本文研究了全裝DRI電弧爐在接近生產(chǎn)結(jié)束時(shí)，嚴(yán)格控制噴槍能夠避免爐渣過氧化，而且也研究了在爐次生產(chǎn)早期推遲開始噴吹所帶來的益處。在渣量基本固定的情況下，這兩種方法都能從根本上降低爐渣水平；另外，也介紹了利用兩爐次之間的時(shí)間間隙（如更換渣罐）和較大留鋼量操作，對系統(tǒng)殘?jiān)蠪eO進(jìn)一步還原的好處；總之，通過回收小顆粒DRI、優(yōu)化噴吹工藝、出鋼后對殘?jiān)蠪eO進(jìn)一步還原等措施的聯(lián)合使用，對提高電弧爐產(chǎn)量具有巨大潛力。
為了避免DRI球團(tuán)在電弧爐中出現(xiàn)破裂，開始研究和探討DRI球團(tuán)在還原期間球團(tuán)強(qiáng)度與使球團(tuán)具有良好還原能力所需要的孔隙率之間的平衡問題。球團(tuán)孔隙率由上游工序礦石品位的選擇以及球團(tuán)的生產(chǎn)工藝所決定。這些現(xiàn)象非常復(fù)雜，因此，決定對其進(jìn)行優(yōu)化。不過不打算犧牲金屬化率在抗壓強(qiáng)度和孔隙率之間做任何妥協(xié)。取而代之的是采用回收工藝，雖然會增加一些成本，比如壓塊成本，不過產(chǎn)量大幅提高，能夠彌補(bǔ)成本增加的不足。
影響電弧爐產(chǎn)量的主要因素是渣量過大，這是與出鋼時(shí)金屬中熱力學(xué)碳水平引起的FeO含量有關(guān)。熱力學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為，產(chǎn)量低是系統(tǒng)中氧氣與碳不平衡所造成的結(jié)果。這是因?yàn)殡娀t不像轉(zhuǎn)爐那樣混合充分。因?yàn)闋t渣與金屬沒有充分混合，相對于金屬來說，爐渣可能被過度氧化，不過出鋼金屬保持了目標(biāo)氧含量?？紤]到上述現(xiàn)象，研究重點(diǎn)應(yīng)該放在噴吹工藝上，因?yàn)槠渲腥魏我粋€(gè)因素都有可能產(chǎn)生過量的FeO。
1熔煉期間的產(chǎn)量損失
電弧爐中的碳與氧平衡非常重要。在給定渣堿度和溫度時(shí)，從FeO-O-C的熱動力學(xué)平衡計(jì)算可以看出，含有FeO的爐渣，在系統(tǒng)完全平衡情況下，F(xiàn)eO含量由目標(biāo)氧含量決定。如爐渣中CaO/ SiO2取值1.5，1600℃，目標(biāo)氧含量1300ppm，則渣中FeO含量約為20%。在一爐鋼生產(chǎn)開始時(shí)，留鋼殘?jiān)械腇eO含量約為26%。與平衡值約差6%，結(jié)果在預(yù)冶煉階段需要加入焦炭。給定合理的最大留鋼量，假如為50000kg/爐，其中40%為爐渣，則在下一爐冶煉開始爐中，大約有5200kgFeO。因?yàn)镕eO平衡值約為20%，每一爐生產(chǎn)開始的FeO與平衡值約差6%，則最大的產(chǎn)量差別為0.4%。
每個(gè)爐次中隨著DRI和保護(hù)渣的加入，爐渣體積增加。如果DRI中酸性脈石（Al2O3 + SiO2）含量特別高，渣量會高達(dá)300-400kg/t，或者是66000-88000kg/爐。在每個(gè)爐次生產(chǎn)結(jié)束時(shí)，渣中FeO含量能達(dá)到35%，這說明與FeO平衡值的差值更大約為15%。取爐渣量為350kg/t，與平衡狀態(tài)相比，產(chǎn)量差值最大可達(dá)4%。
從每一爐次生產(chǎn)開始到結(jié)束，存在的產(chǎn)出潛在差值，說明每個(gè)爐次冶煉期間產(chǎn)出都會有巨大損失。這不僅是由于渣中FeO含量增加，也是因?yàn)槊繝t次冶煉期間，產(chǎn)生了大量的爐渣。顯然，預(yù)冶煉階段產(chǎn)量有很大的提高空間，但在冶煉期間的第一個(gè)位置就防止渣中的FeO含量增加，投資回報(bào)率會更高。在爐渣體積特別高的情況下，這一效果更加明顯。
