1、直接還原鐵在電弧爐煉鋼中的應(yīng)用史占彪芮樹森(東北大學(xué),沈陽110006摘要對(duì)直接還原鐵(DRI 性能及其在電弧爐冶煉的特性作了較全面的論述。了解和掌握其特性是發(fā)揮其優(yōu)越性的關(guān)鍵,是發(fā)展特殊鋼和純凈鋼的重要途徑。關(guān)鍵詞直接還原鐵(DRI 電弧爐冶煉應(yīng)用Application of Direct R eduction Iron for Steelm aking in EAFShi Zhanbiao and Rui Shusen(N ortheastern University ,Shenyang 110006Abstract The characteristics and the smelting

2、 functions of direct reduction iron (DRI in E AF have been comprehensively reviewed and discussed in this paper.T o be familiar with and master the DRI characteristics is the key to exploit its ad 2vantage ,and is the important channel to develop the special steel and clean steel.Material I ndex Dir

3、ect Reduction Iron (DRI ,E AF ,Smelting ,Application如何應(yīng)用DRI 并發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),是當(dāng)前電弧爐煉鋼中的重要課題。為此應(yīng)根據(jù)DRI 的特性,在電弧爐冶煉中制定正確的冶煉工藝制度,才能使DRI 優(yōu)越性得以充分有效的發(fā)揮。1DRI 特性1.1DRI 化學(xué)性質(zhì)全鐵含量是DRI 的主要質(zhì)量指標(biāo),關(guān)系到鐵收得率的高低。礦石中的脈石大多呈酸性,直接還原時(shí)全部轉(zhuǎn)入DRI ,煉鋼時(shí)變?yōu)闋t渣,直接影響到電弧爐煉鋼的生產(chǎn)效率及電耗和各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。因此,生產(chǎn)DRI 應(yīng)當(dāng)選用鐵品位高、脈石量少的鐵礦(或精礦。一般選用的鐵礦品位應(yīng)大于67%,酸性脈石(SiO 2+A

4、l 2O 3量低于6%。金屬化率是指DRI 中金屬鐵量與全鐵量的比,表示DRI 的還原程度,它取決于采用的還原工藝制度。回轉(zhuǎn)窯法和豎爐法產(chǎn)品比較均勻,有較高的金屬化率,一般為90%95%;隧道窯法產(chǎn)品通常為88%93%。冶煉試驗(yàn)表明,DRI 含少量氧(0.8%1.6%,在煉鋼過程中與碳反應(yīng)形成碳沸騰,有利于爐料熔化和鋼水成分均勻化,縮短精煉時(shí)間。因此,在配料時(shí),應(yīng)當(dāng)調(diào)整好碳與剩余氧的化學(xué)計(jì)量平衡,以便在煉鋼時(shí)進(jìn)一步還原而不影響鋼水的碳量。當(dāng)DRI 含碳量在0.7%2.5%時(shí),相應(yīng)DRI 的金屬化率控制在88%93%;如DRI 含碳量低,則其金屬化率應(yīng)當(dāng)高些。氣體豎爐還原法可將DRI 碳含量調(diào)整

5、在一定范圍內(nèi),達(dá)到0.7%2.2%;回轉(zhuǎn)窯和隧道窯產(chǎn)品含碳量較低(0.3%。DRI 中Cu 、Zn 、Pb 、Sn 、Sb 、As 、Cr 、Ni 、M o 等元素的含量一般很少,煉鋼時(shí)配加DRI 取代廢鋼,可有效起到稀釋鋼水殘余元素的作用,是冶煉優(yōu)質(zhì)純凈鋼不可少的原料。DRI 中能見到的雜質(zhì)還有堿性氧化物(Na 2O +K 2O 與T iO 2,一般(Na 2O +K 2O 0.1%,T iO 20.1%,不會(huì)影響鋼質(zhì)量。鐵礦石含硫要低,特別是還原煤的硫含量要低,否則應(yīng)采取脫硫措施,保證DRI 的硫含量低于0.05%,最好是低于0.02%。礦石的磷在直接還原過程中不能去除,因此必須注意對(duì)礦石

