一、研究的背景与问题

发达国家钢渣的综合利用率已达90%以上，而国内不足30%。对于钢铁工业钢渣的利用消纳，国家出台了一系列法规文件，鼓励开发综合利用先进工艺技术。电弧炉炼钢过程中钢渣的排放量为100~150kg/t钢，钢渣磁选铁后剩余的钢渣称为电弧炉废钢渣，即尾渣，这部分渣目前还尚未应用于钢铁企业，一般低价卖出。如何利用这部分渣是亟待解决的问题。

造泡沫渣是电弧炉冶炼的重要操作。泡沫渣的形成需要内部和外部两个条件。内部条件是炉渣自身要具备良好的发泡能力，发泡性能与炉渣的粘度有关；外部条件是要有足够量的气体进入渣层。炉渣粘度增加，分离气泡的液膜更稳定，气泡将会以较慢的速度从炉渣中排出，增加泡沫渣中气泡的寿命和泡沫厚度。影响炉渣粘度的最重要因素是炉渣中悬浮第二相颗粒，即镁方铁石和硅酸二钙，它们不仅是形成泡沫渣的必要条件，也有助于降低耐火材料消耗。

全废钢电弧炉炼钢尾渣作为预熔渣，熔化速度快，如图1所示，渣碱度（2.0以上）和FeO含量（15%以上）均较高，渣中的（P₂O₅）含量小于1%，尾渣含有镁方铁石和硅酸二钙，矿物相与冶炼过程中泡沫渣的矿相几乎相同，如图2所示。加入炉内后，炉渣中（FeO）含量迅速提高，且渣中含有大量的镁方铁石和硅酸二钙第二相粒子，可以快速形成发泡性良好的渣，有利于提高电能利用率、降低石灰等新渣料和耐火材料消耗，还可还原渣中部分（FeO），提高金属收得率，因此，电弧炉炼钢尾渣回收利用技术的开发与应用，对企业降低生产成本、发展循环经济、减少间接碳排放均大有裨益。

图1 电炉尾渣固相线温度

图2 电炉尾渣矿相组成

二、解决问题的思路与技术方案

全废钢电弧炉冶炼过程中，炉渣成分和熔池温度不断发生变化，导致了炉渣相图中氧化钙饱和线和氧化镁饱和线的不断移动，如图3所示。如不及时调整渣成分，会影响泡沫渣质量。特别是冶炼过程温度升高，增加了炉渣相图中的液相区面积，降低炉渣粘度，并加剧炉衬耐火材料的侵蚀。

 图3 碱度和温度对渣液相区面积的影响

基于炉渣良好发泡性能和保护耐火材料的目的，冶炼过程需要协同控制熔池温度和炉渣成分，保证冶炼全过程炉渣具有良好的发泡性能。在保证炉渣本身发泡性能良好的基础上，持续足量的气体供给也是保证泡沫渣质量的必要条件。因此，提出基于尾渣利用的电弧炉泡沫渣控制技术方案，如图4所示。

首先确定发泡性能良好的泡沫渣碱度。炉渣碱度过高，渣中固相颗粒过饱和，造成渣料消耗量增加；炉渣碱度过低，（MgO）饱和溶解度升高，加剧耐火材料侵蚀。针对冶炼磷含量要求不高的钢种，综合考虑炉渣发泡性能和炉衬材料侵蚀，分别从碱度对渣中固相颗粒分数、渣粘度及（MgO）饱和溶解度的影响等方面研究，最终确定了基于钢渣尾渣利用的泡沫渣碱度不低于1.8，同时，优化渣料的选择与配比，特别是冶炼前期加入一定量的尾渣，快速形成泡沫渣。

基于炉渣成分预报模型，根据熔池温度的变化，适时加入尾渣和新渣料（包括加入量和加入时机），实时调控渣碱度、（MgO）及（FeO）含量，稳定发泡性能良好的炉渣粘度所需的第二相颗粒，保证炉渣的发泡性能。

 图4 技术路线图

在此基础上，根据电弧炉声音监测系统的声音监测数据，进一步控制加渣料操作，并适时调整喷碳/供氧，为泡沫渣提供充足的气体，保证合适的泡沫厚度。

三、主要创新性成果

1、首次提出采用高碱度、高(FeO)的电炉尾渣应用于电炉造泡沫渣，对于脱磷要求不高的钢种冶炼，明确了冶炼过程控制泡沫渣碱度不低于1.8、炉渣成分接近炉渣相图中氧化钙和氧化镁饱和线。

图5 不同成分泡沫渣的电耗情况统计

2、开发了基于尾渣利用的电炉渣成分预报模型，协同控制渣成分和熔池温度，形成发泡性能良好的炉渣，实现了泡沫渣指数提高0.64s-1.02s。

3、建立了电弧炉声音监测系统，实现适时控制渣料加入和喷碳/供氧的自动调控，持续足量供给保证泡沫渣质量所需的气体，并利用尾渣的预熔特性，提高电弧的稳定性以及电能效率，电耗降低大于10kWh/t钢。

技术成功应用以来，共发表SCI论文2篇，授权发明专利1项。

 图6 泡沫渣高度变化示意图

四、应用情况与效果

基于钢渣尾渣利用的电弧炉泡沫渣控制技术，提高了冶炼效率，同时大幅降低了能源消耗和环境污染。技术应用以来，Consteel全废钢连续加料电弧炉冶炼吨钢电耗同比降低10kWh/t以上、降低石灰消耗7.0kg/t钢和白云石消耗1.2kg/t钢以上、金属收得率提高0.6%、废渣排放量减少12.4%，减少了二氧化碳的间接排放量。同比降低废钢渣处理成本近150万元/年，渣料使用成本降低300万元/年以上，企业获利超过2400万元/年，经济与环境效益十分显著。

图7 尾渣连续回用加入量对碱度的影响

信息来源：北京科技大学