直接还原铁在电弧炉中的应用

在电弧炉中使用直接还原铁

电弧炉（EAF）炼钢在炉料选择方面具有很好的灵活性。电弧炉工艺的传统炉料一直是 100% 冷废钢，但由于废钢的可用性和质量、市场价格波动以及废钢在制造某些钢种时由于残留元素和氮含量等而施加的限制等问题已经增加，电弧炉运营商加紧寻找替代含铁炉料。

像生铁和铁水一样的直接还原铁 (DRI) 是一种替代铁炉料，已在电弧炉炼钢过程中以不同比例使用。 DRI 的使用会对熔化过程产生明显的影响。能源消耗、生产力和产量受 DRI 化学成分、废料组合中使用的 DRI 百分比和操作实践的影响。 DRI 在电弧炉炼钢过程中用作废钢替代品。图 1 显示了 150 吨电弧炉炉料中 DRI 的典型熔化曲线。

图 1 150 吨电弧炉炉料中 DRI 的典型熔化曲线

在电弧炉炼钢过程中使用直接还原铁的一般优势是 (i) 尺寸和尺寸恒定，(ii) 已知成分，(iii) 几乎不含杂质元素，(iv) 纯度，或不含非金属提高生产率和能耗的物质，(v) 易于在 EAF 中使用，因为 DRI 可以与废钢一起装入 EAF，使用桶或通过连续进料，(vi) 与低残留物相比，可用性更高废钢，(vii) 在炼钢过程中产生能量的相关碳含量的可用性，(vii) 容易产生泡沫渣，(vii) 在使用热 DRI 和热 DRI 的情况下直接装料，减少能源消耗一样多在高于 600 摄氏度的温度下，利用 DRI 的能量值，提高 16 % 到 20 %，(viii) 易于处理和储存，可以通过连续进料系统在不打开炉顶的情况下进料，从而形成稳定的钢浴表面h 降低了电极破损的风险，(ix) DRI 与废料混合的可能性，这意味着可以使用更便宜的废料等级，以及 (x) 更环保，因为它避免了铅 (Pb) 或镉等有害污染物的问题（Cd）在电弧炉粉尘中，并减少二恶英和呋喃的可能形成。

过去，电弧炉中直接还原铁的使用仅限于生产高质量的低残渣钢，由于比能量（kWh/吨）、出钢时间、焊剂消耗、渣中 FeO 增加、产量损失，预计费用会更高，以及更高的耐火材料和电极磨损。自从使用 DRI 时就出现了这种情况，而没有识别和理解固有和独特的属性并相应地修改实践。

自 1970 年代末至 1080 年代初以来，电弧炉作业已显着改善。电弧炉炼钢已从优化实践、进一步增加化学能的使用以及正确使用直接还原铁中受益匪浅。关于使用 DRI 的实践表明，使用 DRI 可以提高能源消耗、产量、生产力，尤其是降低运营成本。具有更高碳含量的进一步直接还原铁使电弧炉炼钢能够获得可观的财务和技术优势。使用高碳、热 DRI 可以提高运营能力，同时具有成本效益。

影响电弧炉操作的主要参数是原材料的成分（脉石百分比/化学成分、金属化、碳百分比、磷百分比和能量含量）、操作实践（功率曲线、泡沫渣和熔炼实践）和熔炉设计（鞋跟、氧气使用和工具、AC/DC 等）。与直接还原铁一起出现的非金属（通常是回转窑生产的直接还原铁）也对电弧炉炼钢产生不利影响。如果不注意这些因素，在电弧炉炼钢中使用直接还原铁会对电弧炉的运行参数产生不利影响。

直接还原铁是利用非炼焦煤或天然气将铁矿石或其他固态含铁材料直接还原生产的产品。通过将铁矿石还原到铁的熔点以下来生产 DRI 的工艺通常称为直接还原工艺。还原剂是来自重整天然气、合成气或煤的一氧化碳 (CO) 和氢气 (H2)。铁矿石主要以颗粒和/或块状形式使用。通过以H2和CO为基础的化学反应从铁矿石中去除氧气（O2），用于生产高金属化直接还原铁。

