2()2()年12 月•8 •第36卷第6期
炼钢
Steelmaking
Dec.2020
Vol.36 No.6
方文\杨宁川\游香米2，吴令1
(1.中冶赛迪工程技术股份有限公司钢铁事业本部炼钢事业部，重庆4()()(U3;
2.中冶赛迪技术研究中心有限公司钢铁冶炼研究所炼钢研究室，重庆401122)
摘要：随着废钢供给增加和节能环保要求日趋严格，行业对高效低耗转炉大废钢比技术需求日益迫 切。目前国内转炉高废钢比技术方案缺少系统性，且转炉废钢比一般不超过35 %。系统性的转炉大废 钢比技术应围绕废钢如何人炉和能量如何补偿两个角度开展研究。废钢预热和炉内碳质高效燃烧是进 一步提升 废钢比的关键技术。结合碳氧燃烧反应理论及已有实践，结果表明：通过提升炉内碳氧反应二 次燃烧率及燃烧向熔池的传热效率，相比传统的转炉顶吹技术，此时用于加热熔池的碳氧反应放热可提 升88.3 %以上。
关键词：废钢比；碳氧反应；二次燃烧；热效率
中图分类号：TF746 文献标识码：A文章编号：1002-1043(202())06-0008-06
Research on high efficiency low consumption high scrap ratio converter
FANG Wen1, YANG Ningchuan1, YOU Xiangmi2, WU Ling1
1. Steelmaking Business Section of Iron & Steel Business Division, CISDI Engineering Co. , L td., Chongqing 400013, China
2. Steelmaking Research Department of Ferrous Smelting Research DivisionXISDI R & D Co. , L td., Chongqing 401122, China
Abstract：With the increasing supply of scrap and severe requirements for energy conservation and environmental protection, high efficiency low consumption high scrap ratio converter technology is de
manded increasingly urgent in steel industry. At present, the technical scheme of high scrap ratio converter lacks systematization in our country, and the scrap ratio of converter is generally not exceed 35 %. Systematic high scrap ratio converter technology should be researched around how scrap is added and how heat gap in converter is compensated. Preheating scrap and good combustion in the converter are the key technologies to improve converter energy utilization efficiency and further increase the scrap ratio. Combining C-0 reaction theory and existing trials, the result shows that post combustion ratio (PCR) and heat transfer efficiency (HTE) of C-0 reaction to the molten steel can be significant improved. Compared to the common top-blowing, the current C-0 reaction heat transferred to the molten steel can be raised by more than 88.3 %.
