本发明属于炼钢技术领域，具体涉及一种利用废塑料和废橡胶制作电弧炉炼钢用泡沫渣的方法。
背景技术：
目前我国的塑料制品已近千万吨，并且还以每年13%的增长速度在增长，因此，废旧塑料数量也急剧增长。当前社会上到处堆集着大量的废弃塑料，形成所谓“白色污染”，而且废弃的有机聚合材料（废塑料）的有效处理方法是当今世界各国面临的最头痛和最重要课题。这种聚合材料通常是由不能更新的石油化工材料制成的。2006年，在澳大利亚得到回收的塑料制品只占总数的15.9%，此外，大约有150万吨的塑料制品被废弃掉。
处理废弃塑料通常有2种方法，一是焚烧掉；二是掩埋到地下。由于大量废塑料制品的低密度特性和焚烧时产生污染环境的芳香族碳氢化合物，对人体很有害，所以不利于环境保护。其它聚合材料，如废轮胎也对环境产生巨大挑战。因为储存大量废轮胎，容易发生火灾，轮胎在低温（<1000oC）时，即能点燃。在世界上，大约有12亿只轮胎被抛弃闲置着。我国轮胎年产量占世界第2位，我国每年产生的废旧轮胎超过4亿条，其中70%的废轮胎资源没有被回收利用。在澳大利亚，仅仅在2004年就有19.7万吨的废轮胎被抛弃到江河中。我国橡胶资源十分贫乏，橡胶原材料主要靠进口，加强对废旧的轮胎（橡胶）循环利用已经刻不容缓。
电弧炉的电效率在很大范围内变化，从35%到90%。这个变化数据在很大程度上取决于电弧是否很好地被炉渣所覆盖。如果电弧完全裸露在外，没有被泡沫渣覆盖，则大部分的电弧能量都辐射到炉墙上；如果电弧完全被泡沫渣覆盖，则电弧能量全部加到熔池和渣中。即电弧炉泡沫渣不仅能减少电极和耐火材料的消耗，还能提高热效率和缩短炼钢时间。为此，本发明专利着重研究在电弧炉中制造高效率泡沫渣的工艺问题。由于泡沫渣能有效地吸收和捕获电弧的热损失，所以高效率的泡沫渣具有节省能源和减少投资的效果。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用废塑料和废橡胶制作电弧炉炼钢用泡沫渣的方法，采用粉碎后的废塑料和破碎成颗粒状的废轮胎(橡胶)作为电弧炉造泡沫渣的发渣剂原料(碳元素)和提供辅助能源，以提高电弧炉炼钢效率，降低电弧炉炼钢成本。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种利用废塑料和废橡胶制作电弧炉炼钢用泡沫渣的方法，步骤如下：
（1）废塑料和废橡胶的粉碎；
（2）当炉渣的温度达到1600-1650℃及石灰石完全溶解时，开始向炉渣中喷入步骤（1）粉碎后的废塑料和废橡胶以及冶金级焦碳，此时炉渣层中存在着大量FeO，FeO被废塑料和废橡胶以及冶金级焦碳中的C还原，生成Fe和CO气体，CO气体被炉渣所捕获形成泡沫渣；
（3）当炉渣的温度达到1650℃、粘度为0.001--0.003Pa•S、碱度为2.5~3.5时，为了产生大量泡沫渣，则向渣中再次喷射大量粉碎好的废塑料和废橡胶以及冶金级焦碳，并通入氧气实行富氧操作，当炉渣中O2含量超过CO平衡曲线时，由于吹入大量废塑料和废橡胶以及冶金级焦碳和O2，则产生多余的CO气体，反应方程式：2C+O2=2CO，该CO气体被炉渣捕获后，形成大量泡沫渣。
所述步骤（1）中废塑料和废橡胶的粉碎方法如下：第一步采用轮胎抽丝，进行抽钢丝操作；第二步采用轮胎切割机，把轮胎切成碎块。
所述步骤（1）中废塑料和废橡胶的粉碎方法采用整胎粉碎机进行整体轮胎粉碎。
