直接还原铁在电弧炉炼钢中的应用

1、直接还原铁在电弧炉炼钢中的应用史占彪芮树森(东北大学,沈阳110006摘要对直接还原铁(DRI 性能及其在电弧炉冶炼的特性作了较全面的论述。了解和掌握其特性是发挥其优越性的关键,是发展特殊钢和纯净钢的重要途径。关键词直接还原铁(DRI 电弧炉冶炼应用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如何应用DRI 并发挥其优势,是当前电弧炉炼钢中的重要课题。为此应根据DRI 的特性,在电弧炉冶炼中制定正确的冶炼工艺制度,才能使DRI 优越性得以充分有效的发挥。1DRI 特性1.1DRI 化学性质全铁含量是DRI 的主要质量指标,关系到铁收得率的高低。矿石中的脉石大多呈酸性,直接还原时全部转入DRI ,炼钢时变为炉渣,直接影响到电弧炉炼钢的生产效率及电耗和各项经济技术指标。因此,生产DRI 应当选用铁品位高、脉石量少的铁矿(或精矿。一般选用的铁矿品位应大于67%,酸性脉石(SiO 2+A

4、l 2O 3量低于6%。金属化率是指DRI 中金属铁量与全铁量的比,表示DRI 的还原程度,它取决于采用的还原工艺制度。回转窑法和竖炉法产品比较均匀,有较高的金属化率,一般为90%95%;隧道窑法产品通常为88%93%。冶炼试验表明,DRI 含少量氧(0.8%1.6%,在炼钢过程中与碳反应形成碳沸腾,有利于炉料熔化和钢水成分均匀化,缩短精炼时间。因此,在配料时,应当调整好碳与剩余氧的化学计量平衡,以便在炼钢时进一步还原而不影响钢水的碳量。当DRI 含碳量在0.7%2.5%时,相应DRI 的金属化率控制在88%93%;如DRI 含碳量低,则其金属化率应当高些。气体竖炉还原法可将DRI 碳含量调整

5、在一定范围内,达到0.7%2.2%;回转窑和隧道窑产品含碳量较低(0.3%。DRI 中Cu 、Zn 、Pb 、Sn 、Sb 、As 、Cr 、Ni 、M o 等元素的含量一般很少,炼钢时配加DRI 取代废钢,可有效起到稀释钢水残余元素的作用,是冶炼优质纯净钢不可少的原料。DRI 中能见到的杂质还有碱性氧化物(Na 2O +K 2O 与T iO 2,一般(Na 2O +K 2O 0.1%,T iO 20.1%,不会影响钢质量。铁矿石含硫要低,特别是还原煤的硫含量要低,否则应采取脱硫措施,保证DRI 的硫含量低于0.05%,最好是低于0.02%。矿石的磷在直接还原过程中不能去除,因此必须注意对矿石

6、含磷量的选择。正常情况下,DRI 含磷量为0.01%0.035%。1.2DRI 物理性质回转窑,竖炉和底转炉以块矿和球团矿为原6第21卷第3期特殊钢V ol.21.N o.32000年6月SPECI A L STEE L June 2000料,DRI块度通常为320mm。气孔率约为45% 70%、堆密度约为1.62.1tm3、表观密度约为2.73.8gcm3;有些工艺将细粉或全部产品采用冷压或热压方法制成压块,压块形状一般为枕状或椭球状,最大尺寸限度 40%,应采用连续加入。连续加料是在炉内已形成液态金属熔池后,以确定的速度将DRI(或H BI加入到强烈搅拌被渣覆盖的钢水熔池里。最初的液态熔池

7、可由废钢和DRI熔化形成(或留存前炉的部分钢水,当钢水熔池达到1560后,可在最大电功率下,连续加入DRI。为维持熔池内钢水的正常沸腾和形成适宜炉渣碱度,应当及时作好配碳和连续补加石灰,以便在DRI熔化同时,控制氧化精炼和钢水升温,由熔化直接转入精炼,以求最佳供电效率和高生产率。2.3碱度电炉用DRI炼钢时,通常碱度(CaOSiO2可降低为1.82.2。DRI含酸性脉石(SiO2+Al2O3较多,会严重侵蚀炉衬,特别是渣线部位,因此加DRI冶炼时及早造渣极为重要。通常DRI中不含MgO,渣对MgO有饱和倾向,加入足量的白云石,可以防止浸蚀渣线。研究表明,DRI冶炼的适宜炉渣碱度为2,10%25

