直接还原铁与电弧炉炼钢的关联性综述

2018-01-24   作者：佚名   网友评论 0 条

 　　唐  恩，李森蓉，李建涛，周强，汪朋，陈泉锋
        武汉科思瑞迪科技有限公司，湖北武汉，430223

　　1 前言

　　电弧炉炼钢工艺自1899年在法国发明至今，已具有100余年的历史，世界上电炉钢产量的95%以上都是由电弧炉生产的，2016年全球电炉钢产量为4.02亿吨，占全球粗钢总产量的25%左右[1]，电弧炉炼钢尤其适用于废钢资源丰富和电价低廉的地区。电炉钢不但在传统的特殊钢和高合金钢领域继续保持其相对优势，而且在普钢领域表现出强劲的竞争优势。电炉钢几乎覆盖了整个长材领域，诸如圆钢、钢筋、线材、型钢、无缝管等。电炉的发展目前与转炉已形成了长期的竞争局面。

　　2017年，随着我国中频炉产业政策的实施，电炉钢产能将由原来的5800万吨激增至9000多万吨[1]，直接刺激了电弧炉炼钢的发展，由于产品质量的需要，适当添加优质原料进行钢铁生产迫在眉睫，直接还原铁相比铁水及生铁制品，价格低廉、质量好，是冶炼优质电炉钢的很好选择[2]。本文着重对在电弧炉中配加直接还原铁进行了综合分析，供业内借鉴。

　　2 直接还原铁的质量分析

　　直接还原铁（Direct Reduction Iron，DRI）是采用含铁原料在低于其熔化温度下进行还原得到的产品。根据产品不同，分为粒状海绵铁、冷压块及热压块等产品。2016年全球直接还原铁的产量为7276万吨，生产方法有气基直接还原法（82.5%）和煤基直接还原法（17.5%），目前产能上以气基法为主，主要生产国家有印度1847万吨、伊朗1601万吨，沙特589万吨，俄罗斯570万吨，墨西哥531万。[3]

　　最初，DRI主要是作为优质废钢的代用品，补充废钢的不足，目前已成为生产优质钢材必须配入的精料，以降低钢中的杂质元素[4]。DRI具有如下优点：化学成分稳定，杂质含量极低，特别是磷、硫、氮含量低，可提高钢材质量，尤其是生产优质纯净钢具有先天的优势。

　　2.1全铁含量和脉石含量

　　全铁含量和脉石含量是DRI两个最重要的质量指标。全铁含量直接关系到铁收得率的高低。全铁含量越高，说明海绵铁的品质越好，带入的渣量便越少，有利于提高金属的收得率。[5]

　　脉石含量及组成主要是通过渣量对电耗产生影响，脉石有酸、碱性两种：

　　酸性脉石主要成分为SiO2+Al2O3，酸性脉石含量过高将会造成电弧炉炼钢渣量增加，进而影响电弧炉电耗，因为按目前电弧炉冶炼造高碱度渣的操作制度，则DRI最大配入量将取决于DRI中的酸性脉石含量。因此，对于含量过高的酸性脉石需要调整当前的电弧炉冶炼制度，适应高酸性渣冶炼。

　　碱性脉石主要成分是MgO+CaO，则脉石的含量允许适量增加，但脉石的总含量仍应保持在电弧炉冶炼的总渣量不过度增加的限度内。

　　2.2金属化率

　　DRI中未被还原的铁氧化物（FeO）在炼钢过程中将进入炉渣，这直接会导致金属回收率降低。如果要提高金属回收率，则需要额外补充C和热量，通过反应：（FeO）+ [C] -> [Fe] + CO来回收金属。因此，金属化率高低将对电弧炉电耗及碳耗产生关键影响。[6]

　　目前，国际上使用的DRI的金属化率一般要求在90~92%。[7]对于中国许多电弧炉冶炼时经常大量使用生铁或铁水，电弧炉的脱碳任务十分繁重，因此应使用较低金属化率的DRI，这将有利于电弧炉冶炼的改善，同时生产较低金属化率的DRI又可大幅度降低DRI生产的能耗，提高直接还原设备的生产率。

　　2.3硫、磷含量

　　一般钢中的硫、磷含量应低于0.03%，某些优质钢要求低于0.015%，甚至更低。[7]对用于电弧炉冶炼优质低硫、磷钢的DRI，其硫、磷含量对电弧炉冶炼的影响较小，这主要是由于[8]：

　　海绵铁中含有较高的未还原的铁氧化物，在电弧炉的熔化期、氧化期阶段会形成强氧化气氛的氧化渣（FeO含量高达30%），磷直接被氧化进入炉渣，而硫由于加入了石灰造高碱度渣，也大部分会脱除。

　　2.4有害金属元素

　　普通的DRI其他有害金属元素如Cu、Sn、Sb、Pb、Cr、Ni等特殊元素含量很低，而废钢循环在使用中由于不易去除，尤其在冶炼洁净优质钢时，经常因这些残余元素超标而出格，使用DRI可以控制和稀释钢中这些有害金属元素的含量。特别是某些高级钢种要求杂质元素含量较低，就只能使用DRI作为原料。

　　2.5粒度和密度

　　电弧炉冶炼要求DRI呈均匀规则形状，以便利用料管实施连续加料，或在筐装（或罐装）时填充废钢空隙，增大入炉料的堆密度，减少装料次数。同时为了保证DRI能迅速穿过渣层与钢液相接触，DRI又必须有适宜的粒度，一般要求DRI粒度在5~20 mm，平均粒度在10~20 mm，对于<3 mm的粉状DRI必须经过压块后用电弧炉炼钢，因为粒度过小会造成DRI被炉气或炉渣带走，损失增加。[9]