所述步骤（1）中废塑料是密度为0.941g/cm3的废弃聚乙烯塑料。
所述步骤（2）中废塑料的用量为379kg/炉，废橡胶的用量为406kg/炉，冶金级焦碳的用量为462kg/炉。
所述步骤（3）中废塑料、废橡胶和冶金级焦碳的质量比为100:107:122。
所述步骤（3）中氧气的通入速率为85m3/min。
本发明的有益效果：该发明对社会的最大贡献是废物利用，解决了废塑料和废轮胎（橡胶）对环境的污染问题，同时又提高了电弧炉炼钢效率，降低了电弧炉炼钢成本。利用废塑料和废轮胎（橡胶）能够用来作为造电弧炉泡沫渣的发渣剂和碳元素原料，以及作为辅助能源。根据泡沫渣试验记录，当冶金级焦碳同高密度聚乙烯塑料或废轮胎（橡胶）颗粒混合喷入时，泡沫渣的容积比指标比单独喷入冶金级焦碳时好得多。根据上述泡沫渣性能的改进事实，不仅证明了废弃塑料和废弃轮胎（橡胶）可以作为电弧炉炼钢的原材料，具有以下优点：利用废弃塑料和废弃轮胎（橡胶）同冶金级焦碳三者混合后，产生泡沫渣的能量增加了；采用高密度聚乙烯废弃塑料造泡沫渣显著地改进了泡沫渣的性能，提高了电弧炉熔化率和电弧炉效率、减少了焦碳的消耗量和氧化铁数量（利用废弃塑料和废弃轮胎（橡胶）混合物比单独用焦碳的指标好，每炉添加焦碳可减少50-100 kg /炉、渣中FeO的含量明显减少），提高了电弧炉炼钢效率、降低了电弧炉炼钢成本，又减少了废弃塑料和废弃橡胶对环境的污染，适合我国国内的电弧炉炼钢工艺中推广应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
本实施例的利用废塑料和废橡胶制作电弧炉炼钢用泡沫渣的方法，步骤如下：
（1）废塑料和废橡胶的粉碎：
第一步采用轮胎抽丝，进行抽钢丝操作，轮胎抽丝机：型号为 XY--P800 或XY--P1200 型。其功能是将钢丝中的钢丝整条抽出，则轮胎侧部由于拉口的作用，造成橡胶撕裂，于是钢丝和轮胎橡胶被顺利地分离开了，剩下的轮胎橡胶再用XY--C800型轮胎切割机切成5 × 5mm 小碎料块，就可以吹入炉内了；
第二步采用轮胎切割机，把轮胎切成碎块，轮胎切割机的型号为：XY--C800 或XY -- C1200；其功能是将各种轮胎橡胶块、条任意割断。适用于各种不同型号的橡胶轮胎、钢丝轮胎、橡胶条等等的橡胶制品的切断、切碎， 破碎成 5×5 mm见方的小碎料块，即可以吹入炉内了。
另外，也可以采用整胎粉碎机进行整体轮胎粉碎。整胎粉碎机型号为：XY--SH800或XY--SH1200型。其功能是在常温下对整块轮胎或大块橡胶块，整个送入机腔内，进行粗破碎成19--80mm的块状。然后再进行细破碎成需要的尺寸。破碎成5 ×5 mm见方的小碎块，即可以吹入炉内了。
（2）渣的泡沫化取决于渣的粘度，而渣的粘度又取决于渣的温度和碱度。当炉渣的温度和粘度都合适时，即渣的温度达到1600-1650℃及高碱度（石灰石完全溶解）时，便开始向炉渣中喷入破碎好的废轮胎橡胶和废塑料（C), 以及一部分冶金级焦碳，废塑料的用量为379kg/炉，废橡胶的用量为406kg/炉，冶金级焦碳的用量为462kg/炉；这时炉渣层中存在有大量氧化铁FeO，则FeO被C还原，产生钢（铁）Fe和CO气体，该CO气体被渣所捕获，则后者便成了泡沫渣；该阶段的化学反应式为 FeO+C=Fe+CO (泡沫状）；
