摘要：随着国家产业升级与宏观调控，地条钢产能逐渐退出，加之我国废钢保有量及后续新增量，废钢资源必将激增以至过剩，钢铁企业提高废钢消化能力是未来趋势，电炉及转炉炼钢消化废钢增长潜力有限，又烧结机脱硫脱硝环保管控下，入炉熟料矿石资源不足，长流程钢铁企业在高炉炉内消化废钢成为提高吨钢废钢使用比例的发展方向，达到“节矿增产”的效果。
关键词：高炉加废钢实践；透气性；增产
5号高炉（850m3）于2018年8月15日至24日进行了炉内加废钢生产实践，使用废钢种类为钢筋切头，添加量最高达到矿批质量的10%。炉内加废钢前后共实践了10天，消化废钢总量3600t，21-24日吨铁废钢比均值达到138kg/t。
1 高炉内熔化每吨废钢理论焦炭需求量与实践效果
1.1炉内加废钢理论燃耗需求量
炉内添加废钢消耗焦炭主要包括两部分：废钢熔化消耗热量需焦量和废钢熔化后炉内渗碳需焦量。
（1）废钢熔化消耗热量需焦量
以物料平衡和热平衡角度计算得出熔化1t废钢消耗热量转化为干焦质量约为72kg。
（2）废钢熔化后炉内渗碳需焦量
钢筋切头（以下简称废钢）中全铁含量97%，渗碳量按4.6 %计算，吨钢渗碳耗碳1000*97%*4.6%=44.62kg，以焦炭中固定碳85%计算，炉内熔化1t废钢渗碳折算干焦质量约为52kg。
理论计算炉内每添加1t废钢需要消耗干焦质量为124kg。
1.2炉内加废钢燃耗实践
炉内添加废钢时随矿石入炉，其原则是批重不变，原矿石炉料结构、焦炭负荷、煤比不变，以废钢质量挤占批重中矿石质量，随之调整焦炭批重。
具体实施：5#高炉未加废钢时矿石批重27吨，含焦丁湿负荷4.3，焦批为6279kg；如炉内添加10%废钢时，批重27吨不变，其中废钢2.7吨、矿石24.3吨，具体地：矿石炉料24.3t（原炉料结构不变），负荷依旧4.3，对应负荷的焦炭质量为5651kg；废钢2.7t，依每吨废钢添加130kg湿焦，炉内加废钢需额外加焦351kg，即焦批总量为6002kg。
8月份15日至24日期间5#高炉炉内加废钢量与日产量如下表1所示。
5#高炉在炉内添加废钢实践中，依每吨废钢添加焦炭130kg实施。对铁水化学热[Si]和物理热影响如下如图1所示。
图1 炉内加废钢对铁水平均[Si]和物理热的影响
由上图可以看出，加废钢期间铁水平均[Si]和物理热变化较小，实践证明每吨废钢额外消耗130kg焦炭能够满足其热量及渗碳消耗。炉内使用废钢后，单位时间内煤粉喷吹量降低，理论上可以用煤粉置换废钢所需的焦炭量，以节约焦炭。
另，因其他种类废钢金属化率及全铁含量会有区别，但每吨废钢需要补加燃料量的计算原则不变。
2 炉顶废钢布料位置选择
炉内加废钢时其炉顶布料位置有如下选择：内圈、中间平台、外圈，5#高炉废钢布料选择中间平台，基于以下分析：
1．废钢加热熔化主要依靠炉缸上升煤气携带的热量，内圈横截面积小，单位时间内通过煤气量相对较少，废钢加在内圈将使倒“V”型软融带顶尖下移形变，抑制中心气流，破坏顺行；
2．废钢加在外圈将对炉顶设备和炉喉钢砖带来一定影响。首先，废钢如果要布在外圈，则炉顶受料斗和中间罐中势必先倒入废钢，如此情况下废钢将对受料斗耐磨陶瓷、阀板、密封圈造成直接撞击，威胁炉顶设备稳定运行，很可能造成高炉非计划休风；其次，废钢布在外圈时，炉喉钢砖、炉身上部耐材受废钢作用磨损加快，威胁高炉长寿；最后，如果炉内加废钢种类为轻薄料，入炉锌负荷将剧烈升高，废钢加在外圈将使锌在炉内循环富集，影响高炉顺行。
