废钢温度对废钢熔化速度的研究

1  引言

随着国内废钢积蓄量的增加，未来3~5年，我国将迎来废钢应用的攀升期。我国废钢资源总量将非常充裕。工信部出台的《钢铁行业政策调整计划》：到2025年要把废钢应用比例提高到30%。对于钢厂而言，由于铁矿石、焦炭和废钢价格都在上涨，因此钢铁企业只能去寻求两者比例间的平衡点，提高生产率，降低生产成本，增加经济效益。

当前，国内外的专家开展了大量的转炉利用废钢的研究工作。但相关的理论研究较少。为提高钢铁生产过程的废钢比，我公司在陈林权教授（国务院政府特殊津贴冶金专家、《炼钢》杂志编委、全国冶金建设高级技术专家）的指导下，对废钢在铁水、钢水中的熔化进行了理论计算和分析，并进行实地验证。

2  废钢在铁水中的熔化过程

铁水温度通常在1250℃~1500℃，而废钢的熔点在1500℃以上。因废钢的熔点高于铁水的温度，那么废钢是如何在铁水中熔化的？

根据废钢熔化的热力学模型及试验，认为废钢在铁水中的熔化过程如下：熔化初期，废钢与铁水的温差大，铁水在废钢表面发生凝固，形成凝固层；随着时间的延长，而废钢温度升高，表面的凝固层开始熔化；铁水中碳向废钢表面传质，形成渗碳层；废钢温度继续升高，废钢表面碳含量增加，熔点降低；当废钢表面渗碳层的熔点低于熔池温度时，废钢熔化形成液态。然后废钢表面重复凝固→渗碳→熔化，直至废钢全部熔化。所以废钢在铁水中熔化的限制环节是废钢表面的碳的传质。

3  废钢初始温度对废钢熔化的影响

通过铁碳平衡图查得，1400℃时，两相区固相碳质量分数0.6%，两相区液体碳质量分数2.05%，熔池中碳质量分数4.3%。废钢在铁水中的熔化过程无搅拌，根据文献取液体中碳的传质系数7×10^-5m/s，界面迁移速率=0.109mm/s。取每块废钢的当量直径为50mm，则废钢完全熔化需要~8min左右，计算结果也得到了实践的验证。

根据公式分别计算温度为1300℃和1400℃，当量直径为50mm，70mm，90mm的废钢块的熔化时间，其结果如图1所示。

图1  1300℃和1400℃条件下不同废钢尺寸的熔化时间

由以上计算可知，渗碳对废钢熔化的影响远大于传热的影响，且废钢的熔点高于铁水初始温度，所以将废钢在铁水中的熔化过程分为两个阶段：1）废钢吸热升温；2）渗碳熔化。

第一阶段，铁包接铁后废钢吸热升温，而铁水放热降温，其临界状态为铁水和废钢达到热平衡状态，铁水和废钢温度相同。此时的温度作为第二阶段渗碳的开始温度。根据上述计算可知，渗碳开始温度越高，越有利于废钢的熔化。

以100t铁水和10t废钢，铁水初始温度1450℃，废钢当量直径为50mm，根据公式计算不同废钢初始温度下的平衡温度作图，如图2。

图2  不同初始温度对废钢熔化的影响

由图2可知，随着废钢初始温度的升高，废钢和铁水界面层的平衡温度升高，两相区的固相碳质量分数降低，碳传质的驱动力增加，所以有利于废钢的熔化。当废钢25℃时，平衡温度达到1340℃，熔化速度为0.07mm/s，废钢的熔化时间~13min；当废钢预热温度达到800℃时，平衡温度达到1400℃，熔化速度为0.11mm/s，废钢的熔化时间~8min，废钢熔化时间缩短~5min左右。

4  结论

（1）废钢预热有利于废钢在铁水中的熔化。当废钢25℃时，废钢的熔化时间为~13min；当废钢预热温度达到800℃时，废钢的熔化时间为~8min，废钢熔化时间缩短~5min左右。

（2）铁水温度越高，熔化时间越短。在1300℃和1400℃时，废钢的熔化速率分别时~0.05mm/s和~0.11mm/s。

（3）在转炉高废钢比（30%以上）的情况下，根据热量平衡，其热量补偿方式可以通过燃料燃烧进行热补偿（废钢预热）。在废钢预热过程中应该注意：废钢预热要均匀（温差小），同时要增加补碳。

当前废钢预热方式有余温预热、发热剂（燃料、燃油、燃气）、烤包器烘烤、废钢斗、回转窑、隧道窑、其他窑炉（竖炉等）、纯氧燃烧(铁水罐、转炉、钢包）、电加热；

何种方式预热废钢才能快速有效？时间短、温度高、上下均匀（10t、10mint、1000℃、上下温差＜30℃）。

由洛阳豫新的设计研发团队，经过无数次的设计、计算、实验，研发出第二代废钢预热新工艺：高（转）炉煤气+煤粉+氧气的纯氧燃烧废钢预热系统，从根本上解决了钢铁企业煤气不够用、热值低的难题。由于煤粉的热值与天然气相当，且采用纯氧燃烧，其火焰温度可高达2000℃以上，火焰刚性大，穿透能力极强，可对钢包底部废钢热对流传导，可使废钢快速升温：10吨废钢、10分钟、1000℃。且温度均匀（上下温差＜30℃）。

初设方案1（炼铁）：工艺路线：

废钢加入铁包→（高（转）炉煤气+煤粉+氧气）预热废钢→高炉接铁→进入炼钢。

将纯氧燃烧废钢预热装置布置在铁路沿线；配合除尘系统，不产生任何烟尘；废钢预热数量为：铁包容量的10%。

初设方案2（炼钢）：工艺路线：

废钢加入钢包→（转炉煤气+煤粉+氧气）预热废钢→转炉接钢→进入精炼

将纯氧燃烧废钢预热装置布置在出钢跨；配合除尘系统，不产生任何烟尘；废钢预热数量为：钢包容量的10%，

参数及能耗：

1、氧气耗量：27Nm3/吨废钢×0.4元/Nm3=10.8元

2、转炉煤气耗量：50Nm3/吨废钢×0.2元/Nm3+=约10元

或（高炉煤气：85Nm3/吨废钢）

3、煤粉能耗：10Kg/t废钢×0.6元/kg=10.8元

吨钢预热成本总计：30.8元（不含人工及设备折旧）

成功案例：

该成套设备2020年已在永锋120t钢包（转炉煤气）、闽源120t钢包（转炉煤气）、甘肃兰鑫100t（高炉煤气）、成实80t钢包（天然气）、都钢70钢包（天然气）、贵阳钢铁60t（天然气）、福建福华钢铁100t（天然气）、永洋120t钢包（转炉煤气）等企业至今运行平稳、效果显著！并且在2021年又成功中标包钢集团--钢管公司(钢包)：120t，2套、薄板厂(铁包)：210t，2套、炼钢厂（铁包）：100t，1套、150t，1套（转炉煤气）、营口钢铁集团（铁包）140t（转炉煤气）4套、华菱涟钢集团（铁包）210t（转炉煤气）2套等大型钢铁企业。

以上是洛阳豫新在陈林权教授的指导下进行实践过程中的总结，欢迎大家拍砖留言提出改进意见或者新的方式方法，为提高废钢比、提高企业经济效益、应对环保所带来的压力做出积极努力。