王曉光，朱云杰

（德龍鋼鐵有限公司，河北邢臺 054009）

摘 要：通過分析廢鋼在高爐內(nèi)發(fā)生的變化以及焦炭在高爐內(nèi)的反應(yīng)及去向，根據(jù)能量守恒定律，計(jì)算得出高爐在配加廢鋼時(shí)焦炭的理論消耗量，再與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合，得到計(jì)算模型，可以用來指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：高爐；廢鋼；燃料；定量分析

0 引言

隨著鋼鐵需求關(guān)系的改善，加之鋼鐵庫存的減少，鋼鐵行業(yè)逐漸轉(zhuǎn)暖。在高爐產(chǎn)能審批條件日益嚴(yán)峻的前提下，擴(kuò)大高爐的產(chǎn)能，降低高爐的生產(chǎn)成本成為各大鋼廠增加利潤的手段。許多高爐采用配加部分廢鋼替代鐵礦石入爐冶煉，不但提高了綜合入爐品位、節(jié)約了焦比，而且高爐比電爐更加節(jié)能，CO₂ 排放量僅為“鐵礦石-高爐-轉(zhuǎn)爐”流程 CO₂ 排放總量的 1/5^[1]。

通過對比周邊廠家，有些廠家的廢鋼比例達(dá)到了 150 kg/t，然而，在歐洲和北美國家的許多高爐使用爐料中廢鋼或金屬料的比例最高甚至超過了 200 kg/t^[10]。從廢鋼加入高爐到最后生成鐵水，主要包括本身碳含量的增加以及溫度升高這兩個(gè)變化，由能量守恒定律可知，含碳量及溫度的變化主要依靠燃料的消耗來完成。

1 研究過程及分析

從圖 1 中可以看出，廢鋼和鐵水主要區(qū)別在于含碳量。一般來說，廢鋼碳含量在 0.2%耀2.11%，而鐵水含碳量一般均在 4.3%以上，廢鋼含碳量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于生鐵，因此廢鋼被加入高爐后，需要一個(gè)強(qiáng)烈的增碳過程，這個(gè)過程中的碳消耗由焦炭補(bǔ)給。此外，各種廢鋼在高爐內(nèi)的變化屬于物理變化，在爐內(nèi)的行為僅為加熱熔化的過程，無需像其它含鐵料一樣需要消耗巨大還原熱以及較長的爐內(nèi)冶煉時(shí)間，因此高爐加入廢鋼后，其在高爐內(nèi)只需要被熔化消耗熱量^[4，9]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)一定比例的廢鋼加入高爐被熔化后，估算使用廢鋼的高爐工序能耗約為 104 kgce/t 鐵水^[5]。另外，鐵水在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，因含碳含硅， 又為煉鋼提供了冶煉過程中所需的部分能量^[7，8]，總體來說，其能耗基本上沒有增加，甚至?xí)?shí)現(xiàn)“負(fù)能”煉鋼。

1.1 熔化廢鋼量所需焦炭量

通過物質(zhì)物理特性可知，生鐵比熱容 0.46 KJ/ kg℃，我公司的高爐煤氣利用率大約為 44%，焦炭在高爐內(nèi)與氧氣的反應(yīng)存完全反應(yīng)和不完全反應(yīng)兩種反應(yīng)方式，即反應(yīng)方程式淤和于。因此，將常溫下的廢鋼加入高爐后，生成熔融鐵水的熱量可以通過如下公式計(jì)算得到：

2C+O₂=2CO+9797 kJ  （1）

C+O2=CO₂+33 034 kJ  （2）

根據(jù)物理熱平衡計(jì)算公式：

Q_吸=Q_放的原理：

Q_吸=C_生鐵m₁Δt

Q_放=qm₂ 

式中，Q_吸為熔化1 t生鐵所需的熱量，kJ；Q_放為熔化1 t生鐵所需焦炭放出的熱量，kJ；C_生鐵為生鐵的比熱容，kJ/kg·℃；q為焦炭的熱值，kJ/kg（一般焦炭熱值36 380kJ/kg）；m₁、m₂分別為生鐵和焦炭的質(zhì)量，kg； Δt為廢鋼熔化前后的溫度差，℃（鐵水溫度按1 500 ℃與室溫差值計(jì)算）。

通過計(jì)算可以得到：m₂=52 kg

在目前的中小型高爐操作中，焦炭的利用率為0.5~0.6^[2]，根據(jù)我公司爐型，取利用率 0.5^[6]，通過計(jì)算，我公司高爐加入 1 t 廢鋼實(shí)際需要熔化熱量的焦炭量大約為：

0.5 m=m₂ 

m=104 kg

1.2 廢鋼增碳所需焦炭量

根據(jù)物質(zhì)守恒公式：

C_增=（C_終-C_初）Xm₁   （3）

式中，C_增為熔化1 t廢鋼所需的增碳量，kg；C_終為廢鋼在高爐熔化后最終的含碳量，%；C_初為廢鋼在加入高爐之前的初始含碳量，%。

由于廢鋼中含碳量相對很低，一般在 0.2%~2.11%，這里含碳量取中間值 0.5%（根據(jù)廢鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整），而鐵水中的含碳量基本上都是飽和含碳量，含碳量在 4.3%。通過理論計(jì)算可以得到，高爐每加入 1t 廢鋼，根據(jù)含碳量差值，增碳所需的焦炭量大約為38kg。

2 研究結(jié)果

參照 1.2 和 1.2 節(jié)的計(jì)算結(jié)果可知，我公司高爐配加 1 t 廢鋼所需的焦炭消耗量大約為 142 kg， 將此數(shù)值作為 7 月、8 月高爐入爐料中配加廢鋼時(shí)焦炭消耗量的參考，再根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的各個(gè)參數(shù)變化合理調(diào)整廢鋼及燃料的加入量，對 7、8 兩個(gè)月高爐的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。高爐生產(chǎn)車間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表 1。

通過對比看出，8 月份比 7 月份廢鋼比下降46.6 kg/t，日廢鋼量下降 138.8 t，高爐綜合焦比上升10.1 kg/t，日燃料消耗增加 20 t。根據(jù)上述對比可知，廢鋼比降低導(dǎo)致燃料升高，而上升的燃料比可以通過產(chǎn)量的降低和燃料比值求得。因此，通過計(jì)算可以得到，在實(shí)際生產(chǎn)中，我公司高爐爐料中每多配加 1 t 廢鋼，需要多消耗的燃料量為 144.09 kg，與上述理論計(jì)算值相差不多，此計(jì)算方法可作為高爐配加廢鋼時(shí)焦炭用量的計(jì)算模型。

3 結(jié)論

我公司高爐加入 1 t 廢鋼實(shí)際需要熔化熱量的焦炭量為 104 kg，根據(jù)含碳量差值，加入 1 t 廢鋼需要增碳的焦炭量大約為 38 kg，總共需要 142 kg。通過對實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)得統(tǒng)計(jì)計(jì)算可知，我公司熔化噸鋼廢鋼消耗的燃料量為 144.09 kg，與理論計(jì)算值接近，因此理論計(jì)算可以作為實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

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