摘要：本文以新钢降低碳排放量，为后续转型发展服务，炼钢厂钢二区通过采用铁罐加废钢等方式，降低转炉冶炼的铁钢比，同时优化过程冶炼设备及工艺，实现了炼钢产能增加865.6t/日，吨钢能源介质消耗降低，铁罐废热吸收1.43×1011KJ，全年二氧化碳排放降低4.7万吨。为实现新钢碳达峰、碳中和目标作出了贡献。

　　关键词：铁钢比；废钢；产能；能耗；二氧化碳排放量

　　目前，钢铁行业的碳排放量占全球制造业碳排放总量已达18%左右，是各类制造业中碳排放量最大的行业，如何降低碳排放量成为碳达峰碳中和目标是否能够如期达成的因素中极为重要的一环，有研究表明，转炉每用1t废钢代替1t铁水，最少可以节约559kg标准煤。因此，降低铁钢比是降低碳排放量最快速且经济有效的方式之一。

　　同时，为了充分利用钢二区目前的热量富余优势，通过降低铁钢比实现产量、相关技术经济指标提升、工序能耗及碳排放降低，钢二区于2020年9月开始，正式围绕“低铁钢比生产技术实践与应用研究”项目，在钢包加盖等生产技术实践与应用研究的基础上，开展了废钢斗改造、铁罐加废钢、缩短转炉冶炼周期、出钢套管改造、连铸提拉速、脱硫操作优化、低热量转炉冶炼优化等一系列低铁钢比生产技术实践与应用研究的工作。

　　1钢二区生存现状

　　1.1主要工艺设备简介

　　新钢炼钢厂二区目前年产钢约480万吨，主体设备于2008年新钢公司三期技改时期建设，并在后续不断优化改进，目前配置的主要设备有：KR脱硫工位2座、210t顶底复吹转炉2座、CAS吹氩喂丝站2座、双工位LF精炼炉2座、双工位RH炉1座、双工位VD炉1座、二机二流板坯连铸机2台，2400mm单流宽厚板坯连铸机1座。采取国内先进的“一罐制”生产模式，引进了转炉副枪自动炼钢控制、转炉下渣检测及滑板挡渣、KR深脱硫、RH真空深脱碳脱气、钢包加盖、连铸轻压下、电磁搅拌、自动控制液面和大包下渣检测、等先进技术，从设备能力上具备开发、生产各类钢种的能力。

　　新钢炼钢厂钢二区采取“一罐制”铁水入炉的模式，降铁钢比的流程：①废钢加入铁罐(在线红罐)→高炉出铁至铁罐→铁水脱硫处理→铁水进转炉→(LF精炼处理)→(RH/VD真空处理)→CC。②废钢斗装入量提升，同时减少铁水装入量。

　　1.2转炉铁钢比调整前的情况

　　炼钢厂二区2019年钢产量为473.6万吨，铁钢比为945。高炉出铁温度平均为1508.3℃、铁水到KR脱硫站平台温度平均为1422.9℃。

　　铁水入炉平均温度为1375℃，常见装入量为铁水210t、废钢。

　　废钢35t。过程冷料吨钢消耗达到52.5kg，即平均每炉钢需加入约11.8t冷料，且上述冷料的冷却系数均在3.0左右，由此可见降低铁钢比具有巨大空间。

　　2相关生产设备改造

　　炼钢厂二区2018年以前常规装入制度为220t铁水加25t废钢，通过对标学习，为配合实现低铁钢比操作模式，单炉铁水量不断降低、废钢量不断增加。其中废钢斗废钢装入量的需求已经不能满足生产需求，因此需要对废钢斗进行改造以满足废钢装入量的需求。2020年~2021年，炼钢厂对钢二区相关的设备设施进行了改造。

　　2.1废钢斗改造

　　为了降低铁钢比和提高产能，2020年九月新钢炼钢厂对废钢斗进行了改造，废钢斗装入量由之前的40.86t增至52.84t，装入量提升29.32%。

　　通过废钢斗改造，增加了废钢斗的容积，经试验前后对比整斗优质废钢装入量由40.86t增加至52.84t，废钢装入量提升29.3%。另一方面底部改造成弧形使废钢斗嘴部与转炉炉口更加吻合，增加了废钢入炉的通径便于废钢入炉。改造后废钢入炉卡斗率和入炉时间有降低，废钢入炉卡斗率由之前的25%降至2%，废钢入炉时间由2.14min/炉降低至1.56min/炉，缩短0.58min/炉。

　　2.2铁罐、铁水平车改造

　　由于铁水装入量的降低，铁水在铁罐内的液面下降，当装入量低于一定值时KR脱硫工位的搅拌头将无法降至铁水液面以下的有效工作深度，甚至无法接触到铁水液面，造成脱硫作业无法进行。为消除由此造成的影响，增强安全性及可操作性，确定改造方式如下：

