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2023

直接還原鐵在電弧爐熱點中的情況（1）

關鍵詞:

直接還原鐵,海綿鐵,DRI,sponge iron,電弧爐,EAF

來源：公司內部

1. 簡介
2021年電弧爐（EAF）生產粗鋼超過5億噸。盡管廢鋼是主要的鐵載體，但電弧爐也是適合加工直接還原鐵 (DRI) 或熱壓塊鐵 (HBI) 的設備。這種直接還原反應堆（DR）和電弧爐的組合可以是墨西哥、沙特阿拉伯和阿拉伯聯合酋長國等天然氣豐富國家的主要礦石煉鋼戰略。2021 年 119 噸 DRI 產量僅占全球鋼鐵生產黑色金屬原料總量的一小部分。然而，由于歐盟的氣候目標，這項技術在未來可能會變得更加重要。因此，海綿鐵的加工行為也備受關注。

過去許多作者研究了 DRI 的熔化行為。從單個球團的角度來看，必須區分在鋼水、鐵水和爐渣中的溶解情況。 González等人用數學的方式描述了與鐵水接觸的球團上固體表面層的初始形成。該層將顆粒直徑從 12 毫米增加到 18 毫米，大約 6 秒后開始軟化。根據所考慮的 EAF 弧長，計算出的直徑在 13 至 17 秒后達到 0 毫米。熔化速率主要取決于初始顆粒直徑。 Pineda-Martínez等人的研究結果與非反應性爐渣接觸的結果類似。然而，由于傳熱較低，與液態鋼相比，熔化時間大大增加。除了顆粒尺寸之外，熔池攪拌也是一個決定性因素，因為強制對流極大地增加熱傳遞。 Ramirez-Argaez等人進一步利用CFD建模研究了多相渣-鋼-直接還原鐵體系，得到了相似的結果。 Pfeiffer等人通過實驗證實了這一趨勢。他們將 DRI 和 HBI 的單個樣品浸入液池中，并在預定時間后淬火。無碳 DRI 最初會從鋼和爐渣中獲得固體層。然而，DRI 碳含量越高，球團在鋼中液化的速度就越快。然而，即使是高度滲碳的海綿鐵，在浸泡三秒后仍會在爐渣中保持固態。作者使用普朗特數分析解釋了這種差異，在礦渣情況下普朗特數增加了大約 1000 倍。即使熔化溫度低于鐵的液相溫度，浸入飽和熱金屬中的樣品熔化得更快。碳從液態到固態的擴散解釋了這一點。 Penz等人研究了堿性氧氣轉爐（BOF）條件下廢鋼熔化的這種現象。在形成初始固體殼后，只要液相溫度低于熔點，碳就會擴散。一旦發生這種情況，融化就會進行。

DRI 通常通過 EAF 蓋上的第五個孔連續進料。為了獲得穩定的平熔池操作，基于 DRI 的 EAF 采用高達 30% 的留鋼。該操作的特點是電弧模式短且穩定，熔池液位平穩增加。理想的進料點位于熱點，即三個 AC-EAF 電極的中心。根據 DRI 溫度和熔化能力，進料速率受到限制，以避免形成所謂的“冰山”或“鐵山”。典型值范圍從冷 DRI 的 34 kg/(min·MW) 到熱 DRI 的 55 kg/(min·MW) 。因此，熱 DRI 進料不僅利于能源消耗，在裝料率方面也有利。因此，可以預見冶煉時間會縮短。

近年來，以電爐煉鋼為重點進行了大量的研究。在這種情況下，對于未來優化CO2中性煉鋼的EAF工藝而言，最重要的是爐渣操作、工藝建模以及替代碳源的應用。爐渣操作從多個方面定義了工藝順序。一方面，爐渣泡沫覆蓋電弧，避免了輻射損失。此外，因為它的 FeO 含量高，它還決定了金屬鐵的產量，有害元素（例如磷）的分配以及耐火材料的壽命。使用生物質基碳載體幾乎完全減少了化石基碳的排放，因為電弧爐依靠最少量的碳來進行爐渣發泡操作。最后，工藝模擬和建模提高了工藝效率。人們對 EAF 及其質量和能量平衡的模擬能力越強，可以節省的能源和輸入材料（例如造渣氧化物）就越多。

然而，目前在這兩個方面的數據仍然很少。首先是基于氫的DRI的應用。由于這種海綿鐵不含碳，其液相線溫度明顯高于傳統的液相線溫度。這種差異可能會導致 EAF 熔化步驟中出現不同的情況。二是直接觀察 EAF 中的進料。本文旨在對上述兩方面進行更深一步的研究，并分析 DRI 在電弧中的情況。除了氫基無碳材料之外，還測試了滲碳樣品和連續爐渣進料。這些觀察結果有利于進一步理解熔化過程，也可用于解釋最佳 DRI 裝料策略，對于粗鋼的質量也提供了一個想法。

2. 材料和方法
表1列出了所應用的鐵礦石及其成分。實驗 0、1 和 2 中使用了 DR 級球團；實驗3使用了與測試流化床還原的 DRI 細粉類似的細礦。為了使礦渣實驗4的結果更清晰，測試了脈石含量較高的BF級球團。