2電弧爐冶煉期間FeO超高水平及其動力學(xué)原理
以前曾研究過電弧爐全裝DRI時(shí)產(chǎn)生過量FeO的重要機(jī)制，即脫碳期間熔池中碳傳質(zhì)速率的作用。不僅包括傳質(zhì)系數(shù)，還包括碳在熔池中熔解的驅(qū)動力與平衡水平的關(guān)系。與噴吹速率相比，碳傳質(zhì)基本上是受限制的，吹入的氧在氧化鐵中找到位置被其所代替。在接近生產(chǎn)終點(diǎn)時(shí)，這一現(xiàn)象尤其重要。爐中碳達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，碳傳質(zhì)的驅(qū)動力也處于最低點(diǎn)。這樣很容易產(chǎn)生過吹，通過這個(gè)機(jī)制產(chǎn)生過高的FeO含量。
但是這個(gè)相同機(jī)制也可以在每爐次生產(chǎn)早期發(fā)生，也可能是由于較低的熔解速率和較低溫度下的碳傳遞。在每爐次生產(chǎn)早期，熔池溫度是最低的，這也許使鎖在DRI中的碳進(jìn)入熔池受到限制，導(dǎo)致碳擴(kuò)散的驅(qū)動力較低。在生產(chǎn)早期，如果DRI反應(yīng)不活潑、混合不充分，則傳質(zhì)系數(shù)也比較小。這說明完整動力學(xué)圖非常復(fù)雜，界面面積、反應(yīng)速度系數(shù)以及其他的驅(qū)動力的影響也可以考慮進(jìn)來，但此處沒有一個(gè)機(jī)制是混合控制。
如果在生產(chǎn)早期控制脫碳速度，那么如果噴吹開始過早，速度又非常高，結(jié)果就會產(chǎn)生過量的FeO。因此研究認(rèn)為，這是在此階段優(yōu)化噴吹有利于生產(chǎn)的基本原理，也能夠解釋本研究所得到的結(jié)果。在大量工業(yè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，噴吹推遲8-10min，在此期間噴吹器作為燒嘴使用。
3在預(yù)熔煉階段殘留FeO的還原優(yōu)化
開發(fā)了可通過兩個(gè)爐次的間隙時(shí)間和較大的留鋼量操作來提高收得率的生產(chǎn)工藝。這個(gè)間隙時(shí)間是必須倒空渣罐所產(chǎn)生的，因?yàn)镈RI中脈石含量高，導(dǎo)致渣量過多。估計(jì)上一爐留鋼中的40%是含F(xiàn)eO的殘?jiān)?。因?yàn)樵趦蓚€(gè)爐次之間時(shí)熔池液面最低，由于出渣量少，鐵損失就少，渣中含有FeO，也是因?yàn)椴粔驑?biāo)準(zhǔn)尺寸的DRI鐵粉浮在渣中所致。
在預(yù)熔煉階段用DRI粉壓制的1000kg焦炭壓塊，以及DRI球團(tuán)作為添加劑加入爐中，在裝爐前對DRI粉進(jìn)行篩分。向留鋼中加入的添加劑如圖1所示。
通過大量試驗(yàn)研究了不同參數(shù)的作用，這些參數(shù)包括加入的碳量及其特性，加入DRI的量及其含碳量以及在這個(gè)階段的有效駐留時(shí)間，以及來自上一爐的FeO含量。焦炭和無煙煤作為含碳材料使用。研究發(fā)現(xiàn)在此階段，較高的固定碳量能夠加快并促進(jìn)FeO的還原。
與焦炭一起加入的DRI及其駐留時(shí)間是最重要的工藝變量，DRI必須與焦炭一起加入，最初是為了將比重較輕的片狀焦炭帶入到留鋼中，很快DRI發(fā)生反應(yīng)起到攪拌作用。焦炭加入量對FeO還原的作用總體溫合，但對在此階段的駐留時(shí)間有較大影響。