6、含磷量的選擇。正常情況下,DRI 含磷量為0.01%0.035%。1.2DRI 物理性質(zhì)回轉(zhuǎn)窯,豎爐和底轉(zhuǎn)爐以塊礦和球團(tuán)礦為原6第21卷第3期特殊鋼V ol.21.N o.32000年6月SPECI A L STEE L June 2000料,DRI塊度通常為320mm。氣孔率約為45% 70%、堆密度約為1.62.1tm3、表觀密度約為2.73.8gcm3;有些工藝將細(xì)粉或全部產(chǎn)品采用冷壓或熱壓方法制成壓塊,壓塊形狀一般為枕狀或橢球狀,最大尺寸限度 40%,應(yīng)采用連續(xù)加入。連續(xù)加料是在爐內(nèi)已形成液態(tài)金屬熔池后,以確定的速度將DRI(或H BI加入到強(qiáng)烈攪拌被渣覆蓋的鋼水熔池里。最初的液態(tài)熔池

7、可由廢鋼和DRI熔化形成(或留存前爐的部分鋼水,當(dāng)鋼水熔池達(dá)到1560后,可在最大電功率下,連續(xù)加入DRI。為維持熔池內(nèi)鋼水的正常沸騰和形成適宜爐渣堿度,應(yīng)當(dāng)及時(shí)作好配碳和連續(xù)補(bǔ)加石灰,以便在DRI熔化同時(shí),控制氧化精煉和鋼水升溫,由熔化直接轉(zhuǎn)入精煉,以求最佳供電效率和高生產(chǎn)率。2.3堿度電爐用DRI煉鋼時(shí),通常堿度(CaOSiO2可降低為1.82.2。DRI含酸性脈石(SiO2+Al2O3較多,會(huì)嚴(yán)重侵蝕爐襯,特別是渣線部位,因此加DRI冶煉時(shí)及早造渣極為重要。通常DRI中不含MgO,渣對(duì)MgO有飽和傾向,加入足量的白云石,可以防止浸蝕渣線。研究表明,DRI冶煉的適宜爐渣堿度為2,10%25

8、%FeO和含MgO12%(或更高些,保持渣中MgOCaO比在0.30.4之間。渣中FeO含量通常由熔池中碳含量所決定。2.4溫度控制連續(xù)裝料和控制DRI裝料速率大大簡(jiǎn)化了熔池溫度的調(diào)節(jié)。為保持良好的熔化速度和爐渣流動(dòng)性,熔池溫度應(yīng)在15501630間。一旦廢鋼完全熔化,DRI的裝入量應(yīng)控制在2833 kg(minMW之間。冶煉低碳鋼時(shí),在出鋼前應(yīng)達(dá)到較高溫度,適當(dāng)降低DRI裝料速度,維護(hù)高的熔池溫度便于脫氧劑的加入。2.5金屬化率和碳控制DRI金屬化率是另一重要特性,關(guān)系著DRI 中殘留FeO還原需要的能量和碳的控制,也就是在熔化期,氧化熔煉的同時(shí)進(jìn)行著鋼的精煉,整個(gè)熔化過程始終保持著活躍的碳

9、沸騰。如DRI金屬化率在92%左右,DRI含有約2%的氧,DRI含碳很低,為保證DRI的正常熔煉,必須向爐料補(bǔ)充足夠碳量,使熔池鋼水達(dá)到確定的碳量,以滿足DRI 內(nèi)鐵氧化物還原和保證鋼水目標(biāo)碳量的要求。2.6冶煉時(shí)間36DRI冶煉,脈石造渣量較大,但帶入的夾雜元素及有害元素少、成分穩(wěn)定,又有利于縮短冶煉時(shí)間。中原鋼廠認(rèn)為,按廢鋼工藝操作,配加DRI冶煉試驗(yàn)表明,隨著DRI用量增加,熔煉時(shí)間增長(zhǎng),超過20%時(shí)為甚;當(dāng)采用熔氧結(jié)合冶煉,配碳量合適,同時(shí)加強(qiáng)脫磷,隨DRI用量增加(30% 38%,還縮短了冶煉時(shí)間。撫順特鋼認(rèn)為,目前廢鋼質(zhì)量下降,輕薄料比例過多,使用DRI能使裝料密度增加,次數(shù)減少,

10、熔化速度加快,冶煉時(shí)間縮短,冶煉能耗降低。天津鋼管公司冶煉表明,冶煉時(shí)間隨DRI加入量的增加呈曲線變化,DRI 20%時(shí),DRI增加,冶煉時(shí)間縮短;DRI為50%時(shí)冶煉時(shí)間最低,平均冶煉時(shí)間為122min,比全廢鋼平均冶煉時(shí)間縮短了13min。其原因是泡沫渣操作,電能利用提高,減少了裝料次數(shù),縮短了總7第3期史占彪芮樹森:直接還原鐵在電弧爐煉鋼中的應(yīng)用裝料時(shí)間;DRI大于50%后又有所增加。2.7電耗37加熱和熔化DRI所需用的能量要高于廢鋼,主要取決于下列因素:(1脈石量和堿度;(2金屬化程度,即DRI內(nèi)殘存鐵氧化物量和含碳量,以及渣中FeO量;(3全鐵含量和金屬鐵含量。加熱和熔化1t渣到1