8、%FeO和含MgO12%(或更高些,保持渣中MgOCaO比在0.30.4之间。渣中FeO含量通常由熔池中碳含量所决定。2.4温度控制连续装料和控制DRI装料速率大大简化了熔池温度的调节。为保持良好的熔化速度和炉渣流动性,熔池温度应在15501630间。一旦废钢完全熔化,DRI的装入量应控制在2833 kg(minMW之间。冶炼低碳钢时,在出钢前应达到较高温度,适当降低DRI装料速度,维护高的熔池温度便于脱氧剂的加入。2.5金属化率和碳控制DRI金属化率是另一重要特性,关系着DRI 中残留FeO还原需要的能量和碳的控制,也就是在熔化期,氧化熔炼的同时进行着钢的精炼,整个熔化过程始终保持着活跃的碳

9、沸腾。如DRI金属化率在92%左右,DRI含有约2%的氧,DRI含碳很低,为保证DRI的正常熔炼,必须向炉料补充足够碳量,使熔池钢水达到确定的碳量,以满足DRI 内铁氧化物还原和保证钢水目标碳量的要求。2.6冶炼时间36DRI冶炼,脉石造渣量较大,但带入的夹杂元素及有害元素少、成分稳定,又有利于缩短冶炼时间。中原钢厂认为,按废钢工艺操作,配加DRI冶炼试验表明,随着DRI用量增加,熔炼时间增长,超过20%时为甚;当采用熔氧结合冶炼,配碳量合适,同时加强脱磷,随DRI用量增加(30% 38%,还缩短了冶炼时间。抚顺特钢认为,目前废钢质量下降,轻薄料比例过多,使用DRI能使装料密度增加,次数减少,

10、熔化速度加快,冶炼时间缩短,冶炼能耗降低。天津钢管公司冶炼表明,冶炼时间随DRI加入量的增加呈曲线变化,DRI 20%时,DRI增加,冶炼时间缩短;DRI为50%时冶炼时间最低,平均冶炼时间为122min,比全废钢平均冶炼时间缩短了13min。其原因是泡沫渣操作,电能利用提高,减少了装料次数,缩短了总7第3期史占彪芮树森:直接还原铁在电弧炉炼钢中的应用装料时间;DRI大于50%后又有所增加。2.7电耗37加热和熔化DRI所需用的能量要高于废钢,主要取决于下列因素:(1脉石量和碱度;(2金属化程度,即DRI内残存铁氧化物量和含碳量,以及渣中FeO量;(3全铁含量和金属铁含量。加热和熔化1t渣到1

11、600需要530kWh电能;还原1t FeO为Fe需要1100kWh电能,并加热熔化1t铁需1600kWh电能,实际能耗是理论能耗的1.21.3倍。中原钢厂实践得出,用量在20%以下,与全废钢冶炼相比电耗稍有增加(3%以下:在用量为25%38%时电耗增加5%10%;天津钢管公司认为使用DRI会使冶炼电耗增加,主要取决于DRI的使用量、金属化率和脉石量。当脉石量低、金属化率高时,生产统计表明:每炉DRI的加入量从20t增加到50t,电耗不但没有增加,反而稍有下降(由502kWht降为495kWht;当使用量多于30%后,尽管是埋弧操作能提高电能利用,但由于DRI带入的脉石导致渣量的增加,热耗大,

12、冶炼电耗增加;100%DRI冶炼表明,平均吨钢电耗比废钢冶炼高出3040kWh;莱芜特钢和抚顺特钢使用高金属化率DRI炼钢取得了比废钢冶炼节省电耗的好效果。墨西哥Hylsa公司采用DRI650热装,电耗大大降低,当加入70%DRI时,可节电112kWht,缩短冶炼时间20min。2.8铁收得率3,4,6,7目前使用的DRI质量差异很大,各厂也都在试用期,因此试验结果差异也大。中原钢厂配用25%DRI时,铁收得率为78%82%;抚顺特钢在50t电炉采用批装,球团状DRI的收得率统计为78%;在采用留钢作业和喷入碳粉还原FeO等技术配合下,铁收得率可提高到85%;天津钢管公司得出:采用全废钢冶炼时

13、钢水收得率为88% 90%,配用DRI冶炼时,随DRI的加入比例及其脉石含量、全铁量、金属化率等因素对钢水收得率有不同程度的影响。当使用秘鲁球团生产的DRI由0增到50t炉时,收得率基本没变化,而使用南非矿生产的DRI由0增到50%时,由于脉石量增多,钢水收得率从90%降至88%;莱芜特钢使用高品位高金属化率DRI炼钢,则取得了88.2% 93.3%的高收得率。2.9电极和耐火材料采用批装DRI时,与废钢相比电耗增加约10%20%,由此会增加电极磨损量0.20.35 kgt。但由于熔化速度快,减少装料次数,形成良好的泡沫渣作业,大大减少电极受到强烈氧化气氛和热应力的作用,输入功率比较均匀和减少