在直接还原过程中，固体金属铁（Fe）是直接从固体铁矿石中获得的，无需使矿石或金属熔融。直接还原可以定义为在 O2 电位下的固态还原，允许将氧化铁还原成相应的元素，但不能还原其他氧化物（Al2O3、MnO 和 SiO2 等）。由于还原处于固态，这些元素很少有机会溶解（在低热力学活性下）在还原铁中，因此比铁更稳定的氧化物基本上保持未还原。 DRI具有多孔结构。

DRI 以多种形式生产。这些是块状、丸状、热压块铁 (HBI)、细粉和冷压块铁 (CBI)。 HBI 和 CBI 是 DRI 的致密形式。当 DRI 在冷态（温度约 50 摄氏度）下从炉中排出时，产品称为冷 DRI（CDRI），当 DRI 在热态（温度约 650 摄氏度）下排出时，用于炼钢的热态则该产品称为热 DRI (HDRI)。

DRI 中的铁含量有两种形式。一种是金属形式，称为金属铁，Fe (M)，第二种形式的铁存在于残留的氧化铁中，Fe (O)。 DRI 中的总铁 Fe (T) 是这两种铁成分的总和。金属铁是铁的总量，可以是游离的，也可以是与 DRI 中存在的碳（作为渗碳体）结合的铁。不同工艺生产的直接还原铁的化学和物理性质通常有所不同。

DRI 的质量很重要，因为它影响炼钢的参数，例如产量、熔剂消耗、渣量、能源消耗以及碳、氧和原料进料速率。 DRI 的质量取决于 (i) 输入材料的质量，主要是铁矿石/球团和燃料/还原剂，它决定了 DRI 中的脉石材料/杂质，(ii) 生产过程决定了 DRI 中的碳含量，以及 ( iii) 决定DRI金属化的工艺参数。

金属化程度低意味着必须在 EAF 中还原更多的 FeO。另一方面，高金属化程度会导致 EAF 中 CO 的产生减少和熔池搅拌减少，这反过来又会降低传热效率，从而增加炉子的能量需求。 DRI金属化率在94%~96%之间时效果最好。

在电弧炉炼钢中使用直接还原铁作为炉料的一部分有两个原因。这些是 (i) 剩余控制，和 (ii) 无法获得优质废料。优质废钢的不可用给电弧炉运营商带来了压力，要求他们转向低品位废钢来源，例如过时的废钢，作为铁装置的来源。过时废料的问题在于其质量。此外，FAF 炼钢的增长导致废钢的周转速度不可避免地加快，结果导致其他元素对废钢的污染增加。铬 (Cr)、镍 (Ni)、钼 (Mo)、铜 (Cu) 和锡 (Sn) 等残留物含量在 0.15 % 到 0.75 % 之间，具体取决于废料的类型，会对某些机械性能产生不利影响的钢。因此，通常避免在电弧炉中使用纯废钢炼钢来生产优质钢和低碳钢产品。

与仅以废钢为基础的电弧炉炼钢相关的另一个问题是氮。电弧炉钢的氮含量高于碱性氧气炉钢。因此，仅以废钢为基础的电弧炉炼钢生产的钢通常具有较差的时效特性，使其实际上不适合用于深冲等应用。

对于从具有不同质量和化学成分的废钢生产高质量特殊钢等级，有时只能通过稀释不需要的杂质元素（如 Pb、Cu、Cr、Ni、Mo 和 Sn）来达到高纯度水平高纯度替代材料，如 DRI。当 EAF 炉料混合中的 DRI 百分比增加时，杂质元素水平线性下降。计算出钢时钢液中总杂质元素的经验法则为‘百分比(Cr+Ni+Cu+Sn)=0.3225-0.001174×DRI百分比。