11、600需要530kWh電能;還原1t FeO為Fe需要1100kWh電能,并加熱熔化1t鐵需1600kWh電能,實(shí)際能耗是理論能耗的1.21.3倍。中原鋼廠實(shí)踐得出,用量在20%以下,與全廢鋼冶煉相比電耗稍有增加(3%以下:在用量為25%38%時(shí)電耗增加5%10%;天津鋼管公司認(rèn)為使用DRI會(huì)使冶煉電耗增加,主要取決于DRI的使用量、金屬化率和脈石量。當(dāng)脈石量低、金屬化率高時(shí),生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)表明:每爐DRI的加入量從20t增加到50t,電耗不但沒有增加,反而稍有下降(由502kWht降為495kWht;當(dāng)使用量多于30%后,盡管是埋弧操作能提高電能利用,但由于DRI帶入的脈石導(dǎo)致渣量的增加,熱耗大,

12、冶煉電耗增加;100%DRI冶煉表明,平均噸鋼電耗比廢鋼冶煉高出3040kWh;萊蕪特鋼和撫順特鋼使用高金屬化率DRI煉鋼取得了比廢鋼冶煉節(jié)省電耗的好效果。墨西哥Hylsa公司采用DRI650熱裝,電耗大大降低,當(dāng)加入70%DRI時(shí),可節(jié)電112kWht,縮短冶煉時(shí)間20min。2.8鐵收得率3,4,6,7目前使用的DRI質(zhì)量差異很大,各廠也都在試用期,因此試驗(yàn)結(jié)果差異也大。中原鋼廠配用25%DRI時(shí),鐵收得率為78%82%;撫順特鋼在50t電爐采用批裝,球團(tuán)狀DRI的收得率統(tǒng)計(jì)為78%;在采用留鋼作業(yè)和噴入碳粉還原FeO等技術(shù)配合下,鐵收得率可提高到85%;天津鋼管公司得出:采用全廢鋼冶煉時(shí)

13、鋼水收得率為88% 90%,配用DRI冶煉時(shí),隨DRI的加入比例及其脈石含量、全鐵量、金屬化率等因素對(duì)鋼水收得率有不同程度的影響。當(dāng)使用秘魯球團(tuán)生產(chǎn)的DRI由0增到50t爐時(shí),收得率基本沒變化,而使用南非礦生產(chǎn)的DRI由0增到50%時(shí),由于脈石量增多,鋼水收得率從90%降至88%;萊蕪特鋼使用高品位高金屬化率DRI煉鋼,則取得了88.2% 93.3%的高收得率。2.9電極和耐火材料采用批裝DRI時(shí),與廢鋼相比電耗增加約10%20%,由此會(huì)增加電極磨損量0.20.35 kgt。但由于熔化速度快,減少裝料次數(shù),形成良好的泡沫渣作業(yè),大大減少電極受到強(qiáng)烈氧化氣氛和熱應(yīng)力的作用,輸入功率比較均勻和減少

14、塌料引起的機(jī)械折損。通常,DRI冶煉時(shí)電極消耗會(huì)稍低于廢鋼冶煉。采用連續(xù)加入DRI,用量從0%50%,電極消耗基本不變,如使用比例繼續(xù)增加,每爐通電時(shí)間會(huì)延長(zhǎng),但由于輸電均衡穩(wěn)定,減少了塌料等原因引起的電極折斷事故。3DRI對(duì)鋼性質(zhì)的影響1,3,8,9因DRI不含殘存元素,用DRI為原料,可生產(chǎn)出不含殘余元素的鋼。即使配加部分DRI料也能明顯地使鋼中殘余物降低到要求水平。隨著DRI 加入量的增加,鋼水中的Ni、Cr、Cu和M o會(huì)呈線性遞減;鋼水中Pb、Sn元素因?yàn)槿埸c(diǎn)較低,表現(xiàn)為早期遞減率較高。表1為不同DRI加入量對(duì)鋼中Cu、Ni、Cr、N含量的影響。表1DRI配比對(duì)鋼中殘余元素和氮含量的