高炉实现废钢加在中间平台的方法在于称量斗的选择，5#高炉原矿石称量斗下料顺序依次为烧、烧、烧、块、球，因此将第三个烧结矿称量斗改为废钢称量斗，如此可以将废钢布在炉顶的次外圈，如果高炉使用含锌量较高的废钢，可以选在第二个烧结矿称量斗将废钢布在次内圈，以提高炉内排锌能力。
3炉内加废钢对增产效果
为保证高炉顺行，炉内加废钢后仍须维持原有炉腹煤气量不变。炉内熔化废钢热源来自风口焦炭燃烧，而单位时间内风口前燃烧的碳量一定，炉内加废钢后必将挤占原冶炼强度。因此，炉内加废钢后将对基础产量产生影响，即炉内加废钢后的产量不是基础产量与废钢加入量的简单叠加。
3.1 炉内加废钢对基础产量的影响和增产效果的理论分析
5#高炉正常生产条件下基础产量3300t（夏季产量），利用系数3.88t/（d•m3）。具体参数如下表2所示：
在此操作参数条件下，5#高炉正常的直接还原度约为42%，每分钟风口前燃烧的碳量为650kg/min，产生煤气量3160m3/min；炉缸内铁、硅、锰等金属还原每分钟消耗碳量约为221kg/min，相应产生煤气量约为440m3/min。因此，每分钟进入炉腹的煤气量约为3600m3/min。
理论上，炉内添加废钢后维持原有炉腹煤气量不变的前提下对基础产量的影响及增产效果如下表3所示。
炉内加废钢后基础产量和日均产铁量理论变化满足下图1所示关系。
表3理论上炉内添加废钢对基础产量和增产效果
图1炉内加废钢后基础产量和日均产铁量的理论变化
由图中可以看出，炉内添加废钢对基础产量的影响适用如下公式：
y1 = -0.21x + 3300
式中 x—炉内废钢加入量，t/d
y1—加入废钢后的基础产量，t/d
3300—基础产量，t/d
以上公式表明炉内每加入100t废钢，基础产量将降低21t。
由图1还可以看出高炉的增产效果适用如下公式：
y2 = 0.79x + 3300
式中 y2—加入废钢后对应高炉理论产量，t/d
以上公式表明炉内每加入100t废钢，理论上高炉可以实现增产79t。在实际生产中，较少关注炉内添加废钢对基础产量的影响，认为加多少废钢，产量就增加多少的思维是不科学的。
3.2 炉内加废钢实际增产效果
中天钢铁5#高炉在8月15日至24日期间炉内加入废钢后，高炉实际产量如图2所示。
图2 5#高炉炉内加入废钢后实际产量
由图中可以看出炉内加入废钢后实际产量与废钢加入量满足如下关系：
Y3 = 0.77x + 3302
式中 y3—加入废钢后对应高炉实际产量，t/d
加入废钢后高炉实际产量与理论计算较为接近，表明炉内每加入100t废钢，理论上高炉可以实现增产77t；同时，也从侧面印证上高炉内加废钢后对基础产量影响的论断。
从图2中还可以看出，废钢加入量对产量的影响又非简单线性关系，表现出不同特点：废钢加入量低于400t/d时，产量在拟合曲线上方，表明对基础产量影响较小，吨钢增产率高于77%；当废钢加入量达到400t/d以上时，产量在拟合曲线下方，表明对基础产能影响较为明显。
经实践操作分析，废钢加入量达到400t/d以上造成增产效果下降的主要原因是炉前出铁节奏跟不上：正常生产情况下5#高炉日均产铁量3300t，东西铁口炉前铁间隔15分钟，每炉出铁80-90min，铁量约为230-240t，全天出铁14次左右。炉内废钢加入量超过400t/d后，基本取消铁间隔，施行一边铁口堵上后另一边随即开口，并且适当扩大铁口通道，全天铁次多达15-16炉，炉前出现任何断、烧、漏等情况都会使炉内憋渣憋铁，造成压量关系紧张、影响走料，基础产量影响较大，炉前出铁成为提高废钢比、产能进一步提升的限制性环节。
4 炉内加废钢后对料柱透气性及煤气利用率的影响
4.1炉内加废钢后对料柱透气性的影响