同样随着炉料混合物中 DRI 百分比的增加，在适当的炉渣发泡下，氮含量也显示出类似的降低。氮减少使电弧炉能够生产许多特殊钢。此外，直接还原铁还可用于生产磷、氢含量极低的经济优质钢。

DRI 具有高堆积密度，大于大多数废钢的堆积密度。其密度高于炉内渣的密度，有利于其在渣/金属界面处熔化。 DRI 中剩余的 FeO 与液态金属浴中的碳发生反应，以改善保护耐火材料免受电弧影响的泡沫渣。然而，直接还原铁的进料速度是电弧炉工艺的一个重要参数，需要加以控制。最佳进料速率取决于 DRI 化学成分、浴温以及氧碳喷射器和底部搅拌塞提供的搅拌能量。大多数 DRI 加料炉的 DRI 进料速度在 27 kg/min MW 到 35 kg/min MW 之间。

DRI 的碳含量对于其在 EAF 炼钢中的用途很重要。 DRI 中的碳可以以元素形式存在，也可以以元素形式和键合形式的组合形式存在。 DRI 中碳的键合形式是碳化铁 (Fe3C)，它是铁和碳的稳定化合物。通常 DRI 中大约三分之二的碳以碳化铁的形式存在，其余的则以元素碳的形式存在。当碳处于键合形式时，未键合的 C 不会因在 EAF 气氛中燃烧而损失。表 1 给出了气基 DRI 的典型规格。

通常可以看出，在基于气体的 DRI 中，DRI 的碳含量通常超过减少 DRI 产品中残留的 FeO 含量所需的化学计量要求。过量的碳对炉渣中的 FeO 含量和炉渣发泡具有显着影响，这是高效电弧炉炼钢过程所需的。在负过量碳的情况下，必要的添加无烟煤以减少 FeO 在 EAF 炼钢过程的后期是有益的。然而，并不是所有的FeO都被还原成Fe，因为一部分FeO总是存在于炉渣中。这意味着在 EAF 钢浴中可用于燃烧的 DRI 的实际过量碳量大于为减少 DRI 计算的过量碳。该术语称为可燃碳，其定义公式为“可燃碳 =DRI 中的碳 - 化学计量碳 x（DRI 中的 FeO - 渣中的 FeO）。

可燃碳与注入 EAF 钢浴中的氧气发生反应，释放出钢浴中的热量，并为炉渣发泡提供 CO 气体。随着电弧炉中可燃碳的增加，出钢中的氮含量也会降低。 DRI 中的过量碳减少了无烟煤的输入，无烟煤是 EAF 浴中溶解氮（0.1% N2）的主要来源，除了渗入的空气。从直接还原铁中的碳获得的第二个好处是通过碳化铁的能量优势。 Fe3C通过其在钢浴中解离过程中获得的放热反应产生能量（- 0.4 kWh / kg C），与碳颗粒在钢浴中的吸热溶解（0.62 kWh / kg C）形成对比。

金属收率及渣量

在电弧炉炼钢过程中，在电弧炉装料中添加直接还原铁会影响钢水的金属收率。可以看出，当 EAF 装料混合物中的 DRI 百分比增加时，金属收率会降低。这主要是因为渣量的增加。

随着 EAF 炉料混合物中 DRI 百分比的增加，渣量增加。渣量的经验法则方程是“渣量（公斤/吨钢水）=127 + 2.43 x DRI 百分比”。根据这个经验法则，EAF 炉料混合物中 DRI 增加 10% 会导致渣重增加 24.3 kg。渣重主要取决于直接还原铁中脉石的含量和组成以及渣的碱度。

炉渣化学和体积影响电弧炉的产量。在 EAF 装料中使用 DRI，操作员要小心使用炉渣，以便在所需碱度的炉渣体积最小的情况下产生良好的发泡。由于碳对 FeO 的吸热还原反应（FeO + C =Fe + CO），以及由于使用 DRI 而遇到的更高的渣量，电弧炉的电力消耗通常随着金属中 DRI 百分比的增加而增加收费。正常情况下，电耗随电炉中DRI百分比的增加或多或少呈线性增加。

