海绵铁电炉冶炼优质低氮钢工艺介绍

　　电炉炼钢工艺因其基建投资少、操作费用低及生产机动灵活这些优点而在全球不断发展。在发展期间，电炉炼钢领域采用许多新技术，从而降低能耗、提高了产量及效率，提升了电炉性能，冶炼周期也从数小时缩短到30min。随着全球钢铁总产量的显著增长，电炉钢产量也显著增加。

　　电炉炼钢厂家当前面临的主要难题是废钢短缺，价格波动及质量参差不齐。此外，废钢含各种残余元素(Cu、Sn、Ni、Cr、Mo)(约为0.13%至0.73%)，这是影响高档优质钢生产的不利因素。目前，100%或部分用海绵铁代替废钢是EAF 及感应炉(IF)不用废钢作炉料的最合适替代方案。海绵铁理化性能均匀，很少含残余元素(仅为0.02%)，且硫含量也低。

　　全世界海绵铁需求及产量几乎呈直线上升。绝大部分海绵铁用于电炉炼钢。海绵铁需求持续升高有3 个原因:一是，电炉炼钢的发展;二是，小规模钢厂转而生产优质钢种;三是，金属炉料供应有限。据预测，海绵铁产量会因电炉钢增产及合格废钢短缺而增长。

　　电炉炼钢海绵铁主要有3 项参数，即金属化率、碳含量及脉石含量(特别是酸性脉石SiO2+Al2O3)。这3 项指标决定了炼钢能否达到低成本、高效率要求。每项参数对炼钢最终成本都会产生实际影响，对生产夹杂物极少的洁净钢以及生产APIX 这种低氮钢(熔清时氮含量<25ppm，最终产品中氮含量为40ppm)也至关重要。

　　1 冶炼原料

　　采用100%高碳(C>2.5%)海绵铁熔炼法可生产低氮钢种，除100%高碳海绵铁外，其他原料的选择对确保低氮也非常重要。在电炉熔炼中，进入钢中的氮气有两个主要来源:一是来自废钢本身(主要是外购废钢);另一个是来自外面渗入电炉的空气。为保证钢的低氮水平，需对炼钢所用炉料进行取样及检验。根据检验结果应慎重考虑，务必将对氮含量影响大的炉料用量减至最低限度。

　　2 冶炼工艺

　　海绵铁总是在以下两种情况下装炉。一种是废钢熔化刚形成熔池，即形成高温熔融钢液面时装入炉中;另一种是上一炉钢出炉后留一定量(15%-20%)时装入炉中。海绵铁的碳含量及金属化率对海绵铁在电炉内的熔炼有着重要影响。海绵铁中的碳与其中的氧化铁(FeO)反应在熔池中生成CO(即产生碳沸腾)，接着将熔池中的氢及氮脱除，最后炼成洁净钢。碳沸腾产生泡沫渣，可防止热损失及炉壁和炉顶耐火内衬过热。因此，电炉炼钢厂总希望海绵铁含较高的碳。如果碳低于要求，就需专门往钢液里添入一定量的碳，海绵铁中氧化铁(FeO)还原所需碳量如下:C=1.67×[100-%M-(%Sl/100)×%Fe]。式中:M 为金属化率;Sl 为渣量;Fe 为渣中铁量。

　　金属化率较低的海绵铁含未还原氧化铁量较高，在熔炼中产生的渣量较大，故消耗过多的热。根据经验，海绵铁金属化率每下降1%，需多消耗电能15kWh/t(钢水)。海绵铁连续装炉把熔化及精炼合二为一，可明显提高电炉生产效率。

　　通常的作法是:100%用海绵铁作炉料生产洁净钢及低氮钢种。这时总是留下上一炉中一定量的高温待用钢水。通电前，将5t 海绵铁和1t 焦炭加到前一炉出钢预留的50-60t 高温待用钢水中。这时立即会生成丰富的泡沫渣，对熔池进行预脱氧，从而减少渣中FeO 含量。这是务必遵循的作法，因为电炉通电30s 后会达到最大有效功率(135MW)。由于海绵铁是以4.5-5.0t/mmin 的速度连续装炉，因而整炉钢在整个冶炼周期内都会持续产生CO 气泡。假设海绵铁的碳含量是2.7%，则其对熔池碳含量贡献率为121.5-135kg/min。

