应，其滴落温度远低于纯铁及常规烧结矿，能够满足高炉冶炼要求。
(2) 废钢在软熔过程中，固态下没有体积收缩，其明显的体积收缩均发生在滴落之后，没有明显的压差陡升现象。一定比例废钢与烧结矿混合，可以降低炉料的软熔区间，有利于改善软熔带的透气性。
(3) 梅钢高炉生产实践表明，高炉配加一定比例的废钢后，能够显著提高生产效率降低燃料消耗，120kg/t的使用量，增产率达到近30%，燃料比降低近30kg/t。
参考文献：
[1] 沙永志，宋阳生．未来高炉炼铁工艺之管见[J]．炼铁，2018，37(5)：1−7．
ShA Yongzhi，SONG Gang-sheng．Outlook of future BF ironmaking technology[J]．Ironmaking，2018，37(3)：1-7．
[2] 1 周传典．高炉炼铁生产技术手册[M]．北京：冶金工业出版社，2003：110-115
ZHOU Chuan-dian．Technical manual for ironmaking production of blast furnace [M]．Beijing:Metallurgical Industry Publishing House，2013:110-115．
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