Key words：scrap ratio；C-0 reaction；post combustion；heat transfer efficiency
随着我国社会钢铁蓄积量的不断增加.废钢 资源供给量逐年提升。据有关部门预测，2020年 我国废钢产出量约2. 1亿t，2(>25年废钢产出量预 计可达(2.7〜3.0)亿t，2U30年预计可达(3.2〜 3.5)亿1[|]。研究表明，使用废钢炼11钢，可减少 1.6 t碳排放，其C02排放量仅为长流程的27 %[2]，考虑到钢铁行业碳排放政策的出台，碳 排放对将来钢铁生产成本的影响不容忽视。种种 趋势表明，相较于高炉铁水，废钢作为钢铁原料在炼钢中的地位将更加突出。
我国绝大多数钢铁产量是采用“高炉-转炉”长流程生产。转炉作为一种自热式冶金反应器消 耗废钢能力有限，常规冶炼工艺下，转炉废钢比一 般不超过2(> %。在废钢供应增加.碳排放日趋严 格情况下，深挖“高炉-转炉”流程吃废钢潜力是提 升炼钢产能利用率、提高经济效益的必然选择。
近几年，国内在提高转炉废钢比方面已有大 量实践L V6]。通过转炉工艺优化、减少工序间热损
通讯作者：方文（1991 —)，男，硕士，T.程师E-mail：fw<)***********；收稿日期：2()2U-()4-22
第6期方文，等：高效低耗转炉大废钢比技术路径研究• 9 •失、废钢预热、转炉加发热剂等技术措施，国内转
炉流程废钢比目前可达35 %左右。理论上，转炉
在大废钢比冶炼时，脱碳、脱磷任务少，氧气、辅料
消耗少，渣量、铁损、烟气排放均有所降低，是一种
高效低耗的炼钢技术。但在当前提高转炉废钢比
的改造过程中.各生产厂绝大多数为短期局部改
造，缺乏系统性考虑，这使得很多方案在转炉废钢
比增加到35 %左右时出现瓶颈且经济性并非最 优，很多方案甚至在安全、环保等方面存在缺陷。 因此，要实现转炉炉料灵活搭配的高效益炼钢技 术，需要对现有炼钢生产技术进行系统性改造，使 工艺与设备、操作与管理等多方面相适应，开发高 效低耗的转炉大废钢比技术。1提高转炉废钢比研究综述1.1提高转炉废钢比基础研究转炉是接受废钢、铁水等原料，石灰、白云石 等辅料，氧气、氮气、氩气等能源介质，完成脱碳、 脱磷、升温等工艺目标的冶金反应器。转炉以铁 水物理热、化学潜热等为热量来源，根据转炉输入 输出物料种类重量及转炉过程经验参数，可建立 转炉物料平衡、热平衡模型，其原理如图1所示。 通过平衡计算，可从理论上定量地计算转炉原料 指标(成分、温度等）、冶炼工艺参数等对热量平衡 下转炉废钢比的影响。结合计算结果和实地调研 部分厂家废钢比提升实际，发现二者吻合良好，如图2所示。关于转炉物料平衡热平衡计算已有诸 多研究，本文不再赘述。1.2提高转炉废钢比已有实践提高转炉废钢比实践主要围绕以下三个方向。1)减少流程热损失要提升转炉废钢比，首先要通过设备设施改 进、工艺管理优化减少流程热损失，挖掘现有工艺 流程、设备设施下的潜力。主要措施包括：铁包加 盖、钢包加盖、生产组织优化、转炉冶炼工艺优化。 铁包加盖措施是在空包等铁、铁水运输过程、重罐 等待时段进行加盖，可有效降低铁水包包口表面 热损失和铁水包包体蓄热损失，提升铁水人炉温 度，根据对多家实施铁包加盖厂家调研结果，普遍 认为铁包加盖可提升铁水人炉温度10〜30 °C 。 钢包加盖采用在固定加盖工位加盖，通过减少钢
颗粒冷却塔
包、钢水向环境的热量耗散可有效减少转炉出钢
至连铸浇铸的钢水温降，有助于低温出钢，实施钢 包加盖一般可降低出钢温度5 °C 以上。生产组织 优化主要依靠铁包、钢包跟踪管理与调度算法相 结合，减少因生产组织不当造成热损失。转炉冶 炼工艺优化主要是改善辅料条件、优化转炉吹炼 工艺、少渣炼钢等措施减少炉渣喷溅带走的热量。 减少流程热损失的各项措施对现有生产系统影响 小、投资少、见效快，是提升转炉废钢比的必然选 择。这些措施的使用一般可将转炉废钢比提升至 2(> %〜25 %。