（3）当炉渣的温度达到1650℃、粘度为0.001~0.003Pa•S、碱度为2.5~3.5时，为了产生大量泡沫渣，则向渣中再喷射大量破碎好的废轮胎橡胶和废朔料，以及一部分冶金级焦碳和氧气，实行富氧操作，废塑料、废橡胶和冶金级焦碳的质量比为100:107:122，氧气的通入速率为85m3/min；
富氧操作使炉渣泡沫化的基本原理是：当炉渣中O2含量超过CO平衡曲线（平衡的CO反应方程式）时，由于吹入大量破碎好的废轮胎橡胶和朔料以及一部分冶金级焦碳和，则产生多余的CO气体，即： 2C+O2=2CO。该CO气体被炉渣捕获后，后者便成了泡沫渣。由于采用富氧操作，这时已经产生了大量泡沫渣，能完全把电弧覆盖，它能使电弧稳定燃烧。良好的泡沫渣能稳定电极下端部电弧的热力效应和机械稳定性。
（一）利用废弃塑料和废弃轮胎（橡胶）同冶金级焦碳三者混合后，发生泡沫渣（泡沫化）的能量增加了。对冶金级焦碳、废塑料、废橡胶中所含各元素及发热量，经实验室试验和化学分析，其结果示于表1。
表1 冶金级焦碳、废塑料、废橡胶所含元素的试验分析结果
由表1可看出：废塑料和废轮胎（橡胶）的含碳量和发热量远远高于仅仅采用冶金级焦碳的该值；而且其灰份又远远低于冶金级焦碳的该值，所以它是宝贵的泡沫渣造渣剂。因为泡沫渣在电弧炉炼钢中非常重要，如果电弧完全被泡沫渣覆盖，则电弧能量全部加到熔池和渣中，泡沫渣能有效地吸收和捕获电弧的热损失，所以对于电弧炉炼钢工艺而言，高效率的泡沫渣具有节省能源和减少投资的效果。
（二）在电弧炉炼钢工艺中，利用废弃塑料和废弃轮胎（橡胶）同冶金级焦碳三者混合后，制造的泡沫渣比单纯采用冶金级焦碳好多了，它产生的泡沫渣的能量增加了，并且也显著地改进了泡沫渣的性能，其各项指标都比单独采用冶金级焦碳的指标好。表2示出了通过实验得出的采用不同造渣材料的各项指标对比数据。
表2 采用不同造渣材料的各项指标对比数据
由表2可看出：利用废塑料和废轮胎（橡胶）混合物比单独使用焦碳的指标好，比如，拿电耗指标来说：当单独用焦碳时为424kWh/t, 而采用废轮胎（橡胶）时为：412 kWh/t, 而喷入废高密度塑料时，则为406 kWh/t。而且每炉添加焦碳可减少50-100kg / 炉。渣中FeO的含量也明显减少了。西安太行冶金技术工程有限公司研究成功的采用废塑料和废橡胶作为造电弧炉泡沫渣的碳材料，使废物得到了利用，降低了电弧炉炼钢成本，又解决了环境污染问题。
（三）在实际电弧炉上，利用废塑料和废橡胶混合物代替一部分冶金级焦碳的试验已经在某钢厂进行了。根据在该钢厂采用喷入废轮胎（橡胶）和焦碳混合物的试验效果数据示于表3。
表3 在某钢厂喷入废橡胶和焦碳混合物的试验效果
表3数据是根据在某钢厂的试验记录中得出的。各项指标均优于只噴入焦碳时的指标。
根据泡沫渣试验记录，当冶金级焦碳同高密度聚乙烯塑料或废橡胶颗粒混合物喷入时，泡沫渣的容积比指标比单独喷入冶金级焦碳好得多。根据上述各个指标的改进事实说明了：利用废塑料和焦碳的混合物作为碳元素原料来制造泡沫渣，利用废轮胎（橡胶）颗粒作为泡沫渣发渣剂和碳（C)原料，不仅证明了废塑料和废轮胎（橡胶）可以作为电弧炉炼钢的原材料，还提高了电弧炉熔化率和电弧炉效率、减少了焦碳的消耗量和氧化铁（FeO）数量，而且该技术的最大优点是解决了环境污染问题。综上所述，该专利产品的用途是用于冶金企业电炉炼钢厂，作为电弧炉炼钢工艺中造泡沫渣的原材料。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。