15、影響%T able1E ffect of DRI ch arging ratio on residu al element and nitrogen content in steel%配比類別Cu Ni Cr N 電爐鋼100%廢鋼0.200.070.080.0070 40%廢鋼+60%DRI0.100.050.050.0050 100%DRI0.020.020.020.0015平爐鋼0.040.020.020.0030表2中原鋼廠DRI配比對(duì)鋼水中Cu含量的影響T able2E ffect of DRI ch arging ratio on copper content in steel a

16、t Zhongyu an steel WorksDRI%爐次Cu%0500.112202870.0885333850.075中原鋼廠冶煉45鋼時(shí),加入不同比例DRI后的鋼水Cu含量變化如表2所示。DRI含S、P低,鋼水中P、S也隨DRI的加入呈線性遞減現(xiàn)象,減輕了冶煉脫除S和P的任務(wù)。減少了S的偏析,熱脆現(xiàn)象明顯減少,可加大軋制壓縮比,提高鋼的收得率。如DRI中含P高于廢8特殊鋼第21卷鋼,則會(huì)有增P現(xiàn)象。隨著DRI加入量增加氮含量明顯降低。一方面是FeO還原反應(yīng)會(huì)引起熔池的連續(xù)沸騰,鋼液保持良好的脫氣狀態(tài),逸出C O氣泡攜帶排除鋼水的氫和氮;另一方面良好的泡沫渣埋弧作業(yè),明顯降低了電弧下空氣

17、電離而產(chǎn)生的氮的吸入傾向,因此使用DRI是降低鋼中氫和氮的一項(xiàng)有效技術(shù)措施。DRI加入量對(duì)氧含量沒有明顯影響,因?yàn)槊撗踝鳂I(yè)是在鋼包中進(jìn)行的。表3給出日本某廠廢鋼與DRI冶煉鋼中殘余元素與氮含量影響。表3爐料為100%廢鋼和100%DRI時(shí)鋼中殘余元素和氮含量% T able3R esidu al element and nitrogen content in steel melting with100%scrap and100%DRI ch arging%類別C Mn S P Cu Ni Cr M o N100%廢鋼0.080.350.0300.0800.020.070.090.030.006

18、7 100%DRI0.070.0350.0110.0000.000.000.010.000.0012表4、表5所示為DOSC O公司使用DRI和廢鋼對(duì)電爐鋼化學(xué)成分和性能的影響。由于殘余元素和氮含量低,鋼中夾雜物量明顯降低,從而提高了鋼的熱軋和冷軋性能,特別是拉伸性能;低的硫含量明顯降低了鋼中硫量,對(duì)合金結(jié)構(gòu)鋼,硫夾雜物的形態(tài)可以得到控制,提高了鋼質(zhì)量,改變了高碳鋼線材的抗張和抗扭性能。表4DOSCO公司使用DRI對(duì)電爐鋼化學(xué)成分的影響%T able4E ffect of DRI ch arging on chemical compositions ofEAF steel at DOSCO%類

19、別Cu Ni Cr N100%精廢鋼0.200.070.080.007060%DRI+40%廢鋼0.100.050.050.0060100%DRI0.020.020.020.0020轉(zhuǎn)爐鋼0.030.020.020.0025表5DOSCO公司使用DRI對(duì)電爐鋼性能的影響T able5E ffect of DRI ch arging on properties of EAF steelat DOSCO類別SMPabMPa%加工硬化率n異向性r晶粒徑m60%DRI+40%廢鋼210340380.20 1.28.5 100%DRI185315420.22 1.77.54結(jié)論(1發(fā)展電爐鋼生產(chǎn)將是今后鋼鐵工業(yè)的重要方向,如何進(jìn)一步提高電爐鋼質(zhì)量,開發(fā)新品種已成為我國(guó)冶金工作者的主要課題。(2還原鐵成分穩(wěn)定,殘余元素和有害元素少是理想的電弧爐優(yōu)質(zhì)爐料,加快發(fā)展直接還原(DR工業(yè),加快推廣直接還原鐵的應(yīng)用,是當(dāng)前我國(guó)鋼鐵工業(yè)的主要課題之一。(3優(yōu)質(zhì)廢鋼短缺,爐料中配加DRI會(huì)明顯降低夾雜元素和有害元素含量,使鋼中非金屬夾雜物減少、細(xì)化且分布均勻,大大改善了鋼的各種性能,成為當(dāng)前冶煉優(yōu)質(zhì)鋼的理想原料,也是提高鋼質(zhì)量重要途徑之一。參考