【行业资讯】国际内参:炉顶直接还原铁装料的Consteel电弧炉
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虽然传统的电弧炉将直接还原铁(DRI)作为炉料中铁的来源，但是在装有连续废钢预热装置的Consteel电弧炉中使用DRI治炼的方法还未被大规模采用。由于一些已经在Consteel电弧炉中使用DRI的工厂好评连连，为了找寻Constel废钢连续装料和炉顶DRI连续装料之间的最佳平衡点，工厂从工艺研究，冶金计算等方面均已进行了多次试验。
DRI的成分十分重要，并且对产量、流量增量、渣重、能量、装料率以及耗氧量等生产参数有直接影响。DRI的成分取决于矿石的来源。DRI的生产工艺和操作参数的选择也影响其化学成分。
DRI生产途径之一，就是HYL法的自重整(Self-Reforming) 工艺，可将DRI的重要组分—碳化铁(Fe3C)的含碳量提升至4%以上(图1)。相比之下，其他工艺通常无法使大部分的碳化合成Fe3C而存在于DRI中。在电炉中使用DRI的情况下，这种差别就显得非常明显。为了避免在电弧炉气氛中燃烧造成自由碳的损失，因此DRI中最好是Fe3C而不是铁元素和碳元素。
图1 HYL白我重整工艺坚炉中DRI可能的含碳量
采用HYL法生产直接还原铁，其含碳量可达6%，超过高炉生铁的含碳量(～4%)。碳可通过反应产生能量:
这些反应可使DRI每1%的碳中多产生37kWh/tls的能量，尤其是在碳以Fe3C的化合物形式存在的情况下。
1 电炉中添加DRI的原因
在电炉中添加DRI作为其部分或全部的铁单元，原因有两个：控制残余，以及高级废钢的缺乏。
世界上某些地区的可用废钢是有限的。小型钢厂对废钢市场造成的压力迫使废钢用户转向低级原料，比如废弃废钢。废弃废钢的主要问题就是质量问题。随着电弧炉数量的增长，废钢需求量也快速的增加，同时也造成了其他元素的污染。如铬、镍、钼、铜和锡等残渣，根据废钢的种类不同，其含量从0.15%到0.75%不等。残渣不利于成品钢的力学性能。因此，利用废钢装料的电炉炼钢，通常不生产优质钢和低碳钢。另一个问题就是氮。电炉钢中的含氮量高于转炉钢。因此，电炉生产的钢材一般具有较差的时效特性，不适用于生产深冲板等。
2 使用DRI的优势
DRI装料的优势有很多如:
（1）与球团相近，组分已知；
（2）没有游离元素；
（3）纯度高或没有非金属物质，提高了生产率，井降低了能耗；
（3）电弧炉操作更方便:可用吊篮或连续装料的方式将直接还原球随着废钢一起倒入电弧炉中；
（4）有效性:不同于低残留废钢供应，通常市场上都有DRI；
（5）伴生碳:与废钢相比，DRI有额外效益，当形成复合碳的时候还有相关能量产生；
（6）易产生泡沫渣；
（7）直接装料:当温度大于600℃时，将热的DRI直接入炉，利用DRI的能量值可减少能耗16%-20%;
（8）易于操作和储存:利用连续进料系统可不打开炉顶进料。同时，更稳定的钢液表面可减少电极断裂的风险:
（9）DRI和废钢混料允许使用更低品质的废钢:
（10）更环保:避免电炉粉尘如铅、镉等有害污染物的产生，减少二恶英和呋喃的形成。
尤其是HYL路线符合世界上最严格的环保法规，不需要额外增加处理天然气中重质烃和铁矿石中硫的设备，以及脱硝设备。由于HYL工艺的整体能量集成使得即使没有空气预热也能实现能量回收，因此NOx的浓度可低于环境限制水平。
3 在传统电护中使用DRI
通常情况下，如果电炉中DRI装料量低于总装料量的25%，则可用废钢吊篮进行装料。如果废钢吊篮中的DRI没有散开，则会形成“冰山”，即所谓的“铁山”。随着装料吊篮中DRI的比例增加，则一铁山”也随之增加。
图2特尔尼翁Hylsa厂通过炉顶斜槽进行DRI装料
另一种更为有效的DRI装料方法，是将传送带安装在电炉顶斜槽，通过传送带直接投放(图2)。当大比例使用DRI时，这种方法为熔化过程起到了良好的控制作用。传送带给料机是由泰纳瑞斯世特佳钢厂(Tenaris Siderea) 和安米Acindar公司于1980-1990 年发明的，该装置在钢材质量和具体的关键绩效指标(KPI)上取得了优异成绩
DRI被连续投放进一个扁平熔池内。炉渣的后续发泡对电弧的绝缘性和炉内耐火材料的保护来说是十分必要的。泡沫渣也降低了炉渣的密度，使其可穿透到熔池。DRI装料的电弧炉功率输入不同于废钢给料的电弧炉。当加热过程中开始提高装料速度时，其电弧长度和相应的功率输入可不必再保持较低水平。
为了找出DRI的最佳装料速度，已经进行了不少研究。现代氧气喷射器发挥的作用是至关重要的。对于废钢吊篮装料和无多点注氧连续给料DRI的电炉，通常装料速度为30kg/(min·MW)的范围。如果采用多点注氧，装料速度可以提至40kg/( min·MW)。
4 采用炉顶装料的Consteel电弧炉