　　对电弧炉生产而言，DRI的密度高，有益于电弧炉作业和减少DRI再氧化。为直接满足电弧炉连续装料使用，目前生产的DRI适宜的堆密度为1.8~2.2 t/m3。

　　3 直接还原铁对电弧炉炼钢的影响

　　3.1生产率和收得率

　　生产实践表明，配加DRI对电弧炉的生产率和收得率有很大的影响[5]。近年来中国新建和投产的大型电弧炉厂逐渐增多，但由于各种原因，进厂的废钢质量特别差，密度从0.3~0.7 t/m3不等。很多电弧炉炼一炉钢需要加3~4次废钢料，如果使用DRI则可以明显减少加料次数，从而缩短冶炼周期，连续加入含20~50%的DRI，可以大大提高生产率。并且，随着氧燃助熔、泡沫渣和废钢预热技术的引入，只要DRI替换了低密度废钢，电弧炉的生产率就会随之升高。[10]

　　钢水收得率与DRI的金属化率、脉石含量及碳含量等有关。如果想得到高的收得率，必须向电弧炉加入更高金属化率的DRI或加入增碳剂促进铁的还原。炉渣的性质和渣量同样影响着钢水收得率，在同样的碱度下，造泡沫渣可以减少渣量。

　　3.2生产资料消耗

　　(1）电极消耗

　　DRI的含碳量一般较低，电弧炉加入DRI后，会适当加入增碳剂，使电弧炉内呈还原性气氛，减轻了电极的氧化，消耗降低；但钢水中碳含量较高时，电弧炉往往采用泡沫渣工艺进行埋弧操作，此时电弧的集中增加了电极断裂的可能性。综合比较，电极的消耗量并不会因为DRI的采用而增加。[11]

　　(2）耐材消耗

　　分批加入DRI时，对原有的加料方法并无改变，耐材消耗不会增加；连续加料时将形成“飞溅”，荡开渣面使电弧暴露，耐材会有所增加。应用DRI后，渣中FeO含量较高，C-O反应时间较长，也可能增加耐材的化学侵蚀，但通过泡沫渣工艺及其它参数的调节可以使耐材消耗保持在原有水平。

　　(3）熔剂消耗

　　DRI的使用会增加酸性脉石含量，要保持原有炉渣碱度显然会增加熔剂的消耗，研究表明，每增加1%DRI量要增加熔剂量1 kg/t。但是，用DRI作原料时，钢水含[P]和[S]量较低，炉渣碱度不需过高，故熔剂耗量并不增加。

　　3.3能耗变化

　　加入DRI后电弧炉炼钢的能量消耗增加，导致电弧炉炼钢能量消耗增加的原因主要有以下几个方面[12]：

　　(1）DRI的熔化增加了能量消耗，DRI金属化率越低，则FeO含量越高，而电炉炼钢时FeO的还原反应是一个吸热反应，在炼钢温度下，还原1 t FeO将需要消耗电量约800 kWh。

　　(2）DRI中脉石含量对能量消耗影响明显，SiO2含量越高则必然会增加耗电量。而为保持渣的碱度，随着SiO2的增加，加入的生石灰也必然增加，这样就引起渣增加，而熔化1吨渣需耗电约530 kWh，并且SiO2和锻炼过的生石灰的熔化均需消耗能量。

　　(3）含碳量高的DRI对耗电量也有影响。因为熔池中[C] + [O] -> CO的反应为放热反应，如果在吹入合适氧量的范围内，每增加1 Nm3的氧，耗电量将减少2~4 kWh。

　　(4）当采用连续加入DRI方式时，在供电功率与DRI加入速率（冷装28-38kg/MW.min，热装50kg/MW.min）相匹配条件下，可大幅度缩短冶炼时间，可维持电弧炉以最大的输入功率作业，有利于提高电弧炉的产量；而采用分批加入DRI方式时，若加料不当（如DRI过于集中或DRI靠近炉墙），则会造成DRI堆积或粘结在炉墙上，从而大大延长熔化时间和增加电耗。

　　(5）DRI的炉料温度对电耗影响较大，对冶炼周期影响较小[12]。当使用全冷装海绵铁时，电耗会比全废钢冶炼高出100~150kwh/t，而如果是全热装，电耗则与废钢相当。

　　目前，为了降低DRI加入时电弧炉炼钢的能量消耗，各钢厂采取了许多种措施，如加入的DRI预热，但需要防二次氧化。总而言之，为了降低耗电量，应该使用高金属化率、低SiO2的DRI，冶炼过程中适当增碳，加料制度采用热装连续加料。

　　3.4钢水质量

　　目前DRI在国内外的电弧炉应用中，主要用来冶炼高质量的品种，如石油工业的石油套管、钻杆；机械工业的深冲汽车板、特殊用途的钢丝及特殊用途的钢材，例如弹簧钢、轴承钢、汽轮发电机转子、炮管以及航空、航天、原子能工业用钢材等。[13]

　　由于DRI不含残存元素，可直接生产出不含残余元素的钢，钢中夹杂物数量明显降低，从而提高了钢的热轧和冷轧性能，特别是拉伸性能；使用DRI可明显降低钢中的S含量，钢硫夹杂物的形态也可以得到控制，提高了钢质量，改变了钢材的扩张和抗扭性能。

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