直接還原鐵在現(xiàn)代冶金中的作用探討

汪翔宇

（唐山奧特斯科技有限公司，河北 唐山 063020）

直接還原鐵的成分比較穩(wěn)定，有害雜質(zhì)含量比較低，粒度相對(duì)均勻。直接還原鐵作為現(xiàn)代冶金過(guò)程中的優(yōu)質(zhì)原料，在冶金中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。近些年來(lái)，直接還原鐵在電爐冶煉優(yōu)質(zhì)鋼、高爐與其他熔煉爐中的應(yīng)用都比較普遍，能夠有效提升生產(chǎn)效率，降低焦比，對(duì)提升現(xiàn)代冶金的整體效益有積極意義。此外，直接還原鐵還可以在LD轉(zhuǎn)爐冷卻劑以及平爐有效金屬原料中進(jìn)行應(yīng)用，也能夠發(fā)揮積極作用。

1 直接還原鐵概述

1.1 物理性質(zhì)

在電爐冶煉過(guò)程中，對(duì)直接還原鐵進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，要求直接還鐵為均勻規(guī)則形狀，方便進(jìn)行用料管理并開(kāi)展連續(xù)加料作業(yè)。將直接還原鐵裝在框中可以填充廢鋼空隙，增加入爐料的密度，減少加料次數(shù)。為了保證直接還原鐵能夠快速穿過(guò)渣層與鋼液接觸，對(duì)直接還原鐵的粒度也有一定要求。一般直接還原鐵的粒度要在5mm以上，粒度過(guò)小可能會(huì)導(dǎo)致直接還原鐵被爐氣或者爐渣帶走，增加損失。在確定直接還原鐵的適宜粒度時(shí)，需要從直接還原鐵的密度出發(fā)進(jìn)行分析。一般回轉(zhuǎn)密窖產(chǎn)生的直接還原鐵粒度在5mm~20mm左右，平均粒度為10mm~20mm，堆密度為1.8~2.2t/m3。在電爐連續(xù)裝料過(guò)程中，可以進(jìn)行有效應(yīng)用高密度的整裝，適用范圍比較廣。長(zhǎng)柱狀的直接還原鐵只能利用框裝方式加入到電爐中。一些3mm以下的粉末直接還原鐵應(yīng)用時(shí)，必須進(jìn)行壓塊之后才能在電爐煉鋼中進(jìn)行應(yīng)用。通常煤氣直接還原法生產(chǎn)獲取的直接還原鐵堆密度比較低，僅為1.8~2.0t/m3。在電爐生產(chǎn)過(guò)程中直接還原鐵的密度越高，能夠提高電爐的生產(chǎn)效率，降低直接還原鐵的再氧化情況。在操作過(guò)程中提高操作溫度，可以提升直接還原鐵的密度。但是會(huì)在一定程度上影響直接還原操作水平和能耗。在生產(chǎn)過(guò)程中需要根據(jù)電爐冶煉產(chǎn)品的具體要求對(duì)密度和操作條件進(jìn)行合理選擇[1]。

1.2 化學(xué)性質(zhì)

對(duì)直接還原鐵的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析的過(guò)程中，需要從全鐵含量與脈石含量量?jī)煞矫娉霭l(fā)對(duì)直接還原鐵的質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。其中全鐵含量會(huì)對(duì)鐵的收得率產(chǎn)生直接影響。而脈石含量在一定程度上決定了直接還原鐵在應(yīng)用過(guò)程中配入量。在確定脈石含量時(shí)，需要從不同性質(zhì)的脈石出發(fā)，脈石包括酸性以及堿性脈石。酸性脈石的主要成分為SiO2、Al2O3。酸性脈石含量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致電爐煉鋼過(guò)程中的渣量增加，對(duì)電爐的電能損耗產(chǎn)生直接影響。如果直接還原鐵的酸性脈石含量為4%，直接還原鐵的配入量在50%時(shí)，電爐煉鋼的渣量比全廢鋼冶煉的渣量更多。這會(huì)大大增加電爐的整體能耗并且影響冶煉產(chǎn)品的產(chǎn)量。因此，為了防止在冶煉過(guò)程中渣量過(guò)多，需要根據(jù)直接還原鐵的酸性脈石含量，對(duì)最大配入量進(jìn)行準(zhǔn)確控制。酸性脈石含量越高。允許的直接還原鐵的配入量越低。如果直接還原鐵的含堿量比較高，可以適量增加脈石含量，但是需要注意要保持脈石的總含量維持在電爐冶煉總渣量不超標(biāo)的合理范圍內(nèi)[2]。

