本发明涉及一种钢铁冶炼方法，尤其是一种高废钢消耗的转炉冶炼方法， 属钢铁冶炼技术领域。
背景技术：
废钢在转炉冶炼过程的主要作用是冷却剂，因废钢杂质少，用废钢做冷却 剂时，渣量少、喷溅小、冷却效果稳定，便于控制转炉熔池内温度，除此之外， 转炉使用废钢还可以减少入炉料消耗量、降低生产成本。废钢相对于铁水的成 本优势非常明显。所以说，无论短期经济利益，还是从长期经济效益和社会效 益看，提高废钢比、降低铁水消耗都是钢铁行业发展的必然趋势，同时也是钢 铁企业发展的重要选择。降低转炉铁水消耗、提高废钢比，热量损失较大，转 炉需要加入载热材料来补充热量的损失，针对此问题，目前许多钢厂加入硅质 合金或煤粉来补充热量损失，但硅质合金价格高造成生产成本升高，煤粉喷吹 设备庞大且费用高，难以实现。此外，载热材料的添加量尚缺乏准确依据，添 加量少不足以补充热量，添加量多增加生产成本。
技术实现要素：
本发明提供一种高废钢消耗的转炉冶炼方法，所述方法根据铁水成分确定 废钢比，根据热平衡计算准确确定载热材料添加量，配合工艺手段的改进，实 现转炉废钢比达到25％以上。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：
一种高废钢消耗的转炉冶炼方法，按照下述步骤进行：
a、载热材料准备：根据铁水成分和废钢比确定载热材料添加量；
b、废钢备料：按照废钢比25-35.5％准备废钢，废钢由废钢料和铁矿石组 成，铁矿石为废钢总量的30-35％；
c、转炉冶炼：转炉炉内加入废钢、载热材料、铁水和造渣料开始冶炼；
转炉加料过程如下：先加入废钢中的全部废钢料和铁矿石总量的80％，然 后从高位料仓加入载热材料总量的50％，随后加入铁水，铁水添加完成后再加 入余量的载热材料，之后加入造渣料，剩余20％铁矿石在冶炼中后期供氧时间 的1/2-2/3的时间段加入；
d、炉后操作：出钢温度控制在1570-1620℃范围，使用含铝合金进行脱氧 合金化；
e、精炼炉操作：钢水进站温度≥1540℃，经LF精炼炉升温、成分微调、 去除夹杂物，加热时间控制在8-12分钟，升温速度为4-5℃/min，出站温度控 制在1580-1600℃范围内。
上述高废钢消耗的转炉冶炼方法，铁水中Si元素含量为0.40-0.70％，S元 素含量为0.020-0.035％，P元素含量为0.100-0.125％，铁水入炉温度为 1300-1350℃；以铁水中Si含量0.4％时废钢比25％为基数，随Si含量的增加提 高废钢比，Si含量每提高0.1％，废钢比增加3-3.5％。
上述高废钢消耗的转炉冶炼方法，根据热平衡计算，得出添加废钢的热损 失，并根据载热材料放热确定其添加量；
所述热平衡公式如下：
Q化＝147.70*C％+269.70*Si％+70.00*Mn％+217.30*P％
式中Q化为化学热，单位为MJ/t；
Q铁水物＝61.9+0.88T
式中Q铁水物为铁水的物理热，单位为MJ/t，T表示摄氏温度；
Q废钢物＝0.74T
式中Q废钢物为废钢的物理热，单位为MJ/t，T表示摄氏温度。
上述高废钢消耗的转炉冶炼方法，步骤b中所述废钢料包括轻薄料、压块、 重型废钢、水洗豆，要求每次加入的废钢料种类一致，废钢料斗容量根据加入 废钢料最大值设计，保证废钢料一次加入，缩短冶炼周期。
上述高废钢消耗的转炉冶炼方法，所述述精炼炉操作步钢水进站温度≥ 1540℃，加热时间控制在8-12分钟，软吹时间控制在8-12分钟，整个精炼时 间控制在25-35分钟，出站温度控制在1580-1600℃范围。
上述高废钢消耗的转炉冶炼方法，所述载热材料为焦炭。
上述高废钢消耗的转炉冶炼方法，转炉冶炼步骤中转炉加入废钢、焦炭、 铁水后，降枪吹炼，吹炼过程采取低、高、低枪位控制。