表 1. 礦石成分（wt.-%）

	2 Fetot	Fe2+	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	TiO2	MnO	尺寸/mm	實驗編號
DR-球團	67.5	0.19	1.94	0.32	0.87	0.35	0.06	0.21	10–12.5	0, 1, 2
BF-球團	64.8	0.42	5.79	0.47	0.48	0.6	0.06	0.04	12.5–16	4
精細原料	66.8	6.19							D50 = 0.1	-
細氧化 1	66.4	1.87							D50 = 0.1	3
1 通過質量平衡測定氧化粉礦的成分； 2 Fetot—含鐵總量

顆粒樣品在立式還原爐 (VRF) 中使用直徑為 75 mm 的蒸餾器進行還原。這是一個標準聚合體，例如用于執行 ISO11258 等標準測試。蒸餾器固定在秤上，可以監測測試過程中的重量損失。還原氣體在爐室內預熱；它從底部進入蒸餾器并通過頂部進入廢氣管道。熱電偶測量顆粒負載中心的溫度。裝入約500g顆粒。在氮氣吹掃下加熱至 900°C 后，施加 25 NL/min 的純 H2。一旦質量損失達到所需的金屬化程度（MD），就停止測試，并將材料在氮氣氣氛下冷卻。制備了三個顆粒樣品：兩個 DR 顆粒，MD降低至 90% 和 94%；一個 BF 顆粒的MD降低至 90% 。在同一蒸餾器中，高度還原的 DR 級 DRI 隨后在 8 NL/min CH4 和 800 °C 下進行滲碳。根據質量平衡，含碳2.1%；由于初始還原度高，可以確定該推論很合理。

粉礦在熱處理爐的700℃下預氧化8小時。預還原步驟是必不可少的，因為赤鐵礦在還原性和流化行為方面是有利的。樣品在 68 mm 流化床反應器中還原。該反應器使用與75mm干餾爐相同的爐子； Spreitzer 和 Schenk 詳細描述了它的特性和尺寸 [33]。使用 6 NL/min N2 和 15 NL/min H2 進行還原，無需在還原室中施加額外壓力。使用孔徑為 0.4 mm的網格，這對于此類細粒鐵礦石來說是最理想的。通過質量平衡計算確定最終MD約為89.4%。

熔化測試在奧地利 Montanuniversit?t Leoben 黑色冶金中心的氫等離子體熔煉還原 (HPSR) 反應器中進行，其布局如圖 1 所示。這種聚合在 [35,36] 中進行了廣泛描述，通常應用于直接熔融還原試驗，該方法本身已經很成熟。關于氫還原，在過去已經有過許多研究。對電弧的穩定性、電極形狀和礦石預還原度進行了優化。如果像本實驗一樣在惰性氣氛中運行，則可以將其視為帶有石墨電極的直流實驗室規模電弧爐。電極直徑為26mm，尖端為10mm，軸向開口為5mm，通過該開口供應氮氣。

圖 1. HPSR 爐布局示意圖

將樣品分批裝入鋼坩堝中，Ernst 等人總結了其精確尺寸。所有實驗均以 2 NL/min 氮氣吹掃進行。表 2 總結了所有進行的實驗。實驗 0 是一個方法實驗，沒有進一步評估。在實驗4中，通過中空電極連續供給14.0g CaO和3.1g MgO。使用來自德國卡爾斯魯厄 Carl Roth GmbH + Co. KG 的純度為 95% 和 99% 的技術純氧化物。最初，變壓器電流設置為 100 A。在測試過程中，根據變壓器溫度和電壓逐步減小電流。為此，采用了可控硅整流器（SCR）。在實驗4的最后大約2.5分鐘，功率輸入最大化以加強爐渣-金屬攪拌。

表 2. 實驗列表

實驗	氣體	噸/分鐘	樣品	質量/g	注釋
0	2 NL/min N2	15	1	49.7	預測試
1		15	1	101.6	0%C DR-等級-DRI
2		15	2	101.7	2.1%C DR-等級-DRI
3		15	3	100.4	0%C 精細-DRI
4		23	4	100.1	0%C BF-等級-DRI + 連續供給造渣氧化物

實驗以多種方式進行評估。 HPSR 反應器配有 AXIS-Q1775 攝像系統（Axis Communications AB，瑞典隆德）和 GAM 200 質譜儀（Pfeiffer Vacuum Technologies AG，A?lar，德國），可以監控電弧以及廢氣的情況，并記錄電壓和電流值。

使用配備 Sigma Contemporary 30 mm 鏡頭（日本川崎 Sigma Corporation）的 Sony Alpha 6000 DSLM 相機（日本東京索尼集團公司）對坩堝進行目視檢查。然后，對坩堝進行嵌入、切割，并對橫截面進行金相分析。圖 2 詳細介紹了切割方案。使用 1% 的硝酸溶液進行蝕刻，以突出坩堝和樣品之間的過渡。我們在 6 到 10 秒之間反復調整時間。

圖 2. 金相樣品的位置

使用 Keyence VHX 7000 數字顯微鏡（Keyence Corporation，大阪，日本）對顯微切片進行研究。通過 SEM-EDX Fei Quanta 200Mk2（FEI Company，Hillsboro，OR，USA）對煤矸石層進行化學分析。從兩個坩堝中提取了少量樣品，實驗 2 使用碳質 DRI，實驗 3 使用 DRI 細粉，用 LECO 分析碳含量。實驗 3 可被認為是無碳 DRI 測試的代表。

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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