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。

图1和图2分别为电炉炉内加料安装图和流程图。

电炉炉料有HDRI、HBI(热压块)、石灰、白云石、萤石及碳粉。

如图1所示，Midrex还原竖炉生产的HDRI，通过DRI溜管在自身重力的作用下加入到电炉炉内。

结合本工程的实际情况，我们对DRI的热装加料装置进行了特殊设计，并申请了专利。

3．2 DRI热装加料装置
图3为DRI加料装置结构示意图。

加料过程为：HDRI从过渡料罐及分配器进入双层套管结构的固定溜管；
HDRI在第一氮气密封装置的保护下从固定溜管进入双层套管结构的热装旋转溜管；HDRI在第二氮气密封装置的保护下从热装旋转溜管进入受料溜管；
所有的双层套管的冷却介质为氮气或其他惰性气体；所有的密封装置的密封介质为氮气或其他惰性气体。

过渡料罐和分配器的作用主要是调节电炉在检修时或在冶炼周期内非加料时间中的HDRI的流向，以及加料过程中调节加料速度。

以电炉的冶炼周期55min为例，热装DRI
的连续加料时间为45min，其余10分钟的非加料时间中，HDRI需经过分配器的换向功能而转换流向到另一根溜管内，转入热压块工序。

固定溜管采用双层套管结构，主要是基于以下考虑：第一，套管冷却。

由于DRI的温度在600℃以上，固定溜管在连续输送这种高温DRI的过程中，耐磨强度及刚度等理化指标均大幅度下降，通过在双层套管内充氮气的方式可以起到冷却内部套管作用，从而维持内部溜管的理化性能；第二，密封。

双层套管结构内部充氮气可以起到防止DRI与空气接触，从而防止DRI二次氧化的目的。

电炉在冶炼及维修过程中，为保证电炉操作与加料溜管互不干涉，在固定溜管的下方布置了热装旋转溜管。

热装旋转溜管的最大旋转角度为80°，热装旋转溜管的工作角度主要有3个，即0°、40°和80°，在冶炼过程中当电炉需连续加料时热装旋转溜管工作在0°，在电炉出渣和出钢时，电炉需向前、向后倾动，此时热装旋转溜管向炉前渣门方向旋转40°，从而避免了热装旋转溜管与固定在电炉炉盖上的受料管发生碰撞的可能；在电炉需要检修时，需要用车间内的吊车将电炉整体吊运到修理工位，此时热装旋转溜管旋转80°，从而不影响电炉的吊运。

由于电炉生产的原料不仅仅有HDRI，还需要大量的石灰、萤石等散料，因此，在此热装旋转溜管上还布置有一根普通的溜管，用于满足石灰等熔剂的加入需要。

热装旋转溜管和普通溜管均固定在同一旋转支撑上，在两根溜管的末端汇总为一根溜管，形成类似于三通的下料溜管。

电炉炉盖上的受料溜管固定在炉盖上，用于接收HDRI及电炉冶炼用的石灰、白云石等散状料熔剂，此处长期在高温烟气中工作，需采用水冷，冷却水引自炉盖冷却水系统。

电炉热装DRI存在两点问题：第一，炉内熔池大沸腾。

连续加入的DRI容易在炉子边缘堆集，而形成“冰山现象”。

一旦熔池温度升高或临界动力条件的变化，就会引起碳氧反应的剧烈进行，从而发生大沸腾，大喷溅。

为了避免这种情况的发生，需保证DRI能够加入到电炉的中心区域(即3根电极的中心位置)，使连续加入的DRI能够边加入边熔化，不产生堆集现象，为此将炉盖上的受料溜管布置在电炉炉盖上的中心区小炉盖范围内，并向电炉中心方向倾斜24°，保证DRI能加到电炉的中心区。

第二，DRI二次氧化。

由于DRI极易发生氧化，所以装料装置必须严格密封，本装置对于溜管分割段都进行了密封保护。

由于热装旋转溜管的旋转操作、溜管的变形以及热装旋转溜管的上部喇叭口比上面固定溜管的下口大等因素，热装旋转溜管与上部固定溜管之间必然留有间隙，600℃的HDRI从固定溜管进入到热装旋转溜管的过程中，为防止空气对DRI的二次氧化，特在此间隙处设置了第一氮气密封装置，氮气流的方向为斜向溜管中心线方向。

第二氮气密封装置位于热装旋转溜管和炉盖上的固定受料管之间。

原理同第一氮气密封装置。

此氮气密封装置的氮气流方向为斜向下吹向电炉内部，这种气流方向不但起到了防止。

DRI二次氧化的作用，也抑制了电炉内的烟气从电炉受料溜管的外溢。

氮气冷却系统主要是用于冷却加料溜管的内外层套管，保证了外层套管的刚度以及内层套管的耐磨强度。

此氮气冷却系统分为两部分，第一部分是上部溜管冷却系统，负责冷却从分配器至固定溜管末端之间的各段固定管道；第二部分是热装旋转溜管冷却系统，负责冷却热装旋转溜管，氮气管道能够随热装旋转溜管转动。

