唐  恩，李森蓉，李建濤，周強，汪朋，陳泉鋒
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　　1 前言

　　電弧爐煉鋼工藝自1899年在法國發(fā)明至今，已具有100余年的歷史，世界上電爐鋼產(chǎn)量的95%以上都是由電弧爐生產(chǎn)的，2016年全球電爐鋼產(chǎn)量為4.02億噸，占全球粗鋼總產(chǎn)量的25%左右[1]，電弧爐煉鋼尤其適用于廢鋼資源豐富和電價低廉的地區(qū)。電爐鋼不但在傳統(tǒng)的特殊鋼和高合金鋼領(lǐng)域繼續(xù)保持其相對優(yōu)勢，而且在普鋼領(lǐng)域表現(xiàn)出強勁的競爭優(yōu)勢。電爐鋼幾乎覆蓋了整個長材領(lǐng)域，諸如圓鋼、鋼筋、線材、型鋼、無縫管等。電爐的發(fā)展目前與轉(zhuǎn)爐已形成了長期的競爭局面。

　　2017年，隨著我國中頻爐產(chǎn)業(yè)政策的實施，電爐鋼產(chǎn)能將由原來的5800萬噸激增至9000多萬噸[1]，直接刺激了電弧爐煉鋼的發(fā)展，由于產(chǎn)品質(zhì)量的需要，適當添加優(yōu)質(zhì)原料進行鋼鐵生產(chǎn)迫在眉睫，直接還原鐵相比鐵水及生鐵制品，價格低廉、質(zhì)量好，是冶煉優(yōu)質(zhì)電爐鋼的很好選擇[2]。本文著重對在電弧爐中配加直接還原鐵進行了綜合分析，供業(yè)內(nèi)借鑒。

　　2 直接還原鐵的質(zhì)量分析

　　直接還原鐵（Direct Reduction Iron，DRI）是采用含鐵原料在低于其熔化溫度下進行還原得到的產(chǎn)品。根據(jù)產(chǎn)品不同，分為粒狀海綿鐵、冷壓塊及熱壓塊等產(chǎn)品。2016年全球直接還原鐵的產(chǎn)量為7276萬噸，生產(chǎn)方法有氣基直接還原法（82.5%）和煤基直接還原法（17.5%），目前產(chǎn)能上以氣基法為主，主要生產(chǎn)國家有印度1847萬噸、伊朗1601萬噸，沙特589萬噸，俄羅斯570萬噸，墨西哥531萬。[3]

　　最初，DRI主要是作為優(yōu)質(zhì)廢鋼的代用品，補充廢鋼的不足，目前已成為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼材必須配入的精料，以降低鋼中的雜質(zhì)元素[4]。DRI具有如下優(yōu)點：化學(xué)成分穩(wěn)定，雜質(zhì)含量極低，特別是磷、硫、氮含量低，可提高鋼材質(zhì)量，尤其是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)純凈鋼具有先天的優(yōu)勢。

　　2.1全鐵含量和脈石含量

　　全鐵含量和脈石含量是DRI兩個最重要的質(zhì)量指標。全鐵含量直接關(guān)系到鐵收得率的高低。全鐵含量越高，說明海綿鐵的品質(zhì)越好，帶入的渣量便越少，有利于提高金屬的收得率。[5]

　　脈石含量及組成主要是通過渣量對電耗產(chǎn)生影響，脈石有酸、堿性兩種：

　　酸性脈石主要成分為SiO2+Al2O3，酸性脈石含量過高將會造成電弧爐煉鋼渣量增加，進而影響電弧爐電耗，因為按目前電弧爐冶煉造高堿度渣的操作制度，則DRI最大配入量將取決于DRI中的酸性脈石含量。因此，對于含量過高的酸性脈石需要調(diào)整當前的電弧爐冶煉制度，適應(yīng)高酸性渣冶煉。

　　堿性脈石主要成分是MgO+CaO，則脈石的含量允許適量增加，但脈石的總含量仍應(yīng)保持在電弧爐冶煉的總渣量不過度增加的限度內(nèi)。

　　2.2金屬化率

　　DRI中未被還原的鐵氧化物（FeO）在煉鋼過程中將進入爐渣，這直接會導(dǎo)致金屬回收率降低。如果要提高金屬回收率，則需要額外補充C和熱量，通過反應(yīng)：（FeO）+ [C] -> [Fe] + CO來回收金屬。因此，金屬化率高低將對電弧爐電耗及碳耗產(chǎn)生關(guān)鍵影響。[6]

