一、研究的背景与问题
中国粗钢年产量已连续多年超过10亿吨，占全球总产量半数以上，其巨大的碳排放与资源消耗问题备受关注。在“双碳”目标指引下，我国钢铁工业正处于发展方式转型的关键时期，提高废钢使用比例已成为降低钢铁产品碳排放的核心路径之一。随着国民经济持续发展，社会钢铁蓄积量逐年攀升，据预测，2025年中国废钢资源总量将达到2.53亿吨，其中可用于炼钢的资源量约2.1亿吨。随着社会钢铁进入报废高峰期，来源于报废汽车、家电等镀锌制品的含锌废钢占比显著提升。含锌废钢中的锌元素在炼钢过程中易挥发进入烟气除尘系统，使得炼钢尘泥中锌元素大量富集。因此，实现炼钢尘泥中锌等有价元素的高效、高值化回收，不仅是钢铁企业推动资源循环利用的重要举措，更是行业践行绿色低碳转型、发展循环经济的典型实践。
在钢铁生产流程中，若将含锌尘泥直接返回原料系统进行循环利用，易导致锌元素在高炉等关键装备内持续富集，引发结瘤等问题，严重影响生产稳定顺行与设备使用寿命。转底炉工艺作为当前国内钢铁企业处理含锌尘泥的优选技术路线，通过对尘泥进行高温还原焙烧，可同步获得金属化球团与氧化锌副产品，实现了对含锌尘泥的高附加值资源化利用。截至2024年底，国内已建成投运的转底炉生产线数量不少于23座。尽管如此，转底炉工艺在处理炼钢含锌尘泥过程中仍面临一系列显著挑战：
（1）炼钢环节含锌废钢使用比例波动较大，导致尘泥锌含量差异显著，且缺乏有效的分质分级手段，致使高锌尘泥难以集中高效处理；
（2）炼钢含锌尘泥普遍碱度较高，在现有转底炉配料理论下，高碱度对原料渣系的影响机制尚未明确，易引起金属化球团产品发生粉化，影响其后续利用；
（3）入炉原料锌含量波动剧烈，加之对杂质元素的迁移规律认识不足，导致回收的氧化锌产品品位普遍偏低，严重制约了产线的经济运行效益。
二、解决问题的思路与技术方案
为提升转底炉处理炼钢含锌尘泥的效率和氧化锌产品品位，沙钢在多年生产实践基础上，实施了“转底炉工艺高效高值化回收锌资源关键技术创新与实践”项目。本项目总体技术路线如图1所示。以废钢中锌资源的高效高值化回收为出发点，通过开发炼钢尘泥锌含量控制和转底炉高效处理炼钢尘泥关键技术，实现了锌元素在炼钢工序的源头富集和转底炉对炼钢尘泥的高效处理；在转底炉开展高品位氧化锌产品生产技术开发，实现锌元素的高值化回收，通过优化配料、布料、焙烧工艺及烟气系统，实现了稳定可靠的高品位氧化锌产品生产；通过耐材分级配置提高耐材抗锌侵蚀性、采用压力场-气氛场协同控制抑制出料机锌质结瘤、运用材料-工艺协同防护降低出料机叶片磨损等装备技术，保障了转底炉处理高锌含量原料时装备的稳定运行；通过建立转底炉高碱度配料理论，揭示了高碱度条件下渣粘结相生成机理、适配的还原热力学条件及脱锌动力学规律，为转底炉高效处理高碱度炼钢尘泥提供了理论支撑。项目最终形成了从废钢中锌资源源头富集到转底炉高效处理高锌、高碱度炼钢尘泥，并实现高品位氧化锌产品稳定生产的技术路线。
图1 项目总体思路
三、主要创新性成果
1、构建转底炉高碱度原料结构控制理论，突破传统低碱度配料局限，阐明在高碱度条件下（R>2.5）形成低熔点、高流动性渣相（FeO-CaO系），促进金属铁连晶高效聚集与致密化的机理，实现金属化球团强度与脱锌率的协同提升。