　　(1)铁罐改造：包底砖厚度增加100mm、包壁维持原状不变。将增加重量布置在铁罐底部，且增高高度主要布置在铁罐而非铁水平车铁罐支撑架，有利于增加铁罐倾翻过程中的铁罐稳定性，减轻重心上升的影响。同时，考虑后续铁罐加废钢，废钢从包口加入铁罐中对包底有较大的机械冲击，加厚铁罐包底有利于对包底的维护，避免铁罐使用过程中包底异常下线。

　　(2)铁水平车改造：将铁水平车铁罐支撑架凹槽处加高50mm，采用满焊方式将耐磨合金钢条焊接至支撑架凹槽底部。

　　(3)配套改造：由于铁水包位置的升高，铁水包在倾翻过程中铁水包包嘴容易触碰到隔热层，尤其当包嘴有结渣的情况下，造成对隔热层的损坏。因此，在大修期间将脱硫工位隔热层拆除，重新安装时隔热层位置提升150mm。改造后包嘴不再触碰、损坏隔热层。

　　2.3行车改造

　　在实际废钢加装过程中，由于椭圆形吸盘与钢包口不吻合，在加废钢过程中，容易使得废钢落在铁罐外，后将吸盘改为圆形状，废钢更易加入铁罐中。

　　3防铁水温降过快的技术

　　3.1生产组织模式优化

　　工业试验初期，铁罐加废钢试验时铁罐废钢铁罐由脱硫平台经过炉前通过过跨车转运至渣跨区域，进行废钢加装。铁罐周转距离长，时间长，管理资源占用比例大。无法正常组织生产，同时造成铁罐(“红罐”状态)的热量大量流失。

　　3.2生产物质保供安排

　　(1)在废钢场地的选择上，根据现场实际情况，为了便于操作和确保中晚班库存量，选定出铁区域铁罐重罐区备用平车存放地和马路通道区域为废钢存放区域，同时马路通道区域早班期间可供平板汽车进入，行车直接从车上直接将废钢吸入废钢斗，避免了废钢散堆地面增加废钢装入的时间。

　　(2)铁罐废钢选用规格≤1200mm×700mm×700mm钢筋压块，保证废钢快速装入，同时确保废钢内包含密闭容器、油污件等影响生产的杂物。

　　3.3高炉、炼钢厂调度信息关联

　　铁罐加废钢需要炼钢区域脱硫站、炼钢调度室、高炉调度室三方准确沟通协调配合，确定铁罐信息、废钢加装量、出铁量，根据现场生产和技术实际情况及时调整废钢加装量，高炉出铁情况及时安排铁罐配罐出铁。为确保三方的信息准确、操作正常，炼钢厂制定了详尽的各岗位操作标准，并将高炉出铁信息系统引入炼钢厂相关作业岗位，废钢加入量等信息由系统自动采集。

　　3.4提高铁罐周转率

　　相关研究表明，铁罐内加入废钢，废钢能主要通过热辐射和部分热传导吸收铁水包内的余热。通过试验和生产期间的数据跟踪也表明，铁罐加入废钢后的温降比理论计算废钢冷却效应的温降要小。通过跟踪发现，铁水入炉后及时加装废钢而后及时配罐加装铁水的周期越短，铁水的温降越小即铁水包的余热吸收得越充分。

　　快铁罐的运转提高铁罐周转效率，使铁罐内剩余的热量尽量被废钢吸收，成为铁罐热量利用并降低出铁过程温降的关键。钢二区对铁罐的周转要求如下：

　　(1)要求铁水出铁时间≤38.8min，KR脱硫周期≤36min，转炉吹炼周期≤36min。

　　(2)当出铁口某一包铁水出铁时间达到20min时，该出铁口的另一道则要准备另一个铁罐出铁水，超过时间铁罐未上平车则启用备用铁罐。

　　(3)调度选用铁水时，在铁水成分无异常情况下按“先进先用”的原则，如未按要求使用，需记录好原因。

　　(4)要求炼铁、炼钢单位互通信息，控制铁罐热周转数量6个~8个。

　　经过上述方式的优化，铁罐加废钢开始至高炉铁水到达脱硫平台的时间由试验期间的4h，缩短至1.5h~3h，铁水包的周转时间不受铁罐加废钢作业的影响。在同等废钢加入量的情况下铁水总温降由127℃降低至107℃，减少了20℃的温降。

