电弧炉炼钢加入大量废钢可节约原生原材料和能源。电弧炉炼钢所需能量中，电能约占60%～65%，化学能约占40%～35%（由氧燃料燃烧，碳氧化和其他化学反应产生）。炉内钢液拥有的能量为总能量的53%，其余能量被炉渣、废气和冷却水带走。

 

　　电弧炉炼钢是通过能量密度极高的电弧将电能转换成热能用于熔炼的，仅小部分电弧能传至炉料。从能量平衡可知，电-热能量的转换发生在电弧柱和电弧等离子区。电弧功率的72.5%传递到熔池，14.5%进入电极，13%传至炉墙。此比例主要取决于电弧长度和炉渣厚度。

 

　　早期曾报导过高炉利用塑料废弃物作辅助燃料的基本情况，用废弃轮胎产生能量的研究也报导过。

 

　　在UNSW利用塑料和橡胶代替部分焦炭作为造泡沫渣发泡剂进行实验室研究的基础上，澳大利亚One Steel钢铁公司在Sydney Steel Mill（SSM）和Laverton Steel Mill（LSM）钢厂完成一系列电弧炉炼钢工业性试验。电弧炉使用废弃聚合物炼钢的突出优点有利于电弧炉炼钢工业的可持续发展。

 

　　2 实验研究

 

　　最近几年，完成了在电弧炉炼钢中喷入焦炭-塑料的试验研究。有机材料如高密度聚乙烯（HDPE）和不同废弃轮胎按各种比例混合；在20%O2和80%N2的氧化气氛中喷入碳质混合物后，在沉降炉（DTF）底部收集烧焦试样；随后采用液滴技术和卧式炉（HF）在1823K下进行造泡沫渣试验；利用LECO热重分析仪分析烧焦试样，测量其碳含量与灰分以及利用XRD方法研究。

 

　　聚乙烯（PE）是由乙烯单体形成的一个长链脂族烃组成，包含许多由简单键联接的碳原子。按照密度和分支，可将聚乙烯分成不同的类，如有较大密度（约0.941g/cm3）的HDPE。因为分支度不高，导致分子间形成强大的作用力和较高的抗张强度，这使HDPE成为一种可广泛使用的聚合物。

 

　　轮胎通常由橡胶混合物组成（天然橡胶和人工合成橡胶），用钢丝或纺织品进行强化。天然橡胶（NR）是一种异戊二烯（C5H8）聚合物。

 

　　广泛用于轮胎的合成橡胶是丁苯橡胶（SBR）C12H5，它是一种由1，3-丁二烯和苯乙烯按3∶1的比例混合生成的共聚物。这种交联网状聚合物通过强大的共价键联接，分子链间有很大的作用力，因而它是一种能抵抗热磨损和化学侵蚀的坚硬材料。

 

　　丁苯橡胶制成的轮胎可根据它们的重量和用途分成两大类：

 

　　● 轿车轮胎。每支重约9.5kg，含橡胶和合成橡胶47%、碳黑21.5%、钢16.5%、硫磺1%、纺织纤维5%、添加剂7.5%和平衡矿物杂质。

 

　　● 载重车或大客车轮胎。每支重45kg，含橡胶和合成橡胶45%、碳黑22%、钢25%、硫璜1%、添加剂5%和平衡矿物质。

 

　　在UNSW实验室，对采用液滴法在卧式炉内往电炉渣（由One Steel钢铁公司提供）中加入焦炭/橡胶混合物造泡沫渣的行为进行了分析。泡沫渣体积测量的结果表明，炉渣使用焦炭/橡胶混合物的发泡效果比单独使用焦炭时有明显改善。

 

　　用特别设计软件，根据记录数据计算炉渣体积比得知，炉渣与混合碳1（由轿车轮胎和焦炭组成）反应的体积比值在1附近波动且与预测值相符；混合碳2（含铲车轮胎和焦炭）的橡胶含量虽比混合碳1略低，但与单用冶金焦相比，泡沫渣的形成和性能仍有很大改善。

 

　　以前报导的用HDPE炼钢的试验结果，也指出其造泡沫渣的效果比使用冶金焦和废弃橡胶的效果好。本试验还证实，利用废弃塑料和废弃轮胎与冶金焦混合炼钢可增加泡沫渣能量，用HDPE重复试验，结果与上述试验相同。

 

　　为此，One Steel钢铁公司用废弃塑料和轮胎混合物进行了一系列电弧炉炼钢工业试验。

 

　　3 工业试验和相关效益

 

　　数据样本选自出钢-出钢时间不超过55min的炉次。因为电弧炉操作条件可以随时间变化，这就确保了使用焦炭的冶炼炉次与使用橡胶和HDPE冶炼的炉次有相似的操作条件。

 

　　混合HDPE和混合橡胶炼钢的试验效果都比只使用冶金焦效果好。用HDPE混合物冶炼时造泡沫渣效果比用焦炭时提高了许多，用橡胶混合物冶炼时造泡沫渣效果也比用焦炭冶炼时有明显改善，且上述结果均与实验结果一致。工业试验还证明炉子电能消耗降低：从单独使用焦炭时的424kWh/t减少到混合橡胶时的412kWh/t；当使用HDPE和焦炭混合冶炼时，电能消耗甚至可降低到406kWh/t。

 

　　通过测量熔炼速度（以每分钟通电时间的出钢量计算）发现电炉生产效率有了很大提高。每炉钢减少碳添加量50～100kg/炉，而渣中FeO含量仅有微量降低。使用橡胶废弃轮胎对硫含量的影响不太大。

 

　　除了上述效益之外，这项技术通过减少氧气和天然气的消耗，降低了生产成本。在澳大利亚，使用废弃橡胶的生产成本也比使用焦炭的成本低。如今，SSM钢厂以废弃橡胶作为碳源（混合焦炭）用于电弧炉炼钢已成为标准冶炼操作。

 

　　One Steel钢铁公司购买Smorgon Steel钢厂后，在墨尔本的LSM钢厂也进行了电弧炉喷加入橡胶和焦炭混合物的炼钢试验。LSM钢厂采用三种More氧-碳炉壁模块来喷入氧和碳，并与SSM钢厂使用单支Fuchs炉门枪的效果进行了比较。LSM钢厂设计了一套混合系统，即从储料仓取出焦炭按需要的比例与聚合物混合并分配给碳喷射器。在LSM钢厂，以橡胶作为碳源（混合焦炭）用于电炉炼钢也已成为标准操作。

 

　　电能消耗从398.5kWh/t降低到387kWh/t。当FeO含量从27.7%降至27.2%时，钢中碳含量也减少了。同样，在SSM钢厂加入橡胶和焦炭混合炼钢，降低了氧气消耗。

 

　　在One Steel钢厂进行的电炉加入废弃橡胶、塑料的炼钢试验取得了以下成效：改善了炉渣发泡性，提高了电弧炉的用能效率，缩短了通电时间和出钢-出钢时间，同时降低了碳耗。

 

　　4 结论

 

　　实验室和工业生产试验皆表明，废弃塑料和轮胎完全可作为碳源加入电弧炉炼钢。造泡沫渣的发泡试验指出，电弧炉用冶金焦与HDPE或废弃轮胎混合炼钢，炉渣发泡效果和泡沫渣量均比直接使用焦炭的效果好。电弧炉采用废弃塑料和废弃轮胎炼钢能增大泡沫渣形成量，提高炉子热效率、生产率，降低碳耗，从而有效减少炼钢对环境的污染，有利于人类的可持续发展。