　　目前，國際上使用的DRI的金屬化率一般要求在90~92%。[7]對于中國許多電弧爐冶煉時經(jīng)常大量使用生鐵或鐵水，電弧爐的脫碳任務(wù)十分繁重，因此應(yīng)使用較低金屬化率的DRI，這將有利于電弧爐冶煉的改善，同時生產(chǎn)較低金屬化率的DRI又可大幅度降低DRI生產(chǎn)的能耗，提高直接還原設(shè)備的生產(chǎn)率。

　　2.3硫、磷含量

　　一般鋼中的硫、磷含量應(yīng)低于0.03%，某些優(yōu)質(zhì)鋼要求低于0.015%，甚至更低。[7]對用于電弧爐冶煉優(yōu)質(zhì)低硫、磷鋼的DRI，其硫、磷含量對電弧爐冶煉的影響較小，這主要是由于[8]：

　　海綿鐵中含有較高的未還原的鐵氧化物，在電弧爐的熔化期、氧化期階段會形成強氧化氣氛的氧化渣（FeO含量高達30%），磷直接被氧化進入爐渣，而硫由于加入了石灰造高堿度渣，也大部分會脫除。

　　2.4有害金屬元素

　　普通的DRI其他有害金屬元素如Cu、Sn、Sb、Pb、Cr、Ni等特殊元素含量很低，而廢鋼循環(huán)在使用中由于不易去除，尤其在冶煉潔凈優(yōu)質(zhì)鋼時，經(jīng)常因這些殘余元素超標而出格，使用DRI可以控制和稀釋鋼中這些有害金屬元素的含量。特別是某些高級鋼種要求雜質(zhì)元素含量較低，就只能使用DRI作為原料。

　　2.5粒度和密度

　　電弧爐冶煉要求DRI呈均勻規(guī)則形狀，以便利用料管實施連續(xù)加料，或在筐裝（或罐裝）時填充廢鋼空隙，增大入爐料的堆密度，減少裝料次數(shù)。同時為了保證DRI能迅速穿過渣層與鋼液相接觸，DRI又必須有適宜的粒度，一般要求DRI粒度在5~20 mm，平均粒度在10~20 mm，對于<3 mm的粉狀DRI必須經(jīng)過壓塊后用電弧爐煉鋼，因為粒度過小會造成DRI被爐氣或爐渣帶走，損失增加。[9]

　　對電弧爐生產(chǎn)而言，DRI的密度高，有益于電弧爐作業(yè)和減少DRI再氧化。為直接滿足電弧爐連續(xù)裝料使用，目前生產(chǎn)的DRI適宜的堆密度為1.8~2.2 t/m3。

　　3 直接還原鐵對電弧爐煉鋼的影響

　　3.1生產(chǎn)率和收得率

　　生產(chǎn)實踐表明，配加DRI對電弧爐的生產(chǎn)率和收得率有很大的影響[5]。近年來中國新建和投產(chǎn)的大型電弧爐廠逐漸增多，但由于各種原因，進廠的廢鋼質(zhì)量特別差，密度從0.3~0.7 t/m3不等。很多電弧爐煉一爐鋼需要加3~4次廢鋼料，如果使用DRI則可以明顯減少加料次數(shù)，從而縮短冶煉周期，連續(xù)加入含20~50%的DRI，可以大大提高生產(chǎn)率。并且，隨著氧燃助熔、泡沫渣和廢鋼預(yù)熱技術(shù)的引入，只要DRI替換了低密度廢鋼，電弧爐的生產(chǎn)率就會隨之升高。[10]

　　鋼水收得率與DRI的金屬化率、脈石含量及碳含量等有關(guān)。如果想得到高的收得率，必須向電弧爐加入更高金屬化率的DRI或加入增碳劑促進鐵的還原。爐渣的性質(zhì)和渣量同樣影響著鋼水收得率，在同樣的堿度下，造泡沫渣可以減少渣量。