添加劑加入量的多少與上一爐留鋼中FeO含量有關(guān)，但是由于渣中FeO含量過高，需要加入大量焦炭和DRI，熔池溫度下降過多，一般會使此階段的還原動力學(xué)受抑制。焦炭加入量為1000kg時(shí)效果最好。開爐時(shí)渣中FeO含量約為32%。在預(yù)熔煉階段FeO降至約為26%，對于50000kg/爐（其中40%為爐渣）的留鋼量來說，這一下降說明有0.64%的產(chǎn)量空間節(jié)省出來。
在此階段加入焦炭添加劑的第二個(gè)好處是FeO被還原后爐渣泡沫化。如果一直延長到生產(chǎn)開始，任何泡沫都能在開始起弧就可以保護(hù)爐襯。研究發(fā)現(xiàn)，焦炭最優(yōu)化尺寸為2mm小塊。由于留鋼爐渣中SiO2含量很高（即直到生產(chǎn)開始都沒有加入保護(hù)渣），還原速度受到影響，因?yàn)楣杈哂斜砻婊钚浴２贿^，這一現(xiàn)象有利于延長還原反應(yīng)，雖然反應(yīng)速度較低，但是造泡沫渣效果仍然很好。
鐵礦石中脈石含量較高（>6.5%），若使金屬收得率保持在可接受范圍內(nèi)，所面臨的一個(gè)很重要的不利條件是酸性混合物（SiO2 + Al2O3 > 5.0%）過高。硅是煉鋼爐渣中表面活性氧化物，這一性能的物理意義是指此氧化物濃度從渣中向渣-氣界面轉(zhuǎn)移。當(dāng)渣的酸性提高，硅對氣-渣界面吸收程度加強(qiáng)，表現(xiàn)為使渣中FeO還原的界面面積更少。
4試驗(yàn)結(jié)果
圖2和圖3為最終取得的渣中FeO含量的改善結(jié)果和開爐時(shí)目標(biāo)氧含量。最初目標(biāo)是將FeO含量降至33%，實(shí)際獲得結(jié)果見圖2，F(xiàn)eO平均值為30.6%，改善凈差值為2.4%。
熔化后鋼中氧含量下降改善也取得相同的效果，初始目標(biāo)是氧含量低于900ppm以下，實(shí)際獲得氧含量平均值是862ppm以下（見圖3），這說明氧含量凈改善值是38ppm。
另外，上述期間內(nèi)在電弧爐內(nèi)也使用了更高質(zhì)量的DRI，即金屬化率和含碳量都較高的DRI。
5結(jié)論
1）在全裝DRI的電弧爐中，嚴(yán)格控制氧槍能夠防止鐵收得率損失，在每爐次生產(chǎn)早期就開始控制非常重要。另外，在兩爐鋼生產(chǎn)之間留鋼殘?jiān)蠪eO的還原對提高產(chǎn)量作用很大。
2）研究發(fā)現(xiàn)噴吹開始時(shí)間推遲8-10min能夠提高產(chǎn)量，這是由于生產(chǎn)早期增碳不足所致。這種情況下，氧槍吹出來的氧在氧化鐵中找到位置，因而不再進(jìn)行脫碳。
3）熔煉開始時(shí)，強(qiáng)制加入焦炭添加劑，能夠降低FeO含量水平，并向熔池中提供重要的碳元素，最終產(chǎn)生腐蝕性更小的爐渣。
4）在每一爐次生產(chǎn)結(jié)束，即在開爐前，必須嚴(yán)格控制氧槍噴吹，避免爐渣過氧化，這與碳對氧的傳質(zhì)有關(guān)，因?yàn)樵诖穗A段，擴(kuò)散驅(qū)動力比較低，碳含量也較低，因此在生產(chǎn)結(jié)束時(shí)要增碳。
5）所使用的DRI中C含量（2.4%-2.8%）的控制和金屬化（94%）程度對降低電弧爐渣中FeO含量水平也很重要。
在熔煉期間，除了避免鐵的過氧化之外，兩爐鋼生產(chǎn)的間隙時(shí)間和相對大的留鋼量操作，能夠進(jìn)一步平衡加入焦炭和DRI的殘?jiān)蠪eO的還原。這種方法不僅有利于鐵的總收得率提高，而且也有利于產(chǎn)生泡沫渣并一直持續(xù)到早期的起弧階段。因此，在每爐鋼生產(chǎn)早期，即起到保護(hù)爐襯的作用。此階段FeO還原優(yōu)化的重要工藝參數(shù)是增加焦炭和DRI的駐留時(shí)間。
