1 電爐用廢棄聚合物煉鋼
電弧爐煉鋼加入大量廢鋼可節(jié)約原生原材料和能源。電弧爐煉鋼所需能量中，電能約占60%～65%，化學(xué)能約占40%～35%（由氧燃料燃燒，碳氧化和其他化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生）。爐內(nèi)鋼液擁有的能量為總能量的53%，其余能量被爐渣、廢氣和冷卻水帶走。
電弧爐煉鋼是通過(guò)能量密度極高的電弧將電能轉(zhuǎn)換成熱能用于熔煉的，僅小部分電弧能傳至爐料。從能量平衡可知，電-熱能量的轉(zhuǎn)換發(fā)生在電弧柱和電弧等離子區(qū)。電弧功率的72.5%傳遞到熔池，14.5%進(jìn)入電極，13%傳至爐墻。此比例主要取決于電弧長(zhǎng)度和爐渣厚度。
早期曾報(bào)導(dǎo)過(guò)高爐利用塑料廢棄物作輔助燃料的基本情況，用廢棄輪胎產(chǎn)生能量的 研究 也報(bào)導(dǎo)過(guò)。
在UNSW利用塑料和橡膠代替部分焦炭作為造泡沫渣發(fā)泡劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室 研究 的基礎(chǔ)上，澳大利亞One Steel鋼鐵公司在Sydney Steel Mill（SSM）和Laverton Steel Mill（LSM）鋼廠完成一系列電弧爐煉鋼工業(yè)性試驗(yàn)。電弧爐使用廢棄聚合物煉鋼的突出優(yōu)點(diǎn)有利于電弧爐煉鋼工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
2 實(shí)驗(yàn) 研究
最近幾年，完成了在電弧爐煉鋼中噴入焦炭-塑料的試驗(yàn) 研究 。有機(jī)材料如高密度聚乙烯（HDPE）和不同廢棄輪胎按各種比例混合；在20%O2和80%N2的氧化氣氛中噴入碳質(zhì)混合物后，在沉降爐（DTF）底部收集燒焦試樣；隨后采用液滴技術(shù)和臥式爐（HF）在1823K下進(jìn)行造泡沫渣試驗(yàn)；利用LECO熱重 分析 儀 分析 燒焦試樣，測(cè)量其碳含量與灰分以及利用XRD方法 研究 。
聚乙烯（PE）是由乙烯單體形成的一個(gè)長(zhǎng)鏈脂族烴組成，包含許多由簡(jiǎn)單鍵聯(lián)接的碳原子。按照密度和分支，可將聚乙烯分成不同的類，如有較大密度（約0.941g/cm3）的HDPE。因?yàn)榉种Ф炔桓撸瑢?dǎo)致分子間形成強(qiáng)大的作用力和較高的抗張強(qiáng)度，這使HDPE成為一種可廣泛使用的聚合物。
輪胎通常由橡膠混合物組成（天然橡膠和人工合成橡膠），用鋼絲或紡織品進(jìn)行強(qiáng)化。天然橡膠（NR）是一種異戊二烯（C5H8）聚合物。
廣泛用于輪胎的合成橡膠是丁苯橡膠（SBR）C12H5，它是一種由1，3-丁二烯和苯乙烯按3∶1的比例混合生成的共聚物。這種交聯(lián)網(wǎng)狀聚合物通過(guò)強(qiáng)大的共價(jià)鍵聯(lián)接，分子鏈間有很大的作用力，因而它是一種能抵抗熱磨損和化學(xué)侵蝕的堅(jiān)硬材料。
在UNSW實(shí)驗(yàn)室，對(duì)采用液滴法在臥式爐內(nèi)往電爐渣（由One Steel鋼鐵公司提供）中加入焦炭/橡膠混合物造泡沫渣的行為進(jìn)行了 分析 。泡沫渣體積測(cè)量的結(jié)果表明，爐渣使用焦炭/橡膠混合物的發(fā)泡效果比單獨(dú)使用焦炭時(shí)有明顯改善。
用特別設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)計(jì)算爐渣體積比得知，爐渣與混合碳1（由轎車輪胎和焦炭組成）反應(yīng)的體積比值在1附近波動(dòng)且與預(yù)測(cè)值相符；混合碳2（含鏟車輪胎和焦炭）的橡膠含量雖比混合碳1略低，但與單用冶金焦相比，泡沫渣的形成和性能仍有很大改善。
