150t电炉热装直接还原铁工艺设计

150t电炉热装直接还原铁工艺设计

武国平，宋宇

(北京首钢国际工程技术有限公司，北京100043)

摘要：结合阿曼工程150t电炉热装直接还原铁(DRI)工艺设计实践，分析了电炉100％热装DRI对冶炼电耗、电极消耗、冶炼成本及钢水质量等的影响。阐述了热装DRI的工艺流程，设计了热装DRI的装置，并指出了热装DRI时电炉生产的工艺要点。

关键词：电炉；直接环原铁；热装；工艺要点

电炉炼钢是“绿色”生产工艺，它消耗社会废钢，解决了废钢的循环利用问题以及环境污染问题。但是，除了较少的发达国家外，很多国家的废钢资源比较紧缺，而且废钢中有害杂质如P、S以及Cu、As、Pb、Sn等重金属含量较高，对于冶炼高品质钢种影响较大。在国外，直接还原铁(Direct Reduction Iron，以下简称DRI)已经被广泛的作为电炉炼钢的主要原材料使用。中东地区天然气资源储量丰富，采用天然气生产DRI并以此为原料进行电炉炼钢，冶炼成本低、经济效益好是其它国家和地区不可比拟的。本文结合阿曼某100万吨钢铁厂工程，对1501电炉热装DRI的炼钢工艺进行了研究。

1 DIU作电炉原料的优点

直接还原技术发展至今已有100多年历史，DRI是将铁矿石或精矿粉球团放入回转窑或竖炉内，在低于铁的熔点温度下将铁氧化物还原得到的金属产品，现今DRI已经越来越多的用于电炉冶炼。表1列出了DRI的物理化学性能。

DRI中P、S及金属残留元素含量低，具有稀释钢中有害元素、降低气体和夹杂物含量的作用[1,2]。除此之外，由于DRI含碳量较高，平均在1．0％～3．0％之间，方便电炉造泡沫渣，有利于高压长弧操作，降低电耗。同时，由于CO的产生量大，可以降低电极的消耗量。目前，DRI加料采用的气动输送或者溜管溜送。能自动连续加料，减少了非通电时间，钢水的热损失小，有利于提高生产率和实现自动控制。而且，冶炼过程中的噪音也较低[3~5]。

2 DIU热装工艺参数

本工程设计钢铁厂年产钢水111．2万t，配套生产设施包括一台150t超高功率电炉，一台150tLF炉，一台R9m×6流方坯连铸机等。表2为150t超高功率电炉主要参数。电炉原料为为HDRI(Hot Direct Reduction Iron，以下简称HDRI)，入炉温度至600℃，热装比例为100％。

2．1 DRI成分

表3为本工程使用的DRI成分表。

金属化率(M R)、脉石含量以及C含量是影响DRI性能的三个主要指标。

M R直接影响金属的收得率；脉石含量增加，意味着金属含量的减少，它不仅影响到电能消耗，而且直接影响金属收得率。

电炉渣的碱度用B表示：

经计算得出，本工程中使用的DRI融化后渣的碱度为0．23，而电炉渣的适宜碱度在2．5左右。因此，随着DRI加入量的增多，需要添加的石灰量也增多，融化矿石需要的能量增多，从而增加电能消耗。

DRI的另一个重要指标是C含量。由于DRI中的C是与FeO结合在一起的，其燃烧利用率要远远高于通过碳氧枪喷吹的碳粉。因为喷吹的碳粉燃烧后形成的CO，有一部分不能穿透泡沫渣层，还有一部分被除尘系统抽走。有研究表明[6]，DRI中C的燃烧利用率可以高达90％，而喷吹的碳粉的燃烧率仅仅在25％～75％左右。许多钢厂提出用于平衡DRI中。FeO含量的理论碳含量为每1％的FeO对应消耗0．215％的C。即

(100％－％TFe)×％MFe×0．215％=(100％－92％)×84．64％×0．215％=1．45％(3)

而本工程使用的DRI中的C含量为1．4％，与理论值接近。

2．2 DRI热装温度

DRI热装技术，指的是将竖炉生产的温度600℃以上的DRI在热态下直接热装进电炉炼钢厂的电炉中。本工程电炉厂所需的HDRI由临近电炉厂的Midrex竖炉提供，DRI的出炉温度大于600℃。John Stubbles表示[7]，为了提高电炉生产效率和能量利用率，必须在更短的时间内输入更多的能量，一个行之有效的办法是热装具有高化学能的原料——铁水或者HDRI。热装DRI能利用：DRI的显热，提高生产率和降低电能消耗，从而转换为直接的经济效益。

研究表明[8]，DRI热装温度为100℃时，可以节能20kwh／t；700℃时节能140kwh／t。Essar的试验表明[9]，600℃的DRI热装到电炉中，可以节省电能124～125kwh／t，同时，

电极消耗量下降了0．03kg／t。

2．3 DRI热装比例

DRI装入量的增加对于冶炼的成本、金属收得率以及钢水质量都有影响。电炉炼钢的原料有三种：废钢、铁水及DRI。表4为国内外废钢、铁水及DRI价格对比。

由表4可以看出，国内电炉冶炼原料价格普遍高于国外。相比国内DRI价格，国内废钢价格高出600元，就原材料成本而言DRI略胜一筹，但与各厂的铁水内部结算价相比，价格还是偏高，并且国内DRI产量较少，因此，DRI在国内应用较少，国内仅天津钢管厂、八一钢厂等少数企业使用过[10,11]，天津钢管厂电炉冶炼采用的原料以铁水和废钢为主，同时添加少量的冷DRI。

阿曼电炉厂已经建有一座Midrex还原竖炉，电炉原料全部由厂家提供，热装比例为100％。DRI中P、S及金属残留元素的含量都较低，同时，DRI中C含量较高，熔化过程中产生大量的CO，钢水的动力条件优越，可以有效去除钢水中的N。表5为不同炉料炼钢时钢中典型残余元素及N含量[3~5]。

由表5可以看出，炉料为100％DRI时，钢水中有害元素的含量最低，其中，Cu含量仅为100％废钢冶炼的1／10，氮含量比100％废钢冶炼低50ppm。但是，因为DRI中含有一定量的FeO和脉石，冶炼过程需增加石灰量提高炉渣的碱度，这将导致渣量增大，从而使炼钢电耗增加。

3 DRI热装工艺

3．1 DRI热装工艺流程

国外HDRI的加料方式主要采用气力输送，不仅需要建设复杂的气力输送管道，而且投资高，运行成本较大。为实现DRI的热装，本次阿曼工程电炉车间紧靠Midrex竖炉建设，HDRI通过溜管加料方式在自重作用下直接溜进电炉进行炼钢，相比而言，重力溜送更为经济，而且操作方便。