　　利用海绵铁的高碳含量作为生成CO 用来脱除钢中氮的手段，这已有报道。用不同C 含量的海绵铁(2.00%、2.20%、2.40%、2.60%及2.90%)进行试验，结果表明，海绵铁的高碳含量确实能降低钢的氮含量，而以往则认为增加海绵铁C 含量的主要目的是降低电炉能耗。后来发现除这个优点外，由于海绵铁C 含量的提升，使熔清时的氮含量有所下降。当然，海绵铁的高C 能降低电炉能耗，这也很重要(碳氧反应是化学能的重要来源)。当采用C 为2.90%的海绵铁时，钢中最终氮含量仅为7-12ppm。采用炉门封密EAF 对预防炉内吸入空气中的氮气也很重要。

　　3 脱氮机理

　　在电炉熔炼中，海绵铁能进行脱氮是因为碳氧反应产生的CO 气体。海绵铁在渣相中上浮的同时，其中FeO 不断被还原并迅速生成CO 气体。在炼钢温度下，海绵铁产生CO 气体的速率很高，然而受热传输限制，反应发生在800-1200℃这个温度范围。对产生CO 气体起主导作用的化学反应如下:

　　1)在往电炉内的高温预留待用钢水中装入海绵铁及焦炭时，在钢/渣界面上发生第一个反应，实现熔池的预脱氧:C+(FeO)=CO(g)+Fe。①

　　2)在吹氧开始时，氧气与熔池中碳进行直接反应，发生在气/钢界面上:C+1/2O2(g)=CO(g)。 ②

　　3)金属炉料脱碳促进生成FeO，熔池内碳含量下降，氧含量则升高，反之亦然:Fe+1/2O2(g)=(FeO)。③

　　4)下一个反应发生于碳/渣界面，是FeO 被渣中碳还原:(FeO)+C=Fe+CO(g)。④

　　5)另外两种反应消耗并生成CO 气体。一种是CO 气泡界面上FeO 被还原，如式⑤所示。反应⑤要受反应⑥中所示的中间反应控制。

　　这两项反应分别发生于渣/气界面及碳/气界面:(FeO)+CO(g)=Fe+CO2(g) ⑤;CO2(g)+C=2CO(g)。⑥

　　因为CO 气泡能促进钢水脱氮及脱氢，因此以上促进CO 形成的各项反应都很重要。海绵铁保持高碳含量，并使其在电炉内形成足够的CO 气体，这是每炉钢冶炼中保持丰富的泡沫渣的关键。

　　4 产品特性

　　用海绵铁在电炉中炼钢能够生产质量极高的扁平材，这使这类钢材具备最佳的可成形性和时效性。海绵铁还非常适合生产低硫钢。因为海绵铁硫含量极低，所以用它生产的钢中最终硫含量也低。将炉料中海绵铁的份额从35%提高到95%，可使钢的硫含量从0.02%减少到0.004%。在如此低的硫含量下，偏析及热脆问题不存在。

　　凡是对氮含量要求高的钢种都需要真空精炼处理才能实现最低硫含量及低氮要求。APIX 钢要求最高硫含量不超过0.0024%，最高氮含量需在45ppm 以下。装入100%海绵铁有助于降低钢中硫含量(降幅0.014%)。真空脱气过程中，尤其要注意Ar 气的流量。还需将CaF2 的用量减至最低限度，因其中的氮含量相当高。熔剂、锰铁等添加量也要减至最低。电炉采用100%海绵铁(含碳量2.7%)可使钢中氮含量降至15ppm。

　　5 文章结语

　　面临优质钢种需求增长，优质废钢短缺及价格波动等情况，将海绵铁作为EAF 炉料可解决这一问题。合理选用原料对防止氮含量发生突变极为关键。海绵铁(高碳)在熔化中产生了充分的CO 气体，有助于防止熔池从外部空气中吸氮，也有助于去除熔池中的氢和氮。海绵铁热装是降低吨钢成本的有效手段。它使DR-EAF 流程在CO2 减排方面更具吸引力。电炉用100%海绵铁作炉料容易实现钢水中的低氮含量。

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