对电炉进行DRI连续装料的工艺是由20世纪80年代Joln A Vllomy的连续废钢装料理念发展而成的。
当时的问题是要找到一个可靠的传送装置将装载着预加热的废钢送进电炉中。经过25年的试验，连续装料已经成为了超过45家钢厂的实际生产技术。表1总结了DRI电弧炉装料的好处，在这一电弧炉中，废钢通过Conte电弧炉连续装料或通过传统的吊篮装料。
表1不同装料方式的比较
5 废钢吊篮装料与连续装料的比较
在这两种情况下，均有部分DRI是通过炉顶连续装料。本案例提供了一个现代微型工厂电弧炉一年 300天利用100%废钢或者40%废钢+60%冷装DRI料生产300kt液态钢的典型试验结果。Consteel 传送带用于废钢装料，DRI可通过炉顶直接装料，与所需炉渣和渗碳添加剂混合。表2介绍了EAF的参数。为了便于比较，两种情况的平均有效功率和超音速氧喷嘴结构均相同。然而，考虑到新增了3个富氧燃烧器的情况，因此进行了吊篮式炉的模拟运转。
表 二 EAF 参数
表3 介绍了用于计算的金属装料参数。
表3 计算用金属装料参数
EAF拥有:
（1）一个活动门水冷氧枪，额定值为:①1650 Nm3/h超音速氧气流量:②喷吹煤粉流量可达60kg/min；
（2）两个DPP元件底部多孔插头用于ArN2吹扫;每-行 ArN2注入流量可达300N/min。
图3给电弧炉一边配置Consteel传送带投料，从炉项装DRI
图3指明了熔炉顶口投放添加剂和DRI的位置。DRI通过一个充分倾斜的斜槽进入EAF，到达近乎介于三电极中心的位置。
6 结论
图4和图5比较了两种装料方式下供电时长(深灰色)和装料周期(灰色)之间的关系。图4为40%废钢吊盛装料+60%DRI连续装料的方式。图5为利用Consteel电弧炉装料40%废钢+60%DRI连续装料的方式。
因此，在电力相同的情况下，利用Consteel电炉连续装料40%废钢以及60%冷装DRI料的生产率可显著提高(+7.2%)，且KPI也更好。原因如下:
（1）无废钢吊篮意味着更短的断电时间以及无能量损耗;
（2）用Consteel电炉从开始便可同时添加废钢和DRI,用废钢吊篮装料需先有一定量废钢熔化后再投放DRI:不同的熔融步骤意味着存在短暂的低效率;◆由于装DRI时，反应生成高浓度CO, 可促进生成良好的泡沫渣，因此-开始便同时添加废钢和DRI,可增强电弧的覆盖面。增强炼钢过程中的电弧稳定性和电弧效率:低功耗和低能耗。
（3）在使用Consteel电炉时，DRI的化学成分导致富含CO烟气，从而增强废钢的预热效果。表4比较了两种装料方式的关键操作参数。
7 最新试验成果
在韩国的Consteel电弧炉厂试验中，DRI和HBI通过炉顶直接装料。HBI也可通过传送带装料。经过多次试验确定，DRI从炉顶直接装料，HBI 则通过传送带装料的方式最为有效。
通电3分钟后，通过炉顶装料DRI,停止装料5分钟后，停止投放废钢。为了提高整体进给率，平衡炉内温度分布，该操作须保持平行进给。虽然利用Consteel电炉装料无法避免DRI氧化，但HBI可通过传送带装料时，被炉内尾气加热。
试验证明，当炉内温度保持在约1550℃ (2820°F)或更高时，效果最好。DRI球团快速熔化，避免形成铁山。可形成极稳定的泡沫渣，且有功功率通常比单独熔化废钢时的功率高10%。为了加速DRI熔化以及促进其循环，在DRI接触的熔池附近注射氧气是非常有益的。在装DRI时，提高了有效功率，实现供电时问较短或类似的效果。
此Consteel电弧炉，出钢量为160吨，DRI的化学作用多样化程度可比拟从市场上购买的品种。装DRI (占总投放量的25%)出钢45吨的典型操作结果为:(1)供电时间38-42分钟; (2)耗电量330-380 kWh/t; (3) 耗氧量28-31 Nm3/t; (4)碳注入12-15 kg/t。
图6和图7总结了1500种温度下利用Consteel炉顶装料DRI的数据。当大量DRI通过炉项投放时，传送带的速度必须降低，否则废钢停留在滑道中的时间过短，从而导致电炉尾气的热量无法有效传递给废钢。
8 装料灵活性
利用废钢吊篮投放废钢是不连续操作。尽量减少废钢吊篮的数量有利于避免每次打开炉顶造成的热量损耗。利用废钢吊篮装料的电炉DRI装料量不允许超过总量的25%。考虑到一个传统的两吊篮式电弧炉，第一吊篮装料量占总量60%，DRI从炉顶装料。为了避免再次装料,则通过炉顶装料DRI须占总装料量的40%。如果可用DRI的数量不够，则必须再次装料以获取废钢的平衡。由此，打开炉顶会造成能量损失，且第二次装料也会浪费时间。这些降低了通过炉顶装DRI获得的效益。
相比之下，Consteel 电弧炉可以实现连续装料，且任何比例的废钢均可与自炉顶投放的DRI料相平衡。
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