本发明根据铁水成分确定废钢比，再通过热平衡计算，得出低铁水消耗、 高废钢比损失热量所需要的焦炭使用量，从而准确确定焦炭的添加量，实现焦 炭使用兼顾到补充热损失和成本消耗；本发明对焦炭的加入方式进行了改进， 在促进焦炭充分、快速释放热量的同时，可降低焦炭中N含量进入钢水；本发 明采用分批次加入铁矿石的方法，有利于炼钢前期钢水快速升温、脱氮，后期 促进C-O继续反应，带走钢中N，进一步提高渣中TFe含量。与现有技术相比， 本发明转炉使用大比例废钢，可消耗工业废钢，降低炼钢生产成本，缓和废钢 市场积压，在取得较高经济效益的同时也为社会做出贡献。
具体实施方式
以下对本发明方法予以详述：
1、提高转炉炼钢的废钢比。根据铁水成分确定废钢比，原则是铁水中Si 含量高时相应多加入废钢，反之亦然。铁水中Si元素含量按照0.40-0.70％控 制，以铁水中Si含量0.4％时废钢比25％为基数，Si含量每提高0.1％，废钢比 增加3-3.5％，至Si含量0.70％，废钢比增加到34-35.5％。废钢由废钢料和铁 矿石组成，铁矿石占废钢总量的30-35％。废钢料分轻薄料、压块、重型废钢、 水洗豆等，要求每次加入的废钢料种类一样，不允许多种类型废钢混装，以确 定每炉中所添加废钢料的化学成分平均含量。生产热轧低碳系列钢时使用压块、 轻薄料或水洗豆，不使用重型废钢，因为重型废钢中微量元素Cu、Ni、Cr等元 素含量＞0.1％，会提高热轧低碳系列钢的物理性能，产品冷轧会出现轧制力大 或是深冲性能差的情况。生产普碳钢、低合金高强度钢时可以使用各种类型的 废钢料。
2、转炉加料方法。转炉炉内加入废钢、载热材料、铁水和造渣料开始冶炼。 加料过程如下：先加入废钢中的全部废钢料和铁矿石总量的80％，然后从高位 料仓加入载热材料总量的50％，随后加入铁水，铁水添加完成后再加入余量的 载热材料，之后加入造渣料，剩余20％铁矿石在冶炼中后期供氧时间的1/2-2/3 的时间段加入。废钢料斗容量根据加入废钢料最大值设计，保证废钢料一次加 入，缩短冶炼周期。加完废钢料后摇炉使转炉前后摆动一下，这样废钢可以在 炉内充分预热，去除废钢中的水蒸气，避免水蒸气在铁水下面来不及上浮而发 生打炮事故。铁矿石分批次加入，是由于钢铁料配比调整后，前期加入废钢、 焦炭、铁水进行吹炼，铁水中的C氧化生成了大量的CO，有利于钢水快速升温、 脱氮，但到吹炼中后期(供氧时间段的1/2～2/3)，CO生成量减少，钢水易从 炉气中吸氮，为此在冶炼中后期再加入部分铁矿石，可加速CO的生成，促使了 C-O继续反应带走钢中N，并可进一步提高渣中TFe含量，生成高氧化性的泡沫 渣，此阶段的泡沫渣覆盖在钢水表面可有效隔断氮气进入钢水中。
3、焦炭的加入量。在冷、热钢铁料配比下，需使用载热材料补偿因高废钢 比造成的热损失。载热材料要具有较高的热利用系数，以保证转炉高生产率。 载热材料包括煤粉、焦粉、块煤和焦炭。经比较，焦粉易随炉气被吸走，块煤 价格比焦炭高，熔化废钢能力较焦炭差，煤粉喷吹需要特定场地，占地面积大， 投资大，所以本发明选择焦炭作为载热材料。本发明按照下述方法确定焦炭的 准确添加量：根据现有技术转炉炼钢废钢比小于10％时不添加焦炭，本发明以 废钢比10％为基数，根据热平衡计算，估算废钢比超过10％时所添加废钢的热损 失，再根据焦炭的放热确定其添加量。热平衡公式如下：
Q化＝147.70*C％+269.70*Si％+70.00*Mn％+217.30*P％
式中Q化为化学热，单位为MJ/t；
Q铁水物＝61.9+0.88T
式中Q铁水物为铁水的物理热，单位为MJ/t，T表示摄氏温度；
Q废钢物＝0.74T
式中Q废钢物为废钢的物理热，单位为MJ/t，T表示摄氏温度。
(热平衡公式参照(苏)A.M.彼格耶夫著,宗联枝译《炼钢过程的数学描述 与计算》)
焦炭放热按照3122(千卡/kg)＝3122*4.182(MJ/t)估算。