直接還原鐵內(nèi)鐵的氧化物在煉鋼過(guò)程中會(huì)進(jìn)入到爐渣，導(dǎo)致金屬回收率降低。為了提高金屬回收率，需要補(bǔ)充碳以及熱量，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)達(dá)到回收金屬的目的。因此，直接還原鐵的金屬化率高低與電爐的電能消耗量有直接聯(lián)系。與此同時(shí)，直接還原鐵的金屬化率對(duì)電爐電能消耗的影響程度會(huì)在一定程度上決定冶煉鋼種、廢鋼成分、配碳以及操作條件等各項(xiàng)內(nèi)容。如果廢鋼質(zhì)量比較差，廢鋼的含碳量相對(duì)較高，在冶煉過(guò)程中進(jìn)行脫碳反應(yīng)可以補(bǔ)償因?yàn)榧尤胫苯舆€原鐵導(dǎo)致的電能消耗情況，從而降低總電能消耗。但是如果使用的直接還原鐵金屬化率比較高，可能會(huì)對(duì)熔池的強(qiáng)烈沸騰產(chǎn)生影響，同時(shí)電能消耗增加。在利用連續(xù)加入直接還原鐵進(jìn)行冶煉時(shí)，電能消耗與直接還原鐵的加入速度相對(duì)應(yīng)，能夠縮短冶煉時(shí)間，從而保證電爐處于最大輸入功率狀態(tài)，提高電爐的整體產(chǎn)量。利用分批加入直接還原鐵的方式進(jìn)行冶煉，如果加料不當(dāng)，例如直接還原鐵過(guò)于集中或者靠近爐墻，可能會(huì)導(dǎo)致直接還原鐵堆積或者在爐墻上粘結(jié)，導(dǎo)致熔化時(shí)間延長(zhǎng)，增加電能消耗。因此，在直接還原鐵應(yīng)用過(guò)程中，其金屬化率與電爐的冶煉條件、冶煉鋼種存在密切聯(lián)系?，F(xiàn)階段，國(guó)際上對(duì)在電爐冶煉過(guò)程中直接還原鐵的金屬化率要求是在90%以上，我國(guó)很多電爐鋼廠是用生鐵和鐵水進(jìn)行冶煉，電爐的任務(wù)比較繁瑣，直接還原鐵的金屬化率相對(duì)較低。因此，必須對(duì)電爐冶煉條件進(jìn)行改善，生產(chǎn)較低水平的金屬化率直接還原鐵，同時(shí)降低直接還原鐵的能耗，保證直接還原設(shè)備的生產(chǎn)效率。除此之外，直接還原鐵內(nèi)的硫、磷含量等會(huì)對(duì)其應(yīng)用價(jià)值產(chǎn)生影響。通常鋼中的硫、磷含量必須在0.03%以下，一些優(yōu)質(zhì)鋼的含量甚至要求在0.015%以下。因此，在直接還原鐵應(yīng)用過(guò)程中，硫、磷的含量最好在0.03%以下。對(duì)一些優(yōu)質(zhì)鋼種進(jìn)行冶煉時(shí)，要將直接還原鐵的硫、磷含量控制在0.02%以下。直接還原鐵中的硫、磷含量過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致電爐出現(xiàn)額外的脫硫、脫磷負(fù)擔(dān)，除了會(huì)增加電能消耗之外，還會(huì)導(dǎo)致直接還原鐵的配入量降低。除此之外，在直接還原鐵中的非鐵元素含量也會(huì)對(duì)直接還原鐵的使用價(jià)值產(chǎn)生直接重要影響。因?yàn)镃u、Sn、Sb、Pb、Cr、Ni等元素在廢鋼循環(huán)中的去除效率比較低，在冶煉潔凈優(yōu)質(zhì)鋼種的過(guò)程中，這些殘余元素超標(biāo)會(huì)對(duì)鋼種的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。而利用直接還原鐵可以對(duì)各種的非鐵元素含量進(jìn)行有效控制和稀釋?zhuān)绕涫且恍└呒?jí)鋼種要求的雜質(zhì)元素含量比較低，只能利用直接還原鐵作為原料。因?yàn)橐睙掍摲N不同對(duì)非鐵元素的限制也具有一定差異。因此，在對(duì)直接還原鐵中的非鐵元素含量進(jìn)行控制時(shí)，需要根據(jù)冶煉鋼種的具體要求選擇直接還原鐵。