冷却用的氮气从各段溜管的外层套管上的进气孔进入内外套管之间。

3．3电炉热装DRI工艺要点
电炉大比例热装DRI(>70％)工艺要点如下：
(1)大留钢量
留钢量需比常规EBT电炉大一倍，目的是熔炼初期炉内即有足够的钢水形成熔池，通电加入DRI时就可以启动碳氧喷枪，对加速DRI的熔化，形成泡沫渣，防止熔池大沸腾、
大喷溅起到重要作用。

(2)提前放渣
尽早倾炉自动流渣，尽可能早地放出上一炉留下的残渣，以防止钢水回磷。

放渣后及时加入石灰，提高炉渣碱度，以利于脱磷，减少炉衬浸蚀。

(3)“恒”熔池炼钢工艺技术。

采用DRI电炉炼钢时，碳氧反应有一个临界温度(1500℃)，当熔池低于临界温度，碳氧反应进行缓慢，甚至处于停顿状态。

一旦熔池温度升高或临界动力条件的变化，就会引起碳氧反应的剧烈进行，发生大沸腾，大喷溅。

所谓“恒”熔池操作是指恒定熔池的温度，即：在电炉冶炼刚开始通电时，电炉炉内已有足够的钢水，连续加入DRI时，加入的炉料均沉浸在熔池里，必须控制熔池温度始终处于一个高于临界温度(1500℃)的状态(一般控制在1560℃左右)，根据经验需使熔池保持在1560℃以上，才能保证连续加入的DRI边加入边熔化。

要达到“恒”熔池操作，必须使供电制度、加料制度、吹氧制度以及喷碳制度相互匹配，才能保证冶炼过程平稳，从而有效防止大沸腾、大喷溅事故的发生。

图4为电炉供电制度及DRI加料制度，图5为电炉吹氧及喷碳制度。

如图4和图5所示，电炉采用的阶梯供电制度及吹氧制度，均匀喷碳。

其中，天然气是为了保护氧气射流，喷吹速率保持不变。

最初6分钟为电炉出钢及准备时间，此时熔池内的钢液温度与上次出钢温度一致，约为1620℃，并缓慢下降。

6分钟时，同时开始加料、供电及吹氧，此时熔池温度仍缓慢下降。

此时应迅速将供电功率提升到70MW以上，防止熔池温度急剧下降，并同时开始吹氧造泡沫渣。

加料10分钟以后，炉内已经积聚了一定量的DRI，熔池温度迅速下降，此时应迅速分级调高供电功率到电炉的工作功率，考虑到短网及变压器承受能力采用分级调压的形式。

随着供电功率的提高，DRI迅速熔化，熔池中的C含量增加，此时应迅速调高吹氧速率，将C迅速脱除，以防熔池中积聚太多的C，而造成C沸腾。

到35分钟以后，初始时积累的DRI已经基本熔化，此时熔池温度恒定在1600℃左右，此后DRI边加入边熔化。

前文已经提及，DRI中1．4％的C与其本身的FeO含量达到平衡，为了防止钢水过度氧化，此时应降低吹氧量到初始水平，保证CO产气量稳定。

这既有利于保持泡沫渣稳定，也能有效降低熔池中FeO的含量，提高金属收得率。

大约45钟时，炉内钢水已经接近额定容量，开始减少DRI加料量，同时供电功率也分级降低，到51分钟时停止加料。

停止加料后，供电功率维持在60MW，使钢液持续升温到1620℃。

(4)炉壁集束射流碳氧喷枪
集束氧枪氧气速度大于2．0马赫数，超音速射流长度最高可以保持至1．7m，可以使超音速流束穿透熔池并避免任何形式的大沸腾大喷溅的发生，保证冶炼过程平稳顺行。

由于DRI的密度介于炉渣和钢液之间，DRI加入电炉后停留在渣钢界面上，有一部分DRI和熔渣混合在一起，碳氧喷枪和喷吹技术，能够保证DRI有足够快的熔化速度。

(5)造泡沫渣
由于DRI中脉石含量及C含量均较高，电炉冶炼初期易于造泡沫渣，为长弧泡沫渣埋弧操作提供了良好的条件。

4 结论
通过对电炉DRI热装进行理论分析和工艺设计，得出以下结论：
(1)电炉100％热装600℃的：DRI不仅可以节省电耗，而且可以节省电极消耗。

同时，相比全废钢冶炼，有利于提高钢水质量。

(2)DRI重力溜送加料工艺优于气力输送工艺，为此设计了具有自主知识产权的加料装置。

热装装置可以实现连续加料，不与电炉生产相互影响，同时，装置具有良好的密封性能，可以防止DRI的二次氧化。

(3)总结出了电炉100％热装DRI的工艺要点：大留钢量、提前放渣、“恒”熔池炼钢工艺技术、炉壁集束氧枪喷碳吹氧及造泡沫渣。

参考文献。