入炉原料：
铁水成分（C 、Si 、Mn 、P 、S 等)
铁水温度
废钢成分（C 、Si 、Mn 、P 、S 等)废钢温度石灰成分（CaO 、Si 〇2、P 、S 等） 白云石（CaO 、MgO 等）萤石（CaF 2、Si 〇2等）
炉衬（MgO 、C 等）
工艺参数：终点钢水温度、碳含量 终渣碱度、终渣TFe 脱磷率、脱硫率、残锰含量 碳氧反应生成CO 比例 喷濺量、炉衬侵蚀量 转炉热损失
平衡结果：
终点钢水成分、炉渣成分
渣钢比
废钢比
技术经济指标：
钢铁料消耗
氧气消耗量
石灰、白云石、萤石消耗量 煤气产生量
余热蒸汽发生量
图1转炉物料平衡热平衡原理图
Fig. 1 M aterial balance and heat balance principle diagram in
converter
•10 •炼钢第36卷
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 10 20 30 40 50 60 70
废钢预热温度/-C 燃料加入量/(kg#)
(a)废钢预热对废钢比增的影响（b)燃料热补偿对废钢比增W的影响
图2转炉平衡理论计算与钢厂实践比较
Fig. 2 Comparison of theoretical balance calculation and practice in steelmaking plant
若要进一步提升转炉废钢比，需要对转炉r 序进行补热。补热技术围绕提高转炉入炉料物理 热和提升炉内化学反应放热两个方面。
2) 提高转炉入炉料物理热
提高转炉入炉料物理热.根据物料种类不同.有废钢预热、合金预热、辅料预热等；根据预热发 生位置不同.包括铁水罐预热、竖炉预热、连续预 热装置、料仓预热、转炉预热等。其最重要的研究 及实践
方向是废钢预热。为保证转炉周期，国内 多采用炉外废钢预热，其设备设施简单、多样，预 热设施与转炉系统整体相互独立，通过增加废钢 人炉物理热，提高转炉废钢比。炉外废钢预热存 在的主要问题是，废钢预热后运输至炉前过程热 量损失大，根据多家生产厂的调研结果，其运输过 程温度损失普遍在i(>(r c以上，废钢实际人炉温 度一般仅为40(>〜6(>n°c。且废钢预热装置除尘 差，预热后废钢运输过程污染治理难，二噁英问题 难解决。国外一般为炉内预热，加入废钢后.通过 向炉内吹人燃料燃烧预热废钢，有文献介绍，炉内 废钢预热y〜15 min.可将废钢比提升5 %〜^ %17]。炉内废钢预热热效率高、污染容易治理，废钢预热时间计人转炉周期，但考虑到大量废钢 加人后缩短了转炉主吹时间.其对转炉周期的负 面影响也并非不可接受。由于废钢预热至1n()u °c以上时氧化严重，一般来讲，单独采用废钢预热 可提升转炉废钢比约
3) 提高转炉内化学反应放热
除铁水中元素氧化放热外.还可通过向转炉 添加发热剂提升转炉炉内化学反应放热。发热剂 种类包括硅质、招质、碳质等，由于碳质发热剂反 应后生成气体，对转炉造渣影响较小，采用无烟煤、焦丁等碳质发热剂的T.业实践最多.碳质发热 剂的问题是可能带来钢水增硫。发热剂加人方式 包括顶加块状发热剂、顶吹粉状发热剂、底吹粉状 发热剂。目前国内一般为顶加块状发热剂，工艺 简单.但热效率较低。在不考虑冶炼周期和消耗 的情况下，添加发热剂可以无限提升转炉废钢比，如德国K S工艺可实现100 %全废钢冶炼。向转 炉加人碳质燃料燃烧加热熔池，最关键的是要保 证其燃烧热效率。顶加块
状燃料，如果不停止吹 氧而添加碳质材料.则碳在熔池面上燃烧.热M基 本不传递给熔池；但若停止吹氧，则因熔池没有搅 拌，熔解速度变慢，不但严重影响转炉生产率，散 热s也会增加。相较而言，底加燃料燃烧热效率 更高，可达7() %以上（顶加约5() %)。对于顶吹 或底吹喷粉，为提高碳质材料热效率，炉内钢液增 碳是关键因素，研究表明：通过吹氧，当熔池tr(C)降低至1.5 %〜3. (> %时，此时加入的碳质燃料 利用率较高。对于复吹转炉，保证熔池搅拌.改 善熔池传热、传质效果是提高燃烧热效率的必然 要求。