　　3.2生產(chǎn)資料消耗

　　(1）電極消耗

　　DRI的含碳量一般較低，電弧爐加入DRI后，會適當加入增碳劑，使電弧爐內(nèi)呈還原性氣氛，減輕了電極的氧化，消耗降低；但鋼水中碳含量較高時，電弧爐往往采用泡沫渣工藝進行埋弧操作，此時電弧的集中增加了電極斷裂的可能性。綜合比較，電極的消耗量并不會因為DRI的采用而增加。[11]

　　(2）耐材消耗

　　分批加入DRI時，對原有的加料方法并無改變，耐材消耗不會增加；連續(xù)加料時將形成“飛濺”，蕩開渣面使電弧暴露，耐材會有所增加。應(yīng)用DRI后，渣中FeO含量較高，C-O反應(yīng)時間較長，也可能增加耐材的化學(xué)侵蝕，但通過泡沫渣工藝及其它參數(shù)的調(diào)節(jié)可以使耐材消耗保持在原有水平。

　　(3）熔劑消耗

　　DRI的使用會增加酸性脈石含量，要保持原有爐渣堿度顯然會增加熔劑的消耗，研究表明，每增加1%DRI量要增加熔劑量1 kg/t。但是，用DRI作原料時，鋼水含[P]和[S]量較低，爐渣堿度不需過高，故熔劑耗量并不增加。

　　3.3能耗變化

　　加入DRI后電弧爐煉鋼的能量消耗增加，導(dǎo)致電弧爐煉鋼能量消耗增加的原因主要有以下幾個方面[12]：

　　(1）DRI的熔化增加了能量消耗，DRI金屬化率越低，則FeO含量越高，而電爐煉鋼時FeO的還原反應(yīng)是一個吸熱反應(yīng)，在煉鋼溫度下，還原1 t FeO將需要消耗電量約800 kWh。

　　(2）DRI中脈石含量對能量消耗影響明顯，SiO2含量越高則必然會增加耗電量。而為保持渣的堿度，隨著SiO2的增加，加入的生石灰也必然增加，這樣就引起渣增加，而熔化1噸渣需耗電約530 kWh，并且SiO2和鍛煉過的生石灰的熔化均需消耗能量。

　　(3）含碳量高的DRI對耗電量也有影響。因為熔池中[C] + [O] -> CO的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，如果在吹入合適氧量的范圍內(nèi)，每增加1 Nm3的氧，耗電量將減少2~4 kWh。

　　(4）當采用連續(xù)加入DRI方式時，在供電功率與DRI加入速率（冷裝28-38kg/MW.min，熱裝50kg/MW.min）相匹配條件下，可大幅度縮短冶煉時間，可維持電弧爐以最大的輸入功率作業(yè)，有利于提高電弧爐的產(chǎn)量；而采用分批加入DRI方式時，若加料不當（如DRI過于集中或DRI靠近爐墻），則會造成DRI堆積或粘結(jié)在爐墻上，從而大大延長熔化時間和增加電耗。

　　(5）DRI的爐料溫度對電耗影響較大，對冶煉周期影響較小[12]。當使用全冷裝海綿鐵時，電耗會比全廢鋼冶煉高出100~150kwh/t，而如果是全熱裝，電耗則與廢鋼相當。

　　目前，為了降低DRI加入時電弧爐煉鋼的能量消耗，各鋼廠采取了許多種措施，如加入的DRI預(yù)熱，但需要防二次氧化?？偠灾瑸榱私档秃碾娏?，應(yīng)該使用高金屬化率、低SiO2的DRI，冶煉過程中適當增碳，加料制度采用熱裝連續(xù)加料。

　　3.4鋼水質(zhì)量

　　目前DRI在國內(nèi)外的電弧爐應(yīng)用中，主要用來冶煉高質(zhì)量的品種，如石油工業(yè)的石油套管、鉆桿；機械工業(yè)的深沖汽車板、特殊用途的鋼絲及特殊用途的鋼材，例如彈簧鋼、軸承鋼、汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子、炮管以及航空、航天、原子能工業(yè)用鋼材等。[13]

　　由于DRI不含殘存元素，可直接生產(chǎn)出不含殘余元素的鋼，鋼中夾雜物數(shù)量明顯降低，從而提高了鋼的熱軋和冷軋性能，特別是拉伸性能；使用DRI可明顯降低鋼中的S含量，鋼硫夾雜物的形態(tài)也可以得到控制，提高了鋼質(zhì)量，改變了鋼材的擴張和抗扭性能。

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