　　4低铁钢比的工业生产情况

　　4.1铁罐加废钢的加入量、铁水温降及铁钢比情况

　　生产实践过程在，铁罐废钢装入量单月平均7.45t/炉，铁水量平均195.23t/炉，实际平均到站温度1388℃，较理论到站温度高37.39℃；铁罐废钢装入量单月平均10.12t/炉，铁水量平均203.05t/炉，实际平均到站温度1377℃，较理论到站温度高45.39℃。铁罐废钢装入量单月平均16.08t/炉，铁水量平均186.70t/炉，实际平均到站温度1351℃，较理论到站温度高62.18℃。工业试验表明：

　　(1)当铁罐废钢加入量少时，铁罐内仍有较大的空隙，热量有一大部分未被铁罐废钢吸收而辐射至周围的空气中，废钢所吸收的热量低；随着铁罐废钢量的增加，废钢所吸收的增加，但在废钢量14t左右时达到峰值。分析原因一是铁罐内的热量值有上限。

　　(2)随着废钢量的增加，加废钢所需的时间增加，铁罐周转效率降低，增加了过程的热量损失。

　　(3)铁罐空间有限，根据现场实际情况废钢加入量通常在15t左右时，废钢即加至铁罐包口，之后在上方的废钢难以吸收热量。

　　因此，从铁罐废钢吸收铁罐余热的情况看，铁罐废钢加入量14t~16t时较为合适，此时的铁钢比约为840kg/t~860kg/t。4.2低铁钢比脱硫情况研究

　　(1)脱硫效率基本与铁钢比成正比，表明铁水温度越高脱硫效率越高，这点与脱硫吸热反应的特性相吻合。当铁钢比在840kg/t~860kg/t时，脱硫效率可控至在80%以上，能够满足实际生产需要。

　　(2)吨铁脱硫剂的消耗波动较小，部分温度较高的铁水使用石灰石脱硫降低了脱硫剂消耗。

　　综上可以看出，铁钢比在840~890范围内的变化，对我厂脱硫工序的影响相对可控，在此范围内铁钢比的确定可不考虑对该工序的影响。

　　4.3低铁钢比条件下，转炉冶炼情况

　　2020年9月~2021年8月，低铁钢比情况下炼钢厂转炉主要技术经济指标完成情况：铁钢比840.8kg/t~886.99kg/t；钢铁料消耗1071kg/t~1062kg/t；一倒出钢率90.75%~95.29%；不等样出钢率61.28%~83.24%；C-T命中率78.11%~84.55%;转炉冶炼周期由40.3min降至35.17min。分析如下：

　　(1)转炉主要技术经济指标在铁钢比840kg/~875kg/t区间范围内指标相对稳定向好。

　　(2)在保证转炉一倒出钢率≥90%，碳温命中率≥80%等指标的前提下，降低铁钢比，可减少钢铁料消耗和缩短转炉冶炼周期。

　　(3)工业推广过程中，钢铁料消耗下降2.56kg/t,基本达到了降低消耗的目的。

　　(4)终渣碱度提高，转炉操作基本枪位(1.70m~1.75m)操作，脱磷率与之前比未出现明显下降，对于我厂模型炼钢实现恒枪位操作有一定作用。

　　4.4低铁钢比条件下，对铁罐耐材寿命的影响

　　废钢从铁罐包口加入，具有较大的冲击势能，会对铁罐包底形成巨大的机械冲击，造成包底砖破裂、脱落。若废钢加入过程中吸铁盘晃动较大或部分位置在包口范围之外，废钢下落的过程中亦会对铁罐包壁造成冲击，造成包壁砖破裂、脱落。通过生产实践发现，在铁罐加废钢试验及推广初期，包底砖脱落频率上升约40%、包壁砖脱落频率上升约20%。

　　为减少铁罐加废钢对包壁的冲击，要求废钢加入时应紧贴包口而不过高，降低对包壁及包底的冲击力，同时要求操作是吸铁盘应尽量避免晃动。但铁罐加废钢工作开展2年后，发现包底砖脱落频率大幅下降。通过观察发现，铁罐长期加入废钢周转后会在包底形成约30mm~50mm后的冻铁，并长期存在。由于以上措施的实施及相关变化，铁罐实际工作寿命增加，通过试验及推广，目前我厂各厂家铁罐寿命基本提高30~50包次。分析认为：

　　(1)冻铁将包底覆盖，使得废钢加入过程中对包底的冲击基本能够被缓冲。

　　(2)在高炉出铁过程中，因废钢及包底冻铁的缓冲作用，包底砖基本不受物理冲击及化学侵蚀。上述原因使得包底砖的工作寿命大幅增加，铁罐加废钢稳定实施后，包底砖脱落概率为0。

　　同时由于铁罐加废钢，铁水温度大幅下降50℃左右，对铁罐的侵蚀减弱。同时由于转炉缩短周期、连铸提拉速等其他攻关措施的开展，铁罐周转周期相应加快，铁罐盛铁水时间缩短，包壁砖的脱落频率也较铁罐加废钢实施前降低40%左右。