所有发热元素中，碳氧化放热最多。转炉常 规冶炼下,9() %以上的碳氧化为C0，少量氧化为 C0:。当碳氧反应生成C0：时，其放热量约为生成 C0放热量的3倍。碳氧反应式及各自放热M如式（1)、式(2)所示。
中央空调通风管道[C] + 1/202 =C0-9. 54 MJ/kg
C0+ 1/20： = CO：AH二
(1)
-21.20 MJ/kg
(2)
通过促进碳的二次燃烧，提升碳氧反应放热 量进而提升转炉废钢比，国内外早有研究和实
20 8
20
-理论计算值
®钢厂实践A
-J=i
广
P
P
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数据的波动
P
理论计算值
®钢厂实践
转炉除尘%
/
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第6期方文，等：高效低耗转炉大废钢比技术路径研究• 11 •践[^3]。炉内二次燃烧的关键指标是二次燃
烧率 (PCR )和传热效率（HTE )，转炉二次燃烧率和传 热效率随吹炼进行不断变化，加拿大Dofasco 厂 K - O BM 转炉的二次燃烧率和传热效率随吹炼进 程的变化如图3所示[<。通过将氧改造为二 次燃烧，主孔吹氧脱碳，副孔吹氧二次燃烧，提 升二次燃烧率，可提升转炉废钢比。日本研究及40 I -------------------------------------------------------------实践经验表明，二次燃烧副孔夹角为20°〜30°，
副孔吹氧量与主孔吹氧量之比为().1〜0.3时较为 适宜。根据测算，二次燃烧热效率在6U %〜 80 %[8]。实践发现当炉气二次燃烧率达到3(> % 以上时，二次燃烧热效率降低且将严重损害炉衬 寿命。因此，单独采用二次燃烧时，最高可提升废 钢比约10 %[8]。
100
10平均
10吹炼时间/min (a )二次燃料率152020
10吹炼时间/min
(b )传热效率
1520
图3 K-0BM 二次燃烧率及传热效率随吹炼时间变化[14]
Fig. 3 Post combustion ratio and heat transfer efficiency change with blowing time in K-OBM
2转炉大废钢比技术发展方向探讨2.1废钢加入工艺分析高效低耗转炉大废钢比技术就是围绕如何高 效率、低成本、环境友好的情况下将更多的废钢加 人到“高炉-转炉”流程中以及大量废钢加入下转 炉热量不足如何补偿的问题。关于废钢如何加
人，国内外已有众多研究和实践，高炉、罐/铁 水罐、废钢料槽、转炉料仓、钢包都是废钢可能的
加入位置。不同的废钢加入位置对废钢种类、加
人量等存在要求，不同的废钢加入位置有其各自 的优势与不足，根据文献及现场调研结果，各类废 钢加入方法特点总结如表1所示。
表1转炉大废钢比下不同废钢加入方案比较
Table 1 Comparison of different scrap addition schemes under large scrap rate converter
加人位置 废钢种类 加入量 优点 不足 备注高炉废钢尺寸限 制实践值：吨铁120〜 200 kg 废钢消耗量大工艺不合理，炼铁炼
钢均有负担
罐/铁水 罐透气轻薄料受铁水罐容积、铁水 富余热量限制可利用铁包余热，不 影响转炉周期废钢加入量少，污染
治理难可预热
废钢料槽多类废钢混 装受废钢料槽容积限
typec转usb制，受吹炼初始热量
要求限制废钢加入量大，废钢 成本低可扩容，可预
热
转炉料仓废钢破碎料受转炉料仓容积限
制，受冶炼工艺要求 限制不影响转炉周期，可 调节炉况
加入量小，成本高可预热
钢包成分明确钢受钢水富余热量限不影响转炉周期，不废钢成本高，钢水质不增加转炉
筋头等制影响转炉操作量影响大废钢比
高炉加废钢，铁素反复增碳、脱碳，工艺不合 限，对提升转炉废钢比影响不大。转炉大废钢比理；铁水罐和钢包加废钢工艺简单，但加入量有 冶炼时，能够实现大量废钢进人流程的最主要的
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炼钢第36卷