本项目突破传统转底炉工艺认为“低碱度有利于低熔点渣相形成与球团强度”的固有观念，首次系统构建了转底炉高碱度原料结构理论体系，揭示了高碱度条件下金属化球团强度形成与脱锌过程的协同强化机理。碱度对渣系结构的影响如图2所示。在FeO-CaO-SiO2三元相图中，除低碱度区域外，高碱度区域同样存在低熔点区。该区域SiO2含量较低，高温下主要形成以FeO-CaO为主的低熔点液相。根据不同焙烧温度下液态渣量随碱度的变化规律可知，在碱度0.5至3.5范围内，液态渣量随碱度升高呈现先降低后升高的趋势。在转底炉实际焙烧温度下，当二元碱度高于2.5时，可保持与低碱度配料条件下相当的液态渣量，从而为高碱度原料的顺利处理提供了关键工艺窗口。
图2 FeO-CaO-SiO2多元渣系相图及机理分析
碱度对球团强度与脱锌效果的作用机理如图3所示。微观形貌分析表明，高碱度条件下形成的铁相呈蠕虫状结构，而低碱度条件下铁相呈带状并包裹渣相，抑制了锌的还原挥发。实验数据显示，将碱度提升至2.5时，残锌量可降至0.41%，脱锌率较传统低碱度方案提高60%以上。高碱度（R=3.2）球团渣相中检测到的锌含量显著低于低碱度（R=0.8）球团，说明提高碱度在物理结构（促进铁相连通）和化学过程（强化锌挥发）两方面协同提升了球团强度与脱锌效率。
图3 碱度对球团强度和脱锌效果的机理研究
2、开发了转底炉高品位氧化锌产品生产技术。该技术通过揭示杂质元素的生成机理与迁移规律，优化布料及热工制度，保障了球团的充分焙烧与结构完整性，有效抑制杂质生成；同时，精准调控烟气系统参数，实现杂质元素的定向分离与分流，最终实现了锌品位大于70%的高品质氧化锌产品的稳定回收。
通过开展转底炉冷态布料模拟与热成像监测，通过引入离散元法（DEM）对布料过程进行精细化数值模拟，发现球团颗粒间因粘滞力作用易在布料溜槽处发生堵料，影响料流分布，导致炉底宽度方向上料层厚度呈波浪形起伏（图4）。项目提出并实施了以“导流隔板结构优化”为核心的系统性布料调控方案，在溜槽末端形成高效混料区，显著提升了炉膛宽度方向上的料流均匀性。
图4 转底炉布料状态分析
基于项目开发的“高碱度、低配碳”原料结构，配套开发了与之适配的热工制度，以保障球团充分焙烧、减少爆裂与出料破碎。这是降低氧化物杂质粉尘生成的关键措施，也是确保高效脱锌的先决条件。为适应高碱度原料结构下形成的FeO-CaO系低熔点渣相，并避免过早、过多生成液相而恶化还原动力学条件，本项目设计了阶段控温的焙烧制度，实现金属化球团的充分焙烧和还原。为实现碱金属氯盐的有效分流并抑制烟气系统粘堵，项目开发并应用了以温度调控与流场优化为核心的集成技术（图5），具体包括：1）精准控温引导凝结区域：通过精确调控烟道温度场，将碱金属凝结区引导至空气交换换热器等易清理部位，避免其在余热锅炉等关键区段沉积；2）结构优化强化颗粒沉降：在烟道系统中设置多级组合降尘室，通过降低流速促进大颗粒提前沉降；3）高效清灰保障系统畅通：采用声波、机械及激波等多种清灰方式，实现沉积物的在线及时清除。
图5 烟气系统中不同清灰装置及实施前后效果对比图
3、开发了基于废钢锌源调控的炼钢尘泥锌含量分级控制技术。该技术通过精准划分入炉废钢种类，构建炼钢尘泥锌含量预测模型，实现了高锌（Zn≥5%）和低锌（Zn≤3%）炼钢尘泥的主动调控，从源头保障了转底炉入炉原料锌含量的稳定控制。
通过对炼钢全流程锌元素平衡的系统核算（图6），本研究对转炉冶炼所用各类废钢的锌含量进行了精确标定。根据锌含量水平及各转炉车间的产品结构特点，将废钢划分为三类：高锌废钢（主要为清洁废钢与优质废钢，锌含量1.8%–2.2%）、中锌废钢（主要为粉碎料，锌含量1%–1.2%）及低锌废钢（即普通废钢，锌含量0–0.5%）。结合各车间生产普通钢材、高牌号钢材及特种钢材的工艺需求，建立了废钢分类使用制度：转炉一车间以低锌废钢为主，转炉二车间采用高锌废钢，转炉四车间则使用中锌废钢。鉴于废钢是转炉锌元素的主要来源（占比＞95%），且约90%的锌最终进入转炉二次污泥，通过精准调控各车间废钢配比，实现了从源头上对转炉二次污泥锌含量的定向控制。该举措有效促成高锌污泥（Zn≥5%）与低锌污泥（Zn≤3%）的清晰分流和稳定产出，为后续锌资源的分类回收与高效利用奠定了工艺基础。
