随着近年来废钢产生量的逐年增加,以及国家对钢铁行业碳达峰、碳中和的要求,更高效的利用废钢已经成为转炉炼钢的重要发展方向。废钢是转炉冶炼的主要原料之一,由于其本身的冷料属性,废钢在转炉内的熔化过程对于转炉熔池温度的稳定控制和转炉生产的顺利进行有着十分重要的影响。但是目前关于转炉内废钢熔化的研究还比较缺乏,废钢比变化对转炉工艺、吨钢成本和污染物排放影响的定量研究也相对较少,限制了废钢在转炉中的高效利用。因此本文对废钢的熔化原理进行了分析,在此基础上建立了单体废钢熔化模型,并且结合转炉熔池温度和成分模型进一步得到了能够模拟转炉吹炼过程中废钢熔化的模型。根据机理模型建立了转炉物料消耗的计算模型,利用实际生产数据对模型参数进行分类回归计算,有效提高了模型的预测精度。基于碳平衡原理,通过合理划分高炉和转炉工序的计算边界,建立了碳排放模型。利用上述模型系统研究了废钢比变化对转炉物料消耗、转炉成本和污染物排放的影响。通过热态模拟实验探究了废钢熔化过程,确定了不同熔池条件下废钢熔化的控制环节,并且基于废钢熔化机理建立了废钢熔化模型。系统研究了转炉吹炼前期、中期、后期熔池条件下废钢的熔化速度和控制环节,确定了熔池碳含量和温度对废钢熔化的影响规律,分析了废钢尺寸和温度对废钢本身熔化过程的影响机理。在转炉冶炼前期和中期,提高熔池碳含量和温度都能够促进废钢熔化,在转炉冶炼后期,提高熔池温度对促进废钢熔化更重要。减少废钢尺寸提高废钢温度都能够有效缩短废钢熔化时间。基于三段式脱碳理论,建立了钢水含碳量连续预测模型。利用多元线性回归的方法建立了转炉磷含量和锰含量预测模型。根据转炉热平衡结合回归统计的方法建立了温度预测模型。在成分和温度模型的基础上,根据废钢熔化的原理使用有限差分法建立了转炉废钢熔化模型,模拟了转炉吹炼过程废钢熔化过程,并且分析了入炉废钢最大尺寸的影响因素。增加铁水温度和减少废钢比,都能够提高允许入炉的废钢最大尺寸。以某钢厂130t转炉为例,铁水温度提高25℃,废钢最大尺寸能够增加0.1 m左右。废钢比减少2.5%,废钢的最大尺寸增加约0.13 m。分析了废钢比对炉渣碱度、熔剂消耗量和氧气消耗量的影响规律。基于机理和分类回归的方法建立了静态模型计算石灰和氧气消耗量,明晰了废钢比对石灰和氧气消耗量的影响。基于转炉热平衡建立了废钢加入量计算模型,探究了影响转炉废钢比的因素。当废钢和钢水磷含量相同时,130 t转炉废钢比增加5%,碱度可以降低0.31,石灰消耗量可以减少241 kg,耗氧量减少189.63 Nm3。增加铁水温度、铁水碳含量和硅含量、降低钢水温度都能够提高废钢比,其中铁水硅含量的影响最大。在实际生产中可以根据铁水硅含量和铁水温度确定废钢比。分析了转炉成本的构成,建立了转炉成本计算模型,明确了原料条件、钢水条件、废钢成分和废钢比对转炉吨钢成本的影响规律。以130 t转炉为例,废钢碳含量增加0.1%,转炉吨钢成本增加约3.095元。废钢硅含量增加0.1%,转炉吨钢成本增加约1.2元。废钢磷含量增加0.01%,转炉吨钢成本增加约0.32元。存在一个废钢价格,在此价格时,当转炉存在多余热量,废钢比变化对转炉成本的影响很小。通过构建工序碳排放模型,得到了废钢比对高炉-转炉工序碳排放的定量影响。提高废钢比可以减少转炉工序的碳排放。当转炉中存在多余热量时,废钢比增加5%,转炉工序中吨钢碳排放量减少约7.1%,高炉工序中吨钢碳排放量可减少约5.97%,高炉和转炉工序吨钢碳排放量可减少约6.11%。当转炉热量不足时,废钢比增加5%,高炉和转炉工艺吨钢碳排放量可减少约4.67%。