联合签名
温度厂C 图4碳氧反应平衡时产生c a 在气相中体积分数分布 Fig. 4 Volume distribution of C 〇2 in the gas phase during carbon-oxygen reaction equilibrium 熔池脱碳反应生成c o ，其反应放热几乎 1()() %用于加热金属熔池，而炉气中CO 二次燃 烧放热，只有一部分传递到熔池，用于提升熔池温 度，其它热量以转炉高温烟气物理热形式存在和 通过对流辐射传递到转炉炉衬。二次燃烧放出热 量中只有传递到金属熔池提升钢水温度部分属于 有效利用。烟气携带部分热量可以以余热蒸汽形 式进行部分回收，而辐射至炉衬部分的热量对转 炉炉衬寿命有害。需要说明的是，即便可以通过 回收转炉煤气、余热锅炉蒸汽来回收转炉烟气能 量，其利用效率也是较低的，对于转炉大废钢比能 量紧张情况下，减少转炉烟气带走热量和热辐射 热量，提高碳氧反应产生热量利用率是很有必要 的。提高炉内碳氧反应放热利用率分为两个部 分。一是提高碳氧反应的二次燃烧率；二是提高 反应放热向熔池传热效率。然而当前转炉工艺下 这二者几乎是矛盾的，提高二次燃烧率就会降低 传热效率，因而在二次燃烧率达到30 %左右已无 法继续提升。钢水中不具备碳氧反应生成(：02的图4为Fe -C -0相平衡下气相中C 02的体积分数， 实际生产中由于转炉供氧方式为顶吹超音速氧气 射流，氧气局部过剩，实际炉气中C 02浓度要高于 理论计算值。经验表明，炉内脱碳反应生产C 02 占比约5 %〜10 %。[C ] + C 02(g ) -2C 0(g ) (3)K = P cQ ~ /(. Pea, • etc) (4)lg K = - 7 558/T + 6.765 (5)AGe = 144 700 - 129. 5 T (6)方法是废钢料槽加料和转炉料仓加料。废钢料槽 加料是目前最主要的废钢加人方式，但其单槽加 入量受料槽容积的物理限制和转炉开吹物理热最 低要求的工艺限制。转炉料仓加废钢目前多用于 溶池调温，加入量很少，还不是废钢人炉的主要方 式。
在使用废钢预热技术的高废钢比实践案例 中，废钢经离线预热后，仍采用废钢料槽将预热后 废钢加人转炉，甚至有直接在废钢料槽内对废钢 进行烘烤预热案例，此类方案工艺简单，生产系统 改动小。但盛装预热废钢的料槽基本无任何加固 措施，存在安全隐患。同时，预热后废钢普遍在 4()0〜8〇(r c ，预热废钢运输过程散发的有毒有害 物质难处理。
按现有炼钢车间装料制度设计，如果采用两 斗废钢人炉方式，对转炉周期影响很大。在高废 钢比生产下，一方面需要通过废钢预处理和废钢 斗扩容改造实现单斗废钢装入量增加。另一方面 也需要开发冶炼过程加废钢工艺，以减少炉前废 钢入炉压力。冶炼过程中值得重点关注的废钢人 炉工艺为高位废钢专用料仓入炉，将转炉高温烟 气预热后的废钢破碎料在转炉吹炼过程加人炉 内。
2.2转炉工序补热工艺分析
无论普通转炉冶炼还是现有高废钢比转炉技 术，其冶炼过程中大量热量以高温炉渣、炉气、喷 溅等形式损失，转炉能量利用率仍有提升空间，尤 其是炉内碳氧未充分反应，其化学潜热没有充分 利用。无论是熔池原有碳含量，还是向炉内补加 的碳质燃料都有必要改善其燃烧效率，若能将这 部分热量充分利用，对于提高废钢比，降低转炉消 耗都将大有裨益。同等转炉废钢比目标下，提高 碳氧反应放热量及热量利用率可减少碳质燃料加 人量，这会减少燃料含硫对钢水的不利影响，提升 喷吹系统寿命，同时也可减少转炉通风、除尘运行 消耗。可以说，向炉内加人碳质燃料与改进碳氧 燃烧是相辅相成的，要配合使用。
转炉炼钢吹氧脱碳反应，其产物有c o 、c o 2 两种，脱碳反应联合式及平衡参数如式（3)〜式
(6)所示。由式(4)、式(5)可以看出，理论上炼 钢过程碳氧反应产物受熔池温度和碳含量影响。 炼钢温度、熔池碳含量下，碳氧反应的主要产物为 C 0。碳氧反应产生C 02在气相中体积分数随温 度，熔池碳含量变化如图4所示。需要指出的是%/u T 爱
逆
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