耗电量

电弧炉炼钢过程中的电力消耗（千瓦时/吨钢水）随着电弧炉炉料混合中的 DRI 百分比增加而增加。根据经验法则，在一定条件下，DRI百分比每增加10%，电耗就会增加14.5 kWh/吨钢水。

在电弧炉炼钢中使用直接还原铁时，许多因素往往会增加电能消耗。凭借良好的炉渣泡沫，电弧炉熔化 100% 冷废钢且无需其他能量输入，通常消耗的能量在 400 千瓦时/吨至 435 千瓦时/吨钢水之间。为进行比较，具有 98.2 % DRI 和非常好的渣泡沫的炉料混合的 EAF 的平均能耗水平为 635 kWh/吨钢水。

DRI 金属化影响能耗。 DRI 的较低金属化水平意味着较高的 FeO 水平。 FeO的化学还原是吸热反应。在炼钢温度下，将一吨 FeO 还原为 Fe 需要大约 800 kWh。 DRI 中 SiO2 含量的增加会增加电力需求。 SiO2 需要添加石灰来维持碱度比。熔化一吨矿渣需要大约 530 千瓦时的能量。增加 SiO2 的量需要增加 CaO 的量来维持碱度比。 DRI 中的 SiO2 和煅烧石灰都在熔化过程中消耗能量。图2显示了DRI的脉石含量与每吨钢水能耗的关系。此外，还有许多其他因素会影响炼钢过程。其中包括产量、石灰需求以及氧气和碳注入需求。

图2 脉石含量对每吨钢水能量需求的影响

由于石灰需求，磷和硫含量会对能源消耗产生负面影响。石灰中的 CaO 从浴液中吸收磷。如果 EAF 以恒定的 FeO 百分比运行，那么去除更多磷的唯一方法是添加更多石灰。石灰量的增加导致能耗增加和铁产量损失。高效脱硫需要使用还原炉渣。电弧炉通常使用碱性氧化渣进行操作。虽然可以通过增加石灰的添加量来去除电弧炉中的一些硫，但这会导致能耗增加并且效果不佳。

如果可以将大量氧气注入熔池，则渗碳 DRI 对能耗有积极影响。如果注入正确数量的碳并产生良好的泡沫渣，则能耗可降低 2 kWh/N cum 至 4 kWh/N cum 氧气。

充电热 DRI 可以节省能源，但氧化是一个问题。直接从 DRI 模块输送热 DRI 需要在密封的氮气或工艺气体气氛下进行，然后再装入 EAF。

电弧炉充电中添加DRI对开机时间的影响

当 EAF 充电混合物中的 DRI 百分比增加时，通电时间会增加。计算通电时间的拇指规则方程是'EAF通电时间=46.36 + 0.1320 x DRI百分比。用 DRI 代替废钢增加了熔化 EAF 炉料所需的时间（通电时间）。这归因于需要减少的 FeO 引起的 DRI 的较低熔化速率。此外，在直接还原铁中含有由含 SiO2 和 Al2O3 的脉石材料引起的酸性熔渣。同样明显的是，石灰和白云石的比消耗量增加以控制（CaO / SiO2）等于 2 附近的适当渣碱度。由于金属炉料中 DRI 增加导致渣量增加，再次延长熔化时间需要将熔渣带入溶液中，因此耗电量较高，这也是增加石灰、总熔剂消耗和渣量的原因。

金属化对良率和其他参数的影响

DRI 的液态钢产量是金属化率、总脉石含量和碳注入和添加实践的函数。 DRI 的典型装料可包含 93% 的总铁和 86% 的金属铁，金属化率为 92%。如果 100% 的 FeO 还原是可能的，那么 DRI 装料的钢水收率为 93%。在实践中，这种结果在 EAF 中是无法实现的。如果需要更高的产量，则 DRI 需要具有更高的金属化程度。此外，随着金属化程度的下降，它对所有参数都有负面影响。图 3 显示了电弧炉中金属化与产量和功耗的典型关系。

