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 廢鋼作為一種鐵素金屬資源被廣泛應(yīng)用于鋼鐵生產(chǎn)中，主要用于長流程轉(zhuǎn)爐煉鋼中的添加料和短流程電爐煉鋼的主料。但是，對于許多鋼廠來說，轉(zhuǎn)爐煉鋼添加的廢鋼量有限，電爐煉鋼需要增加新的工藝和設(shè)備，而且煉鋼工受工藝、成本、環(huán)保等方面的限制所用廢鋼多為重型廢鋼，對一些鐵屑及輕薄料使用量較少，如這部分廢鋼能夠在高爐使用，可以提高高爐冶煉效率降低能耗，減少 CO₂ 排放。高爐吃廢鋼等金屬料在國外已有很多的實踐，例如,2017 年北美在生產(chǎn)的 25 座高爐中，有 23 座加廢鋼或金屬回收料，最多用到 213kg/t,國內(nèi)很多鋼廠（主要是民營鋼廠）近兩年也開始在高爐使用廢鋼。^[1]梅鋼公司從 2017 年開始也在 1280m³ 高爐陸續(xù)開展使用廢鋼冶煉的試驗，由于廢鋼與傳統(tǒng)鐵礦石相比成分及微觀結(jié)構(gòu)均有顯著區(qū)別， 而國內(nèi)對此方面的基礎(chǔ)研究基本處于空白，所以進(jìn)行廢鋼在高爐內(nèi)冶金行為特別是軟熔性能的研究，為高爐應(yīng)用提供技術(shù)支撐，具有重要意義。

1.1 試驗原料

本研究所采用的廢鋼為梅鋼自產(chǎn)熱軋板邊角料，將其加工成 10-12.5mm 粒度，同時為了研究廢鋼與燒結(jié)礦混合料的軟熔性能，還準(zhǔn)備了梅鋼自產(chǎn)燒結(jié)礦，也加工成 10-12.5mm 粒度。兩種原料的主要化學(xué)成分見表 1、表 2。

表1 廢鋼化學(xué)成分，%

表2   燒結(jié)礦化學(xué)成分，%

1.2  試驗設(shè)備及方法

實驗設(shè)備為 RDL-2000 性熔滴爐，實驗設(shè)備簡易圖如圖 1 所示。該實驗設(shè)備是由計算機(jī)測控系統(tǒng)控制， 測定鐵礦石高溫軟化滴落性能的試驗設(shè)備，壓差、收縮率、熔化溫度等一系列實驗數(shù)據(jù)可通過實驗裝置直接給出，設(shè)置在底部的攝像頭可看到滴落時的實時影像。實驗時使用 N₂ 作為加壓氣體，為了模擬高爐氣氛， 反應(yīng)氣體使用 CO、N₂。

圖 1 RDL-2000 熔滴爐

試驗使用內(nèi)徑 75mm、底部設(shè)有直徑 l0mm 滴落孔徑的石墨坩堝。試驗室取 500g 粒徑為 10-12.5mm 的廢鋼或鐵礦石裝入坩堝，常規(guī)試驗過程中，試樣上下鋪 20g 等粒徑的焦炭以保證試驗過程中煤氣流能夠正常通過及滴落物能夠正常滴落。具體試驗條件見表 3.

表 3  軟熔試驗條件

1.3  試驗研究方案

為了研究廢鋼自身軟熔性能及其對燒結(jié)礦混礦軟熔性能的影響，共進(jìn)行了 4 組試驗，其中廢鋼單種料試驗 2 組：一組為常規(guī)試驗（試樣上下均鋪 20g 焦炭層），一組為特殊試驗（試樣上下均沒有焦炭）；燒結(jié)礦單種礦試驗一組，廢鋼燒結(jié)礦混料試驗一組，均為常規(guī)實驗，具體試驗方案較表 4.

表4 軟熔試驗方案

2.1  試驗結(jié)果

熔滴試驗結(jié)果見表5。軟化區(qū)間( T40-T10) 、熔融區(qū)間(TD-TS) 及軟熔溫度區(qū)間( TD-T10 ) ，其中,T10, T40為試樣收縮率為10% 和40% 時的溫度; TS, TD為壓差陡升和熔融滴落溫度。