4、焦炭的加入方法：本发明将焦炭分两次加入，其原因如下：第一次将 1/2量焦炭加入在转炉底部，加入铁水后焦炭可以快速燃烧产生热量，使废钢 快速熔化；加入铁水后，再在从高位料仓第二次加入余量焦炭量，因焦炭密度 小于铁水密度，焦炭浮于铁水表面，供氧时在供氧流的冲击下焦炭与氧快速燃 烧，放出热量，补充低铁水消耗的热量损失。焦炭中N含量在400-600ppm范围 内，如果焦炭中的N融到钢水中，会使钢水中N含量增加40-60ppm，N含量高 影响钢的热塑性。焦炭加入分第一、第二批次，上下共同作用，使焦炭充分、 快速释放热量，同时第一批次加入焦炭燃烧产生的含N气体随着炉气、CO回收， 第二批次加入焦炭燃烧产生的含N气体从炉腔表面随炉气回收，焦炭分两批加 入可降低焦炭中N含量进入钢水中。
5、铁水要求。考虑到铁水中Si元素含量低时，铁水化学热低，冶炼时无 法提供足够的热量，达不到热平衡状态；铁水中Si元素含量高时导致渣量增加， 炉渣升温吸收热量造成热量损失，为此，确定铁水中Si元素含量为0.40-0.70％ 范围内。S元素含量为0.020-0.035％范围内，P元素含量为0.100-0.125％范围 内，铁水入炉温度为1300-1350℃。
6、造渣料的加入。钢铁料配比调整后，入炉降Si量为：4*(1-2％)*0.8％+16* (1-5％)*0.15％-20*(1-1.3％)*0.5％＝44.54kg，降低入炉SiO2量为： 44.54/28*60＝95.4kg，转炉终渣SiO2平均含量为11.5％，则渣量减少： 95.4/11.5％＝829kg，转炉终渣CaO平均含量为40％，所用石灰平均含量为88％， 则需减少石灰：829*40％/88％＝377kg，吨钢减少石灰0.38kg，实际生产过程中 吨钢白灰使用量平均为41kg。
7、转炉吹炼过程。转炉加入废钢、焦炭、铁水后，降枪吹炼，吹炼过程采 取低、高、低枪位控制，前期低枪位Si、Mn反应快速进行，加速废钢、渣料的 熔化，早化渣、多去磷、均匀升温，对去除P、S有利；中期为碳的氧化期，在 脱碳的同时继续去除P、S，此时要关注炉内喷溅情况，出现严重泡沫渣和喷溅 时，适当提高枪位，使冶炼安全顺利进行；后期降低枪位，出钢温度控制在 1570-1620℃范围内,避免了终点回P，终点成份P为0.005-0.015％。
出钢过程使用含铝合金进行脱氧合金化，因出钢温度较低，钢水氧化性降 低，脱氧合金用量减少0.5kg/t。
8、LF精炼炉操作。钢水进站温度≥1540℃，LF精炼炉的主要任务是升温、 成分微调、去除夹杂物，加热时间控制在8-12分钟，升温速度为4-5℃/min， 软吹时间控制在8-12分钟，整个精炼时间控制在25-35分钟，出站温度控制在 1580-1600℃范围内。
以下提供本发明几个不同废钢比时添加焦炭量的实施例：
实施例1：
入炉钢铁料指标如表1：
表1
根据铁水含Si量确定废钢比为30％，废钢中铁矿石的含量占30％，废钢料 采用轻薄料，装炉量为100吨，其中铁水70吨、废钢料21吨、铁矿石9吨， 以废钢比10％为基数，增加废钢13.3t、铁矿石6.7t，减少了20t铁水。
根据热平衡公式：
Q铁水化＝147.70*C％+269.70*Si％+70.00*Mn％+217.30*P％
＝862.47(MJ/t)
Q铁水物＝61.9+0.88*T
＝1250(MJ/t)
Q废钢化＝147.70*C％+269.70*Si％+70.00*Mn％+217.30*P％
＝102.10(MJ/t)
Q废钢物＝0.74T＝14.8(MJ/t)
Q铁矿石化＝147.70*C％+269.70*Si％+70.00*Mn％+217.30*P％
＝920.03(MJ/t)
Q铁矿石物＝0.74T＝14.8(MJ/t)
由热平衡公式计算得出入炉钢铁料热量见表2：
表2
加入焦炭的计算
焦炭放热取值3122千卡/kg，约3122*4.182＝13056(MJ/t)热量。则根据 需补充损失的热量计算，加入焦炭量为：
减少20t铁水，增加13.3t废钢、6.7t铁矿石，热量损失：20*(1-1.3％) *2112-13.3*(1-4％)*117-6.7*(1-2％)*935＝34058MJ。
(式中1.3％、2％、4％表示入炉钢铁料非金属渣含量)
加入焦炭量为34058/13056*1000＝2.61t