2 直接還原鐵在現(xiàn)代冶金中的作用

2.1 作為電爐優(yōu)質(zhì)原料的作用

在對(duì)直接還原鐵在電爐冶金中的作用進(jìn)行分析的過(guò)程中，需要分析直接還原鐵在電爐中的使用效果。經(jīng)過(guò)綜合分析，直接還原鐵在電爐生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼中的使用效果表現(xiàn)在以下方面：第一，電爐鋼中的殘留金屬與有害元素含量比較低。在實(shí)際冶煉過(guò)程中，作為電爐原料的直接還原鐵比例不斷增加，鋼中的Cr、Ni、Cu等殘留金屬量在不斷減少，且P、S等有害元素的含量也有一定程度的降低。對(duì)鋼中金屬含量與有害元素含量的具體變化進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)因?yàn)橹苯舆€原鐵內(nèi)中本身不含有Cr、Ni、Cu等殘留金屬元素，其作為原料在電爐優(yōu)質(zhì)鋼冶煉過(guò)程中進(jìn)行有效應(yīng)用，其使用效果可以與轉(zhuǎn)爐媲美。并且因?yàn)檫B續(xù)裝入直接還原鐵會(huì)產(chǎn)生沸騰效果，N2含量與轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)水平類(lèi)似。此外，因?yàn)樵谝睙掃^(guò)程中多次循環(huán)應(yīng)用涂鍍層鋼鐵制品，廢鋼內(nèi)的有害雜質(zhì)會(huì)不斷增加，能夠提升電爐鋼的冶煉質(zhì)量。第二，能夠大大縮短電爐煉鋼時(shí)間。在電爐料中的直接還原鐵比例不斷在增加的情況下，實(shí)際煉鋼時(shí)間大大縮短。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，直接還原鐵的比例從30%增加到90%時(shí)，煉鋼時(shí)間會(huì)縮短大約10分鐘左右。第三，在電爐中對(duì)直接還原鐵進(jìn)行應(yīng)用可以降低電能消耗，可以提升電爐煉鋼的收得率。在直接還原鐵比例一定的情況下，直接還原鐵的金屬化率越高，電能消耗量會(huì)出現(xiàn)降低趨勢(shì)，并且鐵的收得率會(huì)不斷上升。第四，能夠有效改善和優(yōu)化鋼的機(jī)械性能。對(duì)直接還原鐵進(jìn)行應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，電爐鋼的屈服強(qiáng)度、應(yīng)變時(shí)效、成型性、內(nèi)部潔凈度等都有所提升。在殘留元素與N2含量降低的情況下，能夠改善C鋼板的屈服度。對(duì)100%的直接還原鐵與100%的廢鋼進(jìn)行對(duì)比，屈服強(qiáng)度可以降低大約15%左右，提升了電爐產(chǎn)品的質(zhì)量。從這一方面進(jìn)行分析，可以確定利用直接還原鐵進(jìn)行電爐煉鋼，能夠冶煉出優(yōu)質(zhì)品種的鋼?，F(xiàn)階段，直接還原鐵在國(guó)內(nèi)外電爐應(yīng)用過(guò)程中主要作用是提高冶煉鋼品種的質(zhì)量，確保冶煉的鋼品種能夠滿足特殊用途。例如石油工業(yè)的石油套管、鉆桿；在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用的深沖汽車(chē)板；特殊用途的鋼絲以及鋼材等，例如軸承、鋼氣輪、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、炮管、航天航空、原子能工業(yè)等使用的鋼材等。對(duì)直接還原鐵電爐冶煉產(chǎn)品的綜合質(zhì)量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)充分利用直接還原鐵能夠大大提高電爐冶煉產(chǎn)品的整體質(zhì)量，這為促進(jìn)優(yōu)質(zhì)品種鋼的生產(chǎn)奠定了良好基礎(chǔ)。第五，利用熱裝直接還原鐵能夠達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的目的。在直接還原鐵熱裝溫度不斷提高的過(guò)程中，能源的需要量呈總體下降趨勢(shì)，能源總節(jié)約量也相對(duì)較大。對(duì)能源變化情況進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)直接還原鐵的熱裝溫度在300攝氏度時(shí)，直接還原鐵的所含能量與熔化直接還原鐵中的脈石以及還原FeO所需的能量可以相互抵消。而直接還原鐵的熱裝溫度不斷提高，電爐的生產(chǎn)率呈上升趨勢(shì)。第六，在直接還原鐵中的高碳效應(yīng)，高碳直接還原鐵不管是進(jìn)行冷裝還是熱裝都可以提高電爐的生產(chǎn)率，同時(shí)能夠降低煉鋼成本。主要是因?yàn)楦咛贾苯舆€原鐵的含碳量比較高，能夠增加氧的使用量，提高整體生產(chǎn)效率。并且在高碳直接還原鐵應(yīng)用過(guò)程中，碳的存在形態(tài)主要是以碳化鐵為主的，隨著碳含量的不斷增加，電爐的電能消耗量會(huì)不斷降低[3]。

