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2023

直接还原铁在电弧炉热点中的情况（1）

关键词:

直接还原铁,海绵铁,DRI,sponge iron,电弧炉,EAF

来源：公司内部

1. 简介
2021年电弧炉（EAF）生产粗钢超过5亿吨。尽管废钢是主要的铁载体，但电弧炉也是适合加工直接还原铁 (DRI) 或热压块铁 (HBI) 的设备。这种直接还原反应堆（DR）和电弧炉的组合可以是墨西哥、沙特阿拉伯和阿拉伯联合酋长国等天然气丰富国家的主要矿石炼钢战略。2021 年 119 吨 DRI 产量仅占全球钢铁生产黑色金属原料总量的一小部分。然而，由于欧盟的气候目标，这项技术在未来可能会变得更加重要。因此，海绵铁的加工行为也备受关注。

过去许多作者研究了 DRI 的熔化行为。从单个球团的角度来看，必须区分在钢水、铁水和炉渣中的溶解情况。 González等人用数学的方式描述了与铁水接触的球团上固体表面层的初始形成。该层将颗粒直径从 12 毫米增加到 18 毫米，大约 6 秒后开始软化。根据所考虑的 EAF 弧长，计算出的直径在 13 至 17 秒后达到 0 毫米。熔化速率主要取决于初始颗粒直径。 Pineda-Martínez等人的研究结果与非反应性炉渣接触的结果类似。然而，由于传热较低，与液态钢相比，熔化时间大大增加。除了颗粒尺寸之外，熔池搅拌也是一个决定性因素，因为强制对流极大地增加热传递。 Ramirez-Argaez等人进一步利用CFD建模研究了多相渣-钢-直接还原铁体系，得到了相似的结果。 Pfeiffer等人通过实验证实了这一趋势。他们将 DRI 和 HBI 的单个样品浸入液池中，并在预定时间后淬火。无碳 DRI 最初会从钢和炉渣中获得固体层。然而，DRI 碳含量越高，球团在钢中液化的速度就越快。然而，即使是高度渗碳的海绵铁，在浸泡三秒后仍会在炉渣中保持固态。作者使用普朗特数分析解释了这种差异，在矿渣情况下普朗特数增加了大约 1000 倍。即使熔化温度低于铁的液相温度，浸入饱和热金属中的样品熔化得更快。碳从液态到固态的扩散解释了这一点。 Penz等人研究了碱性氧气转炉（BOF）条件下废钢熔化的这种现象。在形成初始固体壳后，只要液相温度低于熔点，碳就会扩散。一旦发生这种情况，融化就会进行。

DRI 通常通过 EAF 盖上的第五个孔连续进料。为了获得稳定的平熔池操作，基于 DRI 的 EAF 采用高达 30% 的留钢。该操作的特点是电弧模式短且稳定，熔池液位平稳增加。理想的进料点位于热点，即三个 AC-EAF 电极的中心。根据 DRI 温度和熔化能力，进料速率受到限制，以避免形成所谓的“冰山”或“铁山”。典型值范围从冷 DRI 的 34 kg/(min·MW) 到热 DRI 的 55 kg/(min·MW) 。因此，热 DRI 进料不仅利于能源消耗，在装料率方面也有利。因此，可以预见冶炼时间会缩短。

近年来，以电炉炼钢为重点进行了大量的研究。在这种情况下，对于未来优化CO2中性炼钢的EAF工艺而言，最重要的是炉渣操作、工艺建模以及替代碳源的应用。炉渣操作从多个方面定义了工艺顺序。一方面，炉渣泡沫覆盖电弧，避免了辐射损失。此外，因为它的 FeO 含量高，它还决定了金属铁的产量，有害元素（例如磷）的分配以及耐火材料的寿命。使用生物质基碳载体几乎完全减少了化石基碳的排放，因为电弧炉依靠最少量的碳来进行炉渣发泡操作。最后，工艺模拟和建模提高了工艺效率。人们对 EAF 及其质量和能量平衡的模拟能力越强，可以节省的能源和输入材料（例如造渣氧化物）就越多。

然而，目前在这两个方面的数据仍然很少。首先是基于氢的DRI的应用。由于这种海绵铁不含碳，其液相线温度明显高于传统的液相线温度。这种差异可能会导致 EAF 熔化步骤中出现不同的情况。二是直接观察 EAF 中的进料。本文旨在对上述两方面进行更深一步的研究，并分析 DRI 在电弧中的情况。除了氢基无碳材料之外，还测试了渗碳样品和连续炉渣进料。这些观察结果有利于进一步理解熔化过程，也可用于解释最佳 DRI 装料策略，对于粗钢的质量也提供了一个想法。

2. 材料和方法
表1列出了所应用的铁矿石及其成分。实验 0、1 和 2 中使用了 DR 级球团；实验3使用了与测试流化床还原的 DRI 细粉类似的细矿。为了使矿渣实验4的结果更清晰，测试了脉石含量较高的BF级球团。