说明：根据热量守恒，降低铁水消耗、增加废钢消耗的能量损失需要载热 材料提供，才能保证冶炼顺利进行，铁水、废钢、铁矿石吨钢热量已经计算得 出，减去入炉料的非金属渣，降低的铁水量和增加废钢、铁矿石量的能量损失 就可以求出。
实施例2：
入炉钢铁料指标如表3：
表3
根据铁水含Si量确定废钢比为25％，废钢中铁矿石的含量占33％，废钢料 采用水洗豆，装炉量为100吨，其中铁水75吨、废钢料16.7吨、铁矿石8.3 吨，以废钢比10％为基数，增加废钢10t、铁矿石5t，减少了15t铁水。
根据热平衡公式：
Q铁水化＝147.70*C％+269.70*Si％+70.00*Mn％+217.30*P％
＝822.02(MJ/t)
Q铁水物＝61.9+0.88*T MJ/t
＝1294(MJ/t)
Q废钢化＝147.70*C％+269.70*Si％+70.00*Mn％+217.30*P％
＝310.08(MJ/t)
Q废钢物＝0.74T＝14.8(MJ/t)
Q铁矿石化＝147.70*C％+269.70*Si％+70.00*Mn％+217.30*P％
＝920.03(MJ/t)
Q铁矿石物＝0.74T＝14.8(MJ/t)
由热平衡公式计算得出入炉钢铁料热量见表4：
表4
加入焦炭计算
焦炭放热取值3122千卡/kg，约3122*4.182＝13056MJ/t热量。则根据需补 充损失的热量计算，加入焦炭量为：
减少15t铁水，增加10.0t废钢、5.0t铁矿石，
热量损失：15*(1-1.3％)*2116-10*(1-4％)*325-5*(1-2％)*935＝23626MJ.
加入焦炭量为23626/13056*1000＝1.81t
实施例3：
入炉钢铁料指标如表5：
表5
根据铁水含Si量确定废钢比为35％，废钢中铁矿石的含量占35％，废钢料 采用重型废钢，装炉量为100吨，其中铁水65吨、废钢料22.8吨、铁矿石12.2 吨，以废钢比10％为基数，增加废钢16.7t、铁矿石8.3t，减少了25t铁水。
根据热平衡公式：
Q铁水化＝147.70*C％+269.70*Si％+70.00*Mn％+217.30*P％
＝902.93(MJ/t)
Q铁水物＝61.9+0.88*T(MJ/t)
＝1206(MJ/t)
Q废钢化＝147.70*C％+269.70*Si％+70.00*Mn％+217.30*P％
＝311.78(MJ/t)
Q废钢物＝0.74T＝14.8(MJ/t)
Q铁矿石化＝147.70*C％+269.70*Si％+70.00*Mn％+217.30*P％
＝920.03(MJ/t)
Q铁矿石物＝0.74T＝14.8(MJ/t)
由热平衡公式计算得出入炉钢铁料热量见表6：
表6
加入焦炭计算
焦炭放热取值3122千卡/kg，约3122*4.182＝13056MJ/t热量。则根据需 补充损失的热量计算，加入焦炭量为：
减少25t铁水，增加16.7t废钢、8.3t铁矿石，
热量损失：25*(1-1.3％)*2109-16.7*(1-4％)*327-8.3*(1-2％) *935＝39192MJ.
加入焦炭量为39192/13056*1000＝3.01t
对比例：
装炉量为100吨，铁水加入量为90t，Si含量为0.30％，铁水比为90％， 废钢加入量为10t，废钢比为10％，造渣料加入量为42kg/t，终点温度为1656 ℃，终点P为0.024％，冶炼周期为29.23min，钢中N含量为18.3ppm，钢中O 含量为798ppm。
采用该发明的实施例2，造渣料加入量为41kg/t，终点温度为1594℃，终 点P为0.012％，冶炼周期为28.46min，钢中N含量为15.5ppm，钢中O含量为 679ppm。废钢与生铁价差为400元/吨，焦炭价格约1.8元/t，精炼炉费用约 35元/t，降低成本约23.2元/t(相比对比例废钢比增加15％，废钢与生铁价差 为400元/吨，加废钢降低成本：400*15％＝60元，减去焦炭、精炼炉成本为最 终降低成本：60-1.8-35＝23.2元/t。