電爐煉鋼工藝因其基建投資少、操作費用低及生產(chǎn)機動靈活這些優(yōu)點而在全球不斷發(fā)展。在發(fā)展期間，電爐煉鋼領(lǐng)域采用許多新技術(shù)，從而降低能耗、提高了產(chǎn)量及效率，提升了電爐性能，冶煉周期也從數(shù)小時縮短到30min。隨著全球鋼鐵總產(chǎn)量的顯著增長，電爐鋼產(chǎn)量也顯著增加。
電爐煉鋼廠家當(dāng)前面臨的主要難題是廢鋼短缺，價格波動及質(zhì)量參差不齊。此外，廢鋼含各種殘余元素(Cu、Sn、Ni、Cr、Mo)(約為0.13%至0.73%)，這是影響高檔優(yōu)質(zhì)鋼生產(chǎn)的不利因素。目前，100%或部分用海綿鐵代替廢鋼是EAF 及感應(yīng)爐(IF)不用廢鋼作爐料的最合適替代方案。海綿鐵理化性能均勻，很少含殘余元素(僅為0.02%)，且硫含量也低。
全世界海綿鐵需求及產(chǎn)量幾乎呈直線上升。絕大部分海綿鐵用于電爐煉鋼。海綿鐵需求持續(xù)升高有3 個原因:一是，電爐煉鋼的發(fā)展;二是，小規(guī)模鋼廠轉(zhuǎn)而生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼種;三是，金屬爐料供應(yīng)有限。據(jù)預(yù)測，海綿鐵產(chǎn)量會因電爐鋼增產(chǎn)及合格廢鋼短缺而增長。
電爐煉鋼海綿鐵主要有3 項參數(shù)，即金屬化率、碳含量及脈石含量(特別是酸性脈石SiO2+Al2O3)。這3 項指標(biāo)決定了煉鋼能否達到低成本、高效率要求。每項參數(shù)對煉鋼最終成本都會產(chǎn)生實際影響，對生產(chǎn)夾雜物極少的潔凈鋼以及生產(chǎn)APIX 這種低氮鋼(熔清時氮含量<25ppm，最終產(chǎn)品中氮含量為40ppm)也至關(guān)重要。
1 冶煉原料
采用100%高碳(C>2.5%)海綿鐵熔煉法可生產(chǎn)低氮鋼種，除100%高碳海綿鐵外，其他原料的選擇對確保低氮也非常重要。在電爐熔煉中，進入鋼中的氮氣有兩個主要來源:一是來自廢鋼本身(主要是外購廢鋼);另一個是來自外面滲入電爐的空氣。為保證鋼的低氮水平，需對煉鋼所用爐料進行取樣及檢驗。根據(jù)檢驗結(jié)果應(yīng)慎重考慮，務(wù)必將對氮含量影響大的爐料用量減至最低限度。
2 冶煉工藝
海綿鐵總是在以下兩種情況下裝爐。一種是廢鋼熔化剛形成熔池，即形成高溫熔融鋼液面時裝入爐中;另一種是上一爐鋼出爐后留一定量(15%-20%)時裝入爐中。海綿鐵的碳含量及金屬化率對海綿鐵在電爐內(nèi)的熔煉有著重要影響。海綿鐵中的碳與其中的氧化鐵(FeO)反應(yīng)在熔池中生成CO(即產(chǎn)生碳沸騰)，接著將熔池中的氫及氮脫除，最后煉成潔凈鋼。碳沸騰產(chǎn)生泡沫渣，可防止熱損失及爐壁和爐頂耐火內(nèi)襯過熱。因此，電爐煉鋼廠總希望海綿鐵含較高的碳。如果碳低于要求，就需專門往鋼液里添入一定量的碳，海綿鐵中氧化鐵(FeO)還原所需碳量如下:C=1.67×[100-%M-(%Sl/100)×%Fe]。式中:M 為金屬化率;Sl 為渣量;Fe 為渣中鐵量。
金屬化率較低的海綿鐵含未還原氧化鐵量較高，在熔煉中產(chǎn)生的渣量較大，故消耗過多的熱。根據(jù)經(jīng)驗，海綿鐵金屬化率每下降1%，需多消耗電能15kWh/t(鋼水)。海綿鐵連續(xù)裝爐把熔化及精煉合二為一，可明顯提高電爐生產(chǎn)效率。
通常的作法是:100%用海綿鐵作爐料生產(chǎn)潔凈鋼及低氮鋼種。這時總是留下上一爐中一定量的高溫待用鋼水。通電前，將5t 海綿鐵和1t 焦炭加到前一爐出鋼預(yù)留的50-60t 高溫待用鋼水中。這時立即會生成豐富的泡沫渣，對熔池進行預(yù)脫氧，從而減少渣中FeO 含量。這是務(wù)必遵循的作法，因為電爐通電30s 后會達到最大有效功率(135MW)。由于海綿鐵是以4.5-5.0t/mmin 的速度連續(xù)裝爐，因而整爐鋼在整個冶煉周期內(nèi)都會持續(xù)產(chǎn)生CO 氣泡。假設(shè)海綿鐵的碳含量是2.7%，則其對熔池碳含量貢獻率為121.5-135kg/min。