高炉加废钢后出现煤气通过能力降低现象，操作过程中要适当放边，如此调整将不会对原有操作炉型造成影响。
气流受到抑制的主要原因有：
1．矿批批重不变的操作情况下，焦批减少、矿批密度变大体积减小，造成炉内矿焦层厚度变薄、层数增加，致煤气通过能力降低；
2．废钢开始熔化温度低（最低在1148℃），熔化终了温度高（超过1500℃），造成软融区间变宽（具体见图3铁碳相图），致煤气流通过能力降低；
图3 铁碳相图
4.2 炉内加废钢对煤气利用率的影响
炉内加废钢后高炉煤气利用率呈整体下降趋势，15号至24号炉内加废钢期间煤气利用率只有44.08%，正常生产情况下煤气利用率在45.3%左右。
图4 煤气利用率ηco
造成煤气利用率降低的主要原因是加废钢后煤气通过能力变差，操作上采取放边操作，煤气利用率有所下降。加废钢期间5#高炉炉顶布料制度矿石最外圈退半度，焦炭最外圈由两圈增加到三圈。
同时，由于废钢替代部分含铁矿石，矿焦层中含铁矿石占比降低，单位体积煤气对应矿石量减少，间接还原发生量减少，这是造成煤气利用率下降的另一个重要原因。
5 炉内加废钢关键环节的处理
5.1确保入炉废钢尺寸，避免槽下划皮带或炉顶卡料造成休慢风
严格控制入炉废钢尺寸，避免槽下划皮带、炉顶卡料，设备上须增加两道过滤装置，分别是废钢受料斗上安装180mm*180mm格子网，皮带末端称量斗入口处安装另一道200mm*220mm格子网。
5.2提高废钢受料斗稳定下料效率
为提高废钢受料斗下料效率，在受料斗格子网处安装了振动电机，使格子网上亚稳定结构的钢筋切头经振动后散落顺畅；同时改变了原受料斗闸门装置，改为振动给料机。以上两点改进基本解决了废钢在受料斗内下料不畅问题，但受料斗现场仍需要有员工常态化看守，对格子网上不能过筛的大件废钢、棒、条等不合格废钢进行捡除。
5.3废钢入称量斗后卡料问题解决
使用废钢初期，废钢称量斗下料口处经常卡料，基本每批料都需要人工捅料，员工劳动强度和工作量大幅增加，影响高炉上料节奏，同时存在划伤、撕裂皮带风险。经分析废钢进入称量斗后经过一段时间才放料，期间由于废钢自重造成废钢内部交错结构固化、下料困难，但只要稍微用力捅一下，破坏其机构后自动掉落。后经研究，放料程序实现称量斗内先放熔剂后放废钢，利用熔剂在下料口自动下料过程破坏废钢固化结构，以上技改解决了废钢称量斗下料问题。
加废钢设备对于炉内加废钢工作至关重要，5#高炉在实践炉内加废钢过程中对设备进行了重点关注与持续改进，期间未因加废钢出现过休慢风情况。
6、炉内加废钢小结
（1）高炉炉内加金属化率高的重废钢时，吨钢补充125kg左右干焦能够满足其热量及渗碳需求。
（2）将废钢布料位置选择中间平台有利于高炉顺行、避免炉顶设备损坏，有利于高炉长寿并提高锌的外排能力。
（3）根据炉腹煤气指数分析与实践证明“加多少废钢，产量就增加多少”的思维是不科学的，炉内加废钢会降低矿石冶炼基础产量。
（4）高炉加废钢后炉内煤气通过能力降低，冶炼过程中要需要适当放边操作，煤气利用率有所下降。
（5）炉内加废钢过程中须重点关注废钢尺寸，提高上料效率、避免上料过程中废钢划伤和撕裂皮带、引起炉顶卡料，造成高炉休慢风。
（6）高炉炉内加废钢冶炼，铁水产量增加，达到“节矿增产“的效果，并且节约燃料消耗，降低CO2排放。
论文作者:陶善胜
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：废钢论文; 高炉论文; 产量论文; 煤气论文; 炉顶论文; 焦炭论文; 矿石论文; 《电力设备》2018年第24期论文;