图3金属化与良率和功耗的典型关系

装料混合物中 DRI 百分比对石灰和总通量的影响

DRI 通常含有二氧化硅作为主要脉石成分以及低含量的其他杂质，例如硫和磷。根据 DRI 中这些组分的浓度和金属炉料中 DRI 的比例，将不同数量的石灰添加到 EAF 中，以使二氧化硅成渣并将硫和磷去除到这些元素的允许水平用于生产钢材的等级。

总石灰消耗量随着 EAF 装料混合物中 DRI 百分比的增加而增加。根据经验法则，炉料中 DRI 每增加 10%，石灰消耗量就会增加 2.6 kg/吨钢水。计算总焊剂消耗量（公斤/吨钢水）的经验法则是‘焊剂消耗量（kg/t）=45.31 + 0.2416 x DRI百分比。

收费方法

随着电弧炉炼钢中直接还原铁使用的增加，装料方法发生了变化。对于自备 DRI 工厂，EAF 装料中 DRI 的百分比通常很高。在这样的工厂中，直接向 EAF 供电是通过连续充电系统到 EAF 顶部的第五个孔完成的。当 EAF 车间因维护或延误而停工或 DRI 工厂停工需要储存时，总是有存储箱或大型仓库来接受 DRI 供应。图 4 显示了在 EAF 炼钢中使用 DRI 所遵循的不同装料实践。

图 4 在电弧炉炼钢中使用 DRI 时遵循的不同装料实践

连续进料通常采用 25% 以上，以促进进料速率与功率和化学能输入相匹配，并防止“冰山”或“铁山”的形成。铁伯格的预防部分取决于进料速度和可用的功率输入。

斗式装料用于电弧炉中，通常在装料混合物中使用少于 25% 至 30% 的 DRI，但最好是连续装料 DRI。铲斗中的 DRI 有助于装料致密化以及降低钢水中的残留物。桶装料避免了连续装料系统的成本。 DRI 通常装在重废料或成捆的顶部（图 4），以最大限度地提高装料的密度，而铲斗的其余部分则根据现场特定的做法进行装载。 DRI 通常在多桶装料的桶之间分配，最后一个桶中分配更多以改善熔体精炼，其中较低的 % C 和增加的 O2 含量可以弥补 O2 输入能力的不足并最大限度地减少加热结束时的排污.如果使用单桶充电实践，则 DRI 是在多个层中输入的。 DRI 在桶中较高的位置（第三层和倒数第二层）充电，以防止 DRI 从桶底部掉落。

通过第五个孔的屋顶是 DRI 的首选，当使用超过 30% 的 DRI 时肯定会更有效。连续加料有利于协调加料速度与功率输入和助熔剂加料，以确保渣控制（起泡高度和粘度等）并防止冷 DRI 加料过快时产生的铁矿。

连续充电热 (600 dg C) DRI 可以将所需的能量减少多达 16% 到 20%。连续进料大大降低了电弧炉的能量需求，因为它提供了闭门操作。这消除了屋顶摆动和充电造成的热量和时间损失，以及屋顶打开时空气进入引起的潜在氮气吸收。热充电 DRI 将功率需求降低了 20 kWh/100 摄氏度到 30 kWh/100 摄氏度。有许多不同的热充电方法。一种方法是用绝缘卡车将 DRI 从 DRI 工厂运送到 EAF 进行热装。另一种方法使用通过第五个孔通过重力进给的气动系统输送机。一些工厂使用输送机或直接重力进料。一项基于 150 座电弧炉已发布数据的基准研究表明，部分采用 HDRI 的电弧炉的能耗与废钢电弧炉的能耗相当。