　　4.5低铁钢比对转炉冶炼周期的影响

　　(1)钢二区采用48000m3/min的大流量吹炼，较2020年增加3000m3/min。大流量吹炼搅拌能力加强、炉内反应更加充分迅速、利于脱碳反应的进行。

　　大流量吹炼适合铁水成分好，非品种钢，一般冷轧硅钢与普碳单飞钢种都采用大流量吹炼，缩短冶炼周期。大流量吹炼可以降低冶炼时间，但过程化渣控制、喷溅控制及对转炉熔池冲刷等控制的难度加大。枪位过低前期温度控制不到位容易出现金属喷溅，会造成环保问题与钢水量的流失。

　　(2)工业试验表明大流量吹炼试验供氧时间平均在812s，较45000m3/h吹炼供氧时间平均降低了40s；平均氧耗10479m3/炉，较45000m3/h吹炼平均氧耗降低了64m3/炉；终渣全铁为14.46%，与45000m3/h吹炼基本一致；喷溅率为3.27%，较45000m3/h吹炼降低1.66%；补吹率为3.27%，较45000m3/h吹炼降低5.87%；效果明显。

　　4.6低铁钢比对精炼比例的影响

　　2020年，LF炉精炼比例累计34.3%，单月最高36.4%，单月最低29.6%。2021年，LF炉精炼比例累计36.4%，单月最高38.2%，单月最低29.3%。

　　钢二区转炉实行低铁钢比冶炼后，2021年1月~9月精炼比例合计36.4%，较2020年1月~9月增加2.1%。结合实际生产表明，低铁钢比操作对精炼工序综合能耗和电极消耗影响较小。

　　5经济效益

　　5.1炼钢产能情况

　　(1)2021年，炼钢厂钢二区铁钢比为858.5kg/t，较2020年降低57.1kg/t。钢二区每日粗钢产量约13023t/日，较2020年超产约865.6t/日，累计超产约289157t。

　　(2)2021年4月、5月高炉大修单炉生产，若剔除这两个月的影响，钢二区年化产量可达528.46万吨。

　　(3)2021年内转炉、连铸生产炉数屡破纪录，目前转炉生产最高纪录早班为26炉、中班为27炉、晚班为30炉，转炉、连铸日产最高记录为80炉。单炉平均产量可达232t。

　　5.2转炉生产指标完成情况

　　(1)2021年，钢二区入炉钢铁料消耗较2020年降低2.56kg/t。

　　(2)脱硫工序技术经济指标在热、动力学条件受负面影响的情况下表现稳定可控。

　　(3)转炉主要指标均有提升,其中一倒出钢率上升0.82%、不等样出钢率大幅提升15.29%、终点碳温双命中率提升0.63%、转炉冶炼周期大幅降低3.19min/炉。

　　5.3能源介质消耗情况

　　2020年，吨钢氧气消耗48.39m3/t；吨钢氮气消耗31.62m3/t；吨钢电耗52.61kWh/t；吨钢耗新水1.02t/t。2021年，吨钢氧气消耗46.64m3/t；吨钢氮气消耗28.64m3/t；吨钢电耗50.89kWh/t；吨钢耗新水0.99t/t。

　　通过对比可知，低铁钢比操作模式下，2021年吨钢氧气消耗较去年降低1.75m3；吨钢氮气消耗降低2.98m3；吨钢电耗降低1.72kWh；吨钢耗新水降低0.03t。

　　5.4废热利用、碳排放情况

　　(1)2021年，平均每包铁罐废钢吸收余热为6610328KJ，钢二区全年废热利用约1.43×1011KJ，约合4890t标煤热量。

　　(2)2021年，钢二区铁钢比较去年降低76.68kg/t，按铁水碳氧化含量4.5%、终产物均为二氧化碳计算，吨钢二氧化碳排放降低9.42kg/t，钢二区全年二氧化碳排放降低4.7万吨。为实现新钢碳达峰、碳中和目标作出了贡献。

　　6结论

　　(1)通过研究不同铁钢比对铁罐废钢吸热、KR脱硫、转炉冶炼操作等技术经济指标的影响，确定最佳的铁钢比范围为840kg/t~860kg/t。该范围的铁钢比能够使炼钢转炉产能提升，吨钢能耗下降。

　　(2)低铁钢比条件下，铁罐平均寿命提升30次~50次，转炉平均冶炼周期缩短3.81min/炉，炼钢转炉产能增加865.6t/日，吨钢电耗降低1.72kWh，同时，促使连铸提高拉速以满足生产需要，钢水过程温降减少3℃。

　　(3)低铁钢比操作模式下，2021年二氧化碳排放量降低约4.7万吨。