直接还原铁在全球电炉炼钢企业中的应用调查（6）-天管
1发展历程
天津钢管是目前国内规模最大的石油套管生产基地，炼钢厂150t电弧炉生产工艺流程为：EAF→LF(VD)→CCM，其对炼钢生产中添加还原铁做了长期的系统的使用：
1）1992年5月7日开始热试，投产初期使用全废钢进行冶炼，每炉加料3次，冶炼周期较长且“五害”元素含量较高，每天冶炼10炉左右。
2）为提高冶炼速度，降低钢中“五害”元素含量，炼钢厂使用了进口的还原铁进行冶炼，为保证优质还原铁的及时供应，公司自己的直接还原铁厂于1996年11月份正式投入生产。
3）2003年炼钢厂开始采用热兑铁水工艺，实现了“废钢+铁水+还原铁”的一篮料冶炼操作，冶炼速度大幅度提高，2004年实现年产120万吨合格坯。
2 应用方向
2004年钢厂具备了废钢、铁水、还原铁三大料型进行配料的条件，为了取得高效的产能和低廉的制造成本，以优化配料作为切入点，降低冶炼成本。在铁水固定（单罐重～40吨）的情况下，通过加入不同量的还原铁进行冶炼过程指标测算，以低电耗、短周期为最终确定最优还原铁加入量。
3 加料方式
电炉采用高料仓连续加料装置，还原铁通过电炉高位料仓，经炉盖第五孔，连续加入炉内，从而减少了1次加料时间，缩短了冶炼周期。其他钢厂均无连续加料方式、主要通过料篮加入的方式加入。考虑到还原铁比重较轻、导磁性差，放在最底部不宜熔化，一般加入到电炉的中下部。布料顺序从底部到上部依次为生铁/铁水-还原铁-重钢-轻钢-钢屑。
4 加料方案
天管使用还原铁进行冶炼的加料方案有两种，分别为“废钢+铁水+还原铁” 和“废钢+还原铁”，两种配料见表1。还原铁的化学成分见表2。
表1 采用还原铁冶炼的配料方案
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配料方案 |
废钢/t |
铁水/t |
还原铁/t |
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方案1：废钢+铁水+还原铁 |
90 |
40 |
30～35 |
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方案2：废钢+还原铁 |
130（80+50） |
30～35 |
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方案3：废钢 |
130+30 |
表2 还原铁的化学成分
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元素 |
TFe |
MFe |
C |
S |
P |
粒度≥3mm |
|
含量 /％ |
94.54 |
89.74 |
0.32 |
0.017 |
0.032 |
97.3% |
5 还原铁使用效果
从还原铁加入量对电炉冶炼电耗、冶炼周期和钢中“五害”元素三个方面的影响分别进行比较。根据钢种“磷”含量要求的高低，即普通钢种（P≤0.025％）和高级钢种（P≤0.015％），分别进行对比。拟通过数据的统计分析，确定还原铁的最佳加入量。既能降低冶炼能耗、缩短冶炼周期，同时“五害”元素满足标准要求，指导后续的生产。
表3 钢种分类
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分 类 |
钢种牌号 |
|
普通钢种 |
20 45 Q345B 30Mn5 34Mn5 37Mn5 |
|
高级钢种 |
27CrMo27Vs 27CrMo44s 12MnNbVs 25CrMo48V 1Cr5Mo |
1）还原铁加入量对冶炼电耗及冶炼周期的影响
在方案1中，随着还原铁量的增加，电耗逐渐升高，冶炼时间先减少，后增大当超过35t加入量的时候，电耗急剧增加，冶炼时间急剧增大，对应加入比例为22.5%。
方案2表明，废钢+海绵铁的冶炼方式，随着海绵铁加入量的增加，电耗和冶炼时间均先降低，后增大，当加入量为30-35吨时，有利于冶炼操作，对应的海绵铁加入比例为不超过25%。
3）还原铁加入量对“五害”元素的影响
目前炼钢厂对于“五害”元素的分析主要考虑砷（As）和锡（Sn），由于铁水和生铁的五害元素含量比较稳定。下面我们将还原铁不同的加入量对于砷（As）和锡（Sn）平均含量的影响进行比较，见表4。
表4 还原铁加入量对五害的影响
|
还原铁加入量 t |
0 |
≤10 |
11～15 |
16～20 |
21～25 |
26～30 |
|
统计炉数 |
90 |
73 |
153 |
151 |
200 |
278 |
|
平均As+Sn ppm |
287 |
279 |
260 |
248 |
212 |
187 |
根据表4作趋势图如下图3：
图3 还原铁加入量对五害元素影响
由图3可知，当入炉铁水和生铁总量一定的情况下，钢中“五害”元素（As和Sn）的残留随着还原铁加入量的增加而降低。因此，可以说，还原铁稀释了钢中的“五害”元素，对冶炼纯净钢提供了保证。
4）与全废钢冶炼的对比
考虑方案3全废钢冶炼，与方案1和2进行对比。
图3 三种方案电耗对比结果（4000炉数据）
由上图可知，不同的方案，对应的电耗水平稳定，波动性不大，方案之间全废钢冶炼电耗最高，废钢+还原铁电耗较低，低30kwh左右，废钢+铁水+还原铁最低，主要是由于铁水带入了大量的物理热。
图4 三种方案冶炼周期对比结果（4000炉数据）
由上图可知，不同的方案，对应的冶炼周期稳定，波动性不大，方案之间全废钢冶炼周期最高，废钢+还原铁周期较短，低5-10min左右，废钢+铁水+还原铁最低，原因也主要是由于铁水带入了大量的物理热。
图5 三种方案五害元素对比结果（2100炉数据）
图6 三种方案Cu元素对比结果（3000炉数据）
由图5、图6可知，全废钢五害及Cu残余最高，废钢+还原铁次之，废钢+铁水+还原铁最低，主要是由于还原铁和铁水相对废钢纯净，带入的有害元素少。
6小结
生产实践表明：
1）当还原铁加入量在30～35t的时候，即加入比例20-25%时，对废钢+还原铁或废钢+铁水+还原铁这两种方案，其吨钢电耗、冶炼周期和“五害”元素等各项指标均处于最佳状态。
2）相对于全废钢冶炼，适当加入还原铁和铁水的生产方式，更有利于降低电耗、缩短冶炼时间以及降低钢水中的残余元素。
7 结语
对于电炉钢厂而言，由于废钢使用比例高、且自产废钢多次循环导致残余元素富集。为稀释废钢中的残余元素，净化炉料，保证返回废钢良性循环，就必须用'干净'的钢铁料来稀释，还原铁恰好能起到这种作用。而如果大量采用生铁，由于生铁本身碳、磷、硫含量高，为去除磷、硫需加入足够的矿石、石灰和萤石才能做到。这样，增加了辅助材料的消耗，增加炼钢成本，延长冶炼时间。因此，质量要求较高的钢厂尤其是在对产品有特殊要求时，使用还原铁是很好的选择之一。
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