利用海綿鐵的高碳含量作為生成CO 用來脫除鋼中氮的手段，這已有報道。用不同C 含量的海綿鐵(2.00%、2.20%、2.40%、2.60%及2.90%)進行試驗，結(jié)果表明，海綿鐵的高碳含量確實能降低鋼的氮含量，而以往則認(rèn)為增加海綿鐵C 含量的主要目的是降低電爐能耗。后來發(fā)現(xiàn)除這個優(yōu)點外，由于海綿鐵C 含量的提升，使熔清時的氮含量有所下降。當(dāng)然，海綿鐵的高C 能降低電爐能耗，這也很重要(碳氧反應(yīng)是化學(xué)能的重要來源)。當(dāng)采用C 為2.90%的海綿鐵時，鋼中最終氮含量僅為7-12ppm。采用爐門封密EAF 對預(yù)防爐內(nèi)吸入空氣中的氮氣也很重要。
3 脫氮機理
在電爐熔煉中，海綿鐵能進行脫氮是因為碳氧反應(yīng)產(chǎn)生的CO 氣體。海綿鐵在渣相中上浮的同時，其中FeO 不斷被還原并迅速生成CO 氣體。在煉鋼溫度下，海綿鐵產(chǎn)生CO 氣體的速率很高，然而受熱傳輸限制，反應(yīng)發(fā)生在800-1200℃這個溫度范圍。對產(chǎn)生CO 氣體起主導(dǎo)作用的化學(xué)反應(yīng)如下:
1)在往電爐內(nèi)的高溫預(yù)留待用鋼水中裝入海綿鐵及焦炭時，在鋼/渣界面上發(fā)生第一個反應(yīng)，實現(xiàn)熔池的預(yù)脫氧:C+(FeO)=CO(g)+Fe。①
2)在吹氧開始時，氧氣與熔池中碳進行直接反應(yīng)，發(fā)生在氣/鋼界面上:C+1/2O2(g)=CO(g)。 ②
3)金屬爐料脫碳促進生成FeO，熔池內(nèi)碳含量下降，氧含量則升高，反之亦然:Fe+1/2O2(g)=(FeO)。③
4)下一個反應(yīng)發(fā)生于碳/渣界面，是FeO 被渣中碳還原:(FeO)+C=Fe+CO(g)。④
5)另外兩種反應(yīng)消耗并生成CO 氣體。一種是CO 氣泡界面上FeO 被還原，如式⑤所示。反應(yīng)⑤要受反應(yīng)⑥中所示的中間反應(yīng)控制。
這兩項反應(yīng)分別發(fā)生于渣/氣界面及碳/氣界面:(FeO)+CO(g)=Fe+CO2(g) ⑤;CO2(g)+C=2CO(g)。⑥
因為CO 氣泡能促進鋼水脫氮及脫氫，因此以上促進CO 形成的各項反應(yīng)都很重要。海綿鐵保持高碳含量，并使其在電爐內(nèi)形成足夠的CO 氣體，這是每爐鋼冶煉中保持豐富的泡沫渣的關(guān)鍵。
4 產(chǎn)品特性
用海綿鐵在電爐中煉鋼能夠生產(chǎn)質(zhì)量極高的扁平材，這使這類鋼材具備最佳的可成形性和時效性。海綿鐵還非常適合生產(chǎn)低硫鋼。因為海綿鐵硫含量極低，所以用它生產(chǎn)的鋼中最終硫含量也低。將爐料中海綿鐵的份額從35%提高到95%，可使鋼的硫含量從0.02%減少到0.004%。在如此低的硫含量下，偏析及熱脆問題不存在。
凡是對氮含量要求高的鋼種都需要真空精煉處理才能實現(xiàn)最低硫含量及低氮要求。APIX 鋼要求最高硫含量不超過0.0024%，最高氮含量需在45ppm 以下。裝入100%海綿鐵有助于降低鋼中硫含量(降幅0.014%)。真空脫氣過程中，尤其要注意Ar 氣的流量。還需將CaF2 的用量減至最低限度，因其中的氮含量相當(dāng)高。熔劑、錳鐵等添加量也要減至最低。電爐采用100%海綿鐵(含碳量2.7%)可使鋼中氮含量降至15ppm。
5 文章結(jié)語
面臨優(yōu)質(zhì)鋼種需求增長，優(yōu)質(zhì)廢鋼短缺及價格波動等情況，將海綿鐵作為EAF 爐料可解決這一問題。合理選用原料對防止氮含量發(fā)生突變極為關(guān)鍵。海綿鐵(高碳)在熔化中產(chǎn)生了充分的CO 氣體，有助于防止熔池從外部空氣中吸氮，也有助于去除熔池中的氫和氮。海綿鐵熱裝是降低噸鋼成本的有效手段。它使DR-EAF 流程在CO2 減排方面更具吸引力。電爐用100%海綿鐵作爐料容易實現(xiàn)鋼水中的低氮含量。