2.2 作為高爐優(yōu)質(zhì)原料的作用

在高爐中加入直接還原鐵能夠降低高爐焦比，提升高爐的整體生產(chǎn)率。具體的作用表現(xiàn)為：如果高爐中的直接還原鐵比例為35%，焦比能夠降低21%左右，渣量減少約為10%，熔損反應(yīng)能夠減少40%左右，可以提高高爐冶煉產(chǎn)品約20%的產(chǎn)量。此外，鐵礦石與焦炭預(yù)熱需要的顯熱分別降低10%、21%。在上世紀(jì)90年代初，日本某煉鋼企業(yè)的高爐在生產(chǎn)實(shí)踐中加入直接還原鐵就證實(shí)了這個(gè)研究結(jié)果。在高爐原料中的加入30%以下的直接還原鐵能夠降低20%以上的焦比，蟬聯(lián)IG能夠提升20%左右。并且當(dāng)時(shí)日本的煉鋼廠在高爐冶煉過(guò)程中，配加20%左右的直接還原鐵，使用大約為9%的氧，最終發(fā)現(xiàn)富氧率的不斷增加能夠在一定程度上增加燃料比，提升高爐冶煉產(chǎn)量。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在現(xiàn)代冶金事業(yè)發(fā)展中，重視直接還原鐵的有效應(yīng)用對(duì)提升冶金事業(yè)的綜合效益有積極幫助。可以說(shuō)直接還原鐵在現(xiàn)代冶金事業(yè)中的有效應(yīng)用是我國(guó)21世紀(jì)鋼鐵企業(yè)發(fā)展中必須重視的重要研究?jī)?nèi)容。在我國(guó)工業(yè)化發(fā)展水平越來(lái)越高的背景下，必須利用先進(jìn)技術(shù)提高鋼鐵冶煉效率與質(zhì)量，要確保鋼鐵質(zhì)量和性能可以滿足不同領(lǐng)域的使用需求。在分析現(xiàn)代冶金中直接還原鐵的作用時(shí)，需要從電爐冶煉、高爐冶煉兩方面出發(fā)，深入探索直接還原鐵對(duì)現(xiàn)代冶金的積極意義。

經(jīng)過(guò)研究可以獲取以下結(jié)論：第一，在電爐優(yōu)質(zhì)鋼冶煉過(guò)程中使用一定比例的直接還原鐵可以提高優(yōu)質(zhì)鋼的機(jī)械性能與整體質(zhì)量。同時(shí)對(duì)直接還原鐵的應(yīng)用比例進(jìn)行合理控制，可以達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的目的，這對(duì)提升電爐煉鋼的綜合效益有重要意義。第二，在高爐煉鋼中直接還原鐵進(jìn)行應(yīng)用，可以降低高爐煉鋼的焦比，同時(shí)提升高爐煉鋼產(chǎn)量。大大提高了高爐煉鋼的經(jīng)濟(jì)效益。

綜上，在未來(lái)的冶金行業(yè)不斷發(fā)展的過(guò)程中，需要重視對(duì)直接還原鐵進(jìn)行深入研究，根據(jù)冶金行業(yè)的實(shí)際發(fā)展現(xiàn)狀探索直接還原鐵的應(yīng)用潛能，充分發(fā)揮直接還原鐵在現(xiàn)代冶金中的積極作用，促進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代冶金行業(yè)的穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展。