表5 廢鋼及燒結(jié)礦軟熔滴落溫度 ℃

2.2 試驗結(jié)果分析

廢鋼軟熔性能分析：由表5可知，廢鋼的滴落較低，均未超過1350℃，這比純鐵1538℃的熔化溫度低188℃以上，也遠(yuǎn)低于燒結(jié)礦1481℃的滴落溫度，這是由于廢鋼在與煤氣的接觸過程中發(fā)生：2CO+3Fe=Fe₃C+CO₂ 滲碳反應(yīng)，由鐵碳相圖可知，鐵被滲碳后能夠急劇降低其熔點。常規(guī)試驗廢鋼的滴落溫度為1291℃，特殊試驗廢鋼為1326℃，只是由于常規(guī)試驗中試樣上下均鋪有焦炭層，廢鋼熔化后，在滴落過程中與焦炭層有良好的接觸條件，滲碳反應(yīng)迅速進(jìn)行：3Fe（L）+C=Fe₃C（L），^[2]能夠進(jìn)一步降低鐵的熔點改善液鐵的流動性。取兩組試驗廢鋼滴落物進(jìn)行碳含量分析，見表6，可以看出兩組試驗滴落物含碳量較原始廢鋼均提高了，4.161%和2.051%，常規(guī)試驗比特殊試驗高2.31%。

表6 廢鋼試驗前后含碳量 %

廢鋼在軟熔過程中體積的變化也比較特殊，圖2為特殊試驗廢鋼收縮率變化情況。廢鋼在高爐內(nèi)1400℃以下，均表現(xiàn)為體積膨脹，最大膨脹率接近10%，1400℃以上才開始收縮，其T10、T40均低于滴落溫度，所以在體積收縮前已經(jīng)大量熔化滴落，沒有明顯的壓差陡升現(xiàn)象，所以在高爐使用廢鋼可以降低軟熔帶的煤氣阻損。

圖2 廢鋼收縮率變化

在燒結(jié)中配加5%的廢鋼后，與單種燒結(jié)礦相比，其軟化區(qū)間（T40-T10）、熔融區(qū)間（TD-TS）及軟熔區(qū)間(TD-T10)具有減小,其中熔融區(qū)間減小9℃，熔融區(qū)間減小13℃，這與前述廢鋼的基本軟熔特性相關(guān)，所以，在實際中高爐如果配加一定比例的廢鋼除了能夠增加入爐品位以外，還能夠改善軟熔帶的透氣性，為高爐進(jìn)一步改善技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提供有利條件。

2.3 試驗小結(jié)

(1) 廢鋼在高爐內(nèi)會發(fā)生明顯的滲碳反應(yīng)，其滴落溫度遠(yuǎn)低于純鐵及常規(guī)燒結(jié)礦。

(2) 廢鋼在軟熔過程中，固態(tài)下沒有體積收縮，其明顯的體積收縮均發(fā)生在滴落之后，在1400℃以前受熱脹冷縮的影響，體積會膨脹，沒有明顯的壓差陡升現(xiàn)象。

(3) 一定比例廢鋼與燒結(jié)礦混合，可以降低爐料的軟熔區(qū)間，有利于改善軟熔帶的透氣性。

2024年2月份開始，梅鋼1280m³高爐開始穩(wěn)定使用一定比例廢鋼進(jìn)行生產(chǎn)，所用廢鋼品種為破碎料，粒度為5-100mm，配加比例由50kg/t逐步提高到120kg/t。生產(chǎn)中，廢鋼隨礦石混合布入高爐，在布料檔位的控制上，選擇中間檔位，目的就是控制廢鋼分布在料面的中間位置，以避免其對邊緣和中心氣流的影響過大，同時考慮了減少廢鋼中有害元素可能對爐襯造成危害。高爐主要生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表7。

表7 梅鋼高爐主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

由表7可知，梅鋼高爐使用廢鋼后，與使用前基準(zhǔn)相比，高爐透氣性得到改善，風(fēng)量增加100m³/min以上，受品位提高及氣流改善的雙重作用，利用系數(shù)，隨廢鋼加入量的增加而增加，提高明顯，當(dāng)廢鋼加入量達(dá)到噸鐵120kg/t時，利用系數(shù)達(dá)到3.088t/m³.d，比基準(zhǔn)提高0.507t/m³.d,增產(chǎn)率達(dá)到19.64%，效率提升顯著。在燃料消耗方面，配加廢鋼也可以明顯降低高爐的燃料比，50-120kg/t配加量最高可以降低燃料比近30kg/t,節(jié)能減排效果顯著。

(1) 廢鋼在高爐內(nèi)會發(fā)生明顯的滲碳反應(yīng)，其滴落溫度遠(yuǎn)低于純鐵及常規(guī)燒結(jié)礦，能夠滿足高爐冶煉要求。

(2) 廢鋼在軟熔過程中，固態(tài)下沒有體積收縮，其明顯的體積收縮均發(fā)生在滴落之后，沒有明顯的壓差陡升現(xiàn)象。一定比例廢鋼與燒結(jié)礦混合，可以降低爐料的軟熔區(qū)間，有利于改善軟熔帶的透氣性。

(3) 梅鋼高爐生產(chǎn)實踐表明，高爐配加一定比例的廢鋼后，能夠顯著提高生產(chǎn)效率降低燃料消耗，120kg/t的使用量，增產(chǎn)率達(dá)到近30%，燃料比降低近30kg/t。