表 1. 矿石成分（wt.-%）

	2 Fetot	Fe2+	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	TiO2	MnO	尺寸/mm	实验编号
DR-球团	67.5	0.19	1.94	0.32	0.87	0.35	0.06	0.21	10–12.5	0, 1, 2
BF-球团	64.8	0.42	5.79	0.47	0.48	0.6	0.06	0.04	12.5–16	4
精细原料	66.8	6.19							D50 = 0.1	-
细氧化 1	66.4	1.87							D50 = 0.1	3
1 通过质量平衡测定氧化粉矿的成分； 2 Fetot—含铁总量

颗粒样品在立式还原炉 (VRF) 中使用直径为 75 mm 的蒸馏器进行还原。这是一个标准聚合体，例如用于执行 ISO11258 等标准测试。蒸馏器固定在秤上，可以监测测试过程中的重量损失。还原气体在炉室内预热；它从底部进入蒸馏器并通过顶部进入废气管道。热电偶测量颗粒负载中心的温度。装入约500g颗粒。在氮气吹扫下加热至 900°C 后，施加 25 NL/min 的纯 H2。一旦质量损失达到所需的金属化程度（MD），就停止测试，并将材料在氮气气氛下冷却。制备了三个颗粒样品：两个 DR 颗粒，MD降低至 90% 和 94%；一个 BF 颗粒的MD降低至 90% 。在同一蒸馏器中，高度还原的 DR 级 DRI 随后在 8 NL/min CH4 和 800 °C 下进行渗碳。根据质量平衡，含碳2.1%；由于初始还原度高，可以确定该推论很合理。

粉矿在热处理炉的700℃下预氧化8小时。预还原步骤是必不可少的，因为赤铁矿在还原性和流化行为方面是有利的。样品在 68 mm 流化床反应器中还原。该反应器使用与75mm干馏炉相同的炉子； Spreitzer 和 Schenk 详细描述了它的特性和尺寸 [33]。使用 6 NL/min N2 和 15 NL/min H2 进行还原，无需在还原室中施加额外压力。使用孔径为 0.4 mm的网格，这对于此类细粒铁矿石来说是最理想的。通过质量平衡计算确定最终MD约为89.4%。

熔化测试在奥地利 Montanuniversit?t Leoben 黑色冶金中心的氢等离子体熔炼还原 (HPSR) 反应器中进行，其布局如图 1 所示。这种聚合在 [35,36] 中进行了广泛描述，通常应用于直接熔融还原试验，该方法本身已经很成熟。关于氢还原，在过去已经有过许多研究。对电弧的稳定性、电极形状和矿石预还原度进行了优化。如果像本实验一样在惰性气氛中运行，则可以将其视为带有石墨电极的直流实验室规模电弧炉。电极直径为26mm，尖端为10mm，轴向开口为5mm，通过该开口供应氮气。

图 1. HPSR 炉布局示意图

将样品分批装入钢坩埚中，Ernst 等人总结了其精确尺寸。所有实验均以 2 NL/min 氮气吹扫进行。表 2 总结了所有进行的实验。实验 0 是一个方法实验，没有进一步评估。在实验4中，通过中空电极连续供给14.0g CaO和3.1g MgO。使用来自德国卡尔斯鲁厄 Carl Roth GmbH + Co. KG 的纯度为 95% 和 99% 的技术纯氧化物。最初，变压器电流设置为 100 A。在测试过程中，根据变压器温度和电压逐步减小电流。为此，采用了可控硅整流器（SCR）。在实验4的最后大约2.5分钟，功率输入最大化以加强炉渣-金属搅拌。

表 2. 实验列表

实验	气体	吨/分钟	样品	质量/g	注释
0	2 NL/min N2	15	1	49.7	预测试
1		15	1	101.6	0%C DR-等级-DRI
2		15	2	101.7	2.1%C DR-等级-DRI
3		15	3	100.4	0%C 精细-DRI
4		23	4	100.1	0%C BF-等级-DRI + 连续供给造渣氧化物

实验以多种方式进行评估。 HPSR 反应器配有 AXIS-Q1775 摄像系统（Axis Communications AB，瑞典隆德）和 GAM 200 质谱仪（Pfeiffer Vacuum Technologies AG，A?lar，德国），可以监控电弧以及废气的情况，并记录电压和电流值。

使用配备 Sigma Contemporary 30 mm 镜头（日本川崎 Sigma Corporation）的 Sony Alpha 6000 DSLM 相机（日本东京索尼集团公司）对坩埚进行目视检查。然后，对坩埚进行嵌入、切割，并对横截面进行金相分析。图 2 详细介绍了切割方案。使用 1% 的硝酸溶液进行蚀刻，以突出坩埚和样品之间的过渡。我们在 6 到 10 秒之间反复调整时间。

图 2. 金相样品的位置

使用 Keyence VHX 7000 数字显微镜（Keyence Corporation，大阪，日本）对显微切片进行研究。通过 SEM-EDX Fei Quanta 200Mk2（FEI Company，Hillsboro，OR，USA）对煤矸石层进行化学分析。从两个坩埚中提取了少量样品，实验 2 使用碳质 DRI，实验 3 使用 DRI 细粉，用 LECO 分析碳含量。实验 3 可被认为是无碳 DRI 测试的代表。

Pfeiffer, A., Ernst, D., Zheng, H., Wimmer, G., & Schenk, J. The Behavior of Direct Reduced Iron in the Electric Arc Furnace Hotspot. Metals, 13(5), 978. https://doi.org/10.3390/met13050978

© 2023 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

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