图6 转炉车间锌平衡计算及锌含量变化情况
4、开发适用于高锌原料的转底炉新型装备技术。该技术通过揭示耐材锌侵蚀机理，提出焙烧区分级耐材配置方案；针对出料机结瘤与磨损问题，阐明了锌蒸汽冷凝粘附的结瘤机制及高硬度相生成引起的磨损机理，创建了“压力场-气氛场协同控制”与“材料-工艺协同防护”技术体系，显著提升了装备在长期高锌工况下的运行可靠性与稳定性。
基于锌元素对转底炉耐材的侵蚀机理，提出并应用了焙烧区分级耐材配置方案。对于原有的硅铝酸盐耐材，当转底炉入炉原料锌含量约为2%时，其使用寿命可达14个月以上。随着炼钢尘泥使用比例增加，原料锌含量超过4%后，耐材寿命缩短至9个月左右。基于对侵蚀机理的深入分析，项目提出并实施了焙烧区分级耐材配置方案：在预热区沿用常规硅铝酸盐耐材浇注料；在还原区则选用抗锌侵蚀性更强、低孔隙率的镁铬质重型耐材浇注料。
通过对转底炉出料机结瘤机理的深入研究，揭示锌质结瘤主要来源于还原区末端富含锌蒸汽的烟气逆流至温度较低出料区，导致锌蒸汽冷凝、氧化并层层板结。为解决该问题，项目创新提出了压力场-气氛场协同调控的源头治理技术：通过精准控制炉膛负压分布，将还原六区调整为微负压状态，有效抑制烟气“短路”回流至出料区；同时优化还原六区空燃比，提高空气过剩系数，促使锌蒸汽在进入出料区前充分氧化为固态氧化锌颗粒，显著降低其粘附能力。
针对高碱度原料导致的磨损问题，提出并应用材料-工艺协同防护技术，有效降低出料机叶片磨损。项目创新构建了材料与工艺协同的长效防护体系：在材料方面，采用新型耐磨耐热合金叶片。该材料以非金属硬质材料（如刚玉、石英、碳化硅、碳化钨、碳化铬、碳化钛等）为强化相，属于高技术金属基复合材料，兼具金属基体的韧性与抗冲击性，以及陶瓷与硬质合金的超高耐磨性能，显著提升了叶片的强度与刚度。在工艺方面，增加炉底镁砂铺设厚度，以降低板结层厚度并弱化其附着力，从而有效缓解叶片与板结层接触时的磨损。通过上述材料与工艺的综合应用，出料机叶片使用寿命从不足3个月延长至6个月以上，检修频次被成功纳入计划性维护体系，实现了设备的长周期稳定运行，为转底炉高效连续作业提供了坚实保障。
四、应用情况与效果
项目技术成果自2022年全面在沙钢2条年处理30万吨冶金尘泥转底炉生产线应用，产线运行稳定可靠，年生产70%品位氧化锌产品1.5万吨，金属化球团40万吨。产品质量和产量方面均远高于同类型生产线。项目成果填补了转底炉高效处理高锌、高碱度尘泥，高价值回收锌资源的技术空白。
项目通过构建的“源头分类—过程优化—产品高值”利用体系，使钢铁企业得以充分发挥协同消纳社会含锌废钢的能力，显著增强了城市与产业的协同治理能力。近三年，沙钢累计消纳社会废钢约1900万吨，转底炉生产线处理含锌尘泥近100万吨。项目通过“产学研用”协同创新，团队累计获授权专利18项，制定标准3项，发表高水平论文24篇，构建了自主知识产权的工艺体系，形成技术示范引领效应，助推行业整体提升。沙钢转底炉生产的氧化锌产品锌含量在70%以上，且成分稳定，年产量可达1.5万吨。
信息来源：江苏沙钢钢铁有限公司
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