14、塌料引起的机械折损。通常,DRI冶炼时电极消耗会稍低于废钢冶炼。采用连续加入DRI,用量从0%50%,电极消耗基本不变,如使用比例继续增加,每炉通电时间会延长,但由于输电均衡稳定,减少了塌料等原因引起的电极折断事故。3DRI对钢性质的影响1,3,8,9因DRI不含残存元素,用DRI为原料,可生产出不含残余元素的钢。即使配加部分DRI料也能明显地使钢中残余物降低到要求水平。随着DRI 加入量的增加,钢水中的Ni、Cr、Cu和M o会呈线性递减;钢水中Pb、Sn元素因为熔点较低,表现为早期递减率较高。表1为不同DRI加入量对钢中Cu、Ni、Cr、N含量的影响。表1DRI配比对钢中残余元素和氮含量的

15、影响%T able1E ffect of DRI ch arging ratio on residu al element and nitrogen content in steel%配比类别Cu Ni Cr N 电炉钢100%废钢0.200.070.080.0070 40%废钢+60%DRI0.100.050.050.0050 100%DRI0.020.020.020.0015平炉钢0.040.020.020.0030表2中原钢厂DRI配比对钢水中Cu含量的影响T able2E ffect of DRI ch arging ratio on copper content in steel a

16、t Zhongyu an steel WorksDRI%炉次Cu%0500.112202870.0885333850.075中原钢厂冶炼45钢时,加入不同比例DRI后的钢水Cu含量变化如表2所示。DRI含S、P低,钢水中P、S也随DRI的加入呈线性递减现象,减轻了冶炼脱除S和P的任务。减少了S的偏析,热脆现象明显减少,可加大轧制压缩比,提高钢的收得率。如DRI中含P高于废8特殊钢第21卷钢,则会有增P现象。随着DRI加入量增加氮含量明显降低。一方面是FeO还原反应会引起熔池的连续沸腾,钢液保持良好的脱气状态,逸出C O气泡携带排除钢水的氢和氮;另一方面良好的泡沫渣埋弧作业,明显降低了电弧下空气

17、电离而产生的氮的吸入倾向,因此使用DRI是降低钢中氢和氮的一项有效技术措施。DRI加入量对氧含量没有明显影响,因为脱氧作业是在钢包中进行的。表3给出日本某厂废钢与DRI冶炼钢中残余元素与氮含量影响。表3炉料为100%废钢和100%DRI时钢中残余元素和氮含量% T able3R esidu al element and nitrogen content in steel melting with100%scrap and100%DRI ch arging%类别C Mn S P Cu Ni Cr M o N100%废钢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所示为DOSC O公司使用DRI和废钢对电炉钢化学成分和性能的影响。由于残余元素和氮含量低,钢中夹杂物量明显降低,从而提高了钢的热轧和冷轧性能,特别是拉伸性能;低的硫含量明显降低了钢中硫量,对合金结构钢,硫夹杂物的形态可以得到控制,提高了钢质量,改变了高碳钢线材的抗张和抗扭性能。表4DOSCO公司使用DRI对电炉钢化学成分的影响%T able4E ffect of DRI ch arging on chemical compositions ofEAF steel at DOSCO%类

19、别Cu Ni Cr N100%精废钢0.200.070.080.007060%DRI+40%废钢0.100.050.050.0060100%DRI0.020.020.020.0020转炉钢0.030.020.020.0025表5DOSCO公司使用DRI对电炉钢性能的影响T able5E ffect of DRI ch arging on properties of EAF steelat DOSCO类别SMPabMPa%加工硬化率n异向性r晶粒径m60%DRI+40%废钢210340380.20 1.28.5 100%DRI185315420.22 1.77.54结论(1发展电炉钢生产将是今后钢铁工业的重要方向,如何进一步提高电炉钢质量,开发新品种已成为我国冶金工作者的主要课题。(2还原铁成分稳定,残余元素和有害元素少是理想的电弧炉优质炉料,加快发展直接还原(DR工业,加快推广直接还原铁的应用,是当前我国钢铁工业的主要课题之一。(3优质废钢短缺,炉料中配加DRI会明显降低夹杂元素和有害元素含量,使钢中非金属夹杂物减少、细化且分布均匀,大大改善了钢的各种性能,成为当前冶炼优质钢的理想原料,也是提高钢质量重要途径之一。参考