以前報(bào)導(dǎo)的用HDPE煉鋼的試驗(yàn)結(jié)果，也指出其造泡沫渣的效果比使用冶金焦和廢棄橡膠的效果好。本試驗(yàn)還證實(shí)，利用廢棄塑料和廢棄輪胎與冶金焦混合煉鋼可增加泡沫渣能量，用HDPE重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果與上述試驗(yàn)相同。
為此，One Steel鋼鐵公司用廢棄塑料和輪胎混合物進(jìn)行了一系列電弧爐煉鋼工業(yè)試驗(yàn)。
3 工業(yè)試驗(yàn)和相關(guān)效益
數(shù)據(jù)樣本選自出鋼-出鋼時(shí)間不超過(guò)55min的爐次。因?yàn)殡娀t操作條件可以隨時(shí)間變化，這就確保了使用焦炭的冶煉爐次與使用橡膠和HDPE冶煉的爐次有相似的操作條件。
混合HDPE和混合橡膠煉鋼的試驗(yàn)效果都比只使用冶金焦效果好。用HDPE混合物冶煉時(shí)造泡沫渣效果比用焦炭時(shí)提高了許多，用橡膠混合物冶煉時(shí)造泡沫渣效果也比用焦炭冶煉時(shí)有明顯改善，且上述結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。工業(yè)試驗(yàn)還證明爐子電能消耗降低：從單獨(dú)使用焦炭時(shí)的424kWh/t減少到混合橡膠時(shí)的412kWh/t；當(dāng)使用HDPE和焦炭混合冶煉時(shí)，電能消耗甚至可降低到406kWh/t。
通過(guò)測(cè)量熔煉速度（以每分鐘通電時(shí)間的出鋼量計(jì)算）發(fā)現(xiàn)電爐生產(chǎn)效率有了很大提高。每爐鋼減少碳添加量50～100kg/爐，而渣中FeO含量?jī)H有微量降低。使用橡膠廢棄輪胎對(duì)硫含量的影響不太大。
除了上述效益之外，這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)減少氧氣和天然氣的消耗，降低了生產(chǎn)成本。在澳大利亞，使用廢棄橡膠的生產(chǎn)成本也比使用焦炭的成本低。如今，SSM鋼廠以廢棄橡膠作為碳源（混合焦炭）用于電弧爐煉鋼已成為標(biāo)準(zhǔn)冶煉操作。
One Steel鋼鐵公司購(gòu)買Smorgon Steel鋼廠后，在墨爾本的LSM鋼廠也進(jìn)行了電弧爐噴加入橡膠和焦炭混合物的煉鋼試驗(yàn)。LSM鋼廠采用三種More氧-碳爐壁模塊來(lái)噴入氧和碳，并與SSM鋼廠使用單支Fuchs爐門槍的效果進(jìn)行了比較。LSM鋼廠設(shè)計(jì)了一套混合系統(tǒng)，即從儲(chǔ)料倉(cāng)取出焦炭按需要的比例與聚合物混合并分配給碳噴射器。在LSM鋼廠，以橡膠作為碳源（混合焦炭）用于電爐煉鋼也已成為標(biāo)準(zhǔn)操作。
電能消耗從398.5kWh/t降低到387kWh/t。當(dāng)FeO含量從27.7%降至27.2%時(shí)，鋼中碳含量也減少了。同樣，在SSM鋼廠加入橡膠和焦炭混合煉鋼，降低了氧氣消耗。
在One Steel鋼廠進(jìn)行的電爐加入廢棄橡膠、塑料的煉鋼試驗(yàn)取得了以下成效：改善了爐渣發(fā)泡性，提高了電弧爐的用能效率，縮短了通電時(shí)間和出鋼-出鋼時(shí)間，同時(shí)降低了碳耗。
4 結(jié)論
實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)皆表明，廢棄塑料和輪胎完全可作為碳源加入電弧爐煉鋼。造泡沫渣的發(fā)泡試驗(yàn)指出，電弧爐用冶金焦與HDPE或廢棄輪胎混合煉鋼，爐渣發(fā)泡效果和泡沫渣量均比直接使用焦炭的效果好。電弧爐采用廢棄塑料和廢棄輪胎煉鋼能增大泡沫渣形成量，提高爐子熱效率、生產(chǎn)率，降低碳耗，從而有效減少煉鋼對(duì)環(huán)境的污染，有利于人類的可持續(xù)發(fā)展。
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