直接還原鐵在現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定，有害雜質含量比較低，粒度相對均勻。直接還原鐵作為現代冶金過程中的優質原料，在冶金中發揮至關重要的作用。近些年來，直接還原鐵在電爐冶煉優質鋼、高爐與其他熔煉爐中的應用都比較普遍，能夠有效提升生產效率，降低焦比，對提升現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轉爐冷卻劑以及平爐有效金屬原料中進行應用，也能夠發揮積極作用。

1 直接還原鐵概述

1.1 物理性質

在電爐冶煉過程中，對直接還原鐵進行應用時，要求直接還鐵為均勻規則形狀，方便進行用料管理并開展連續加料作業。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。為了保證直接還原鐵能夠快速穿過渣層與鋼液接觸，對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，粒度過小可能會導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，需要從直接還原鐵的密度出發進行分析。一般回轉密窖產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。在電爐連續裝料過程中，可以進行有效應用高密度的整裝，適用范圍比較廣。長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用時，必須進行壓塊之后才能在電爐煉鋼中進行應用。通常煤氣直接還原法生產獲取的直接還原鐵堆密度比較低，僅為1.8~2.0t/m3。在電爐生產過程中直接還原鐵的密度越高，能夠提高電爐的生產效率，降低直接還原鐵的再氧化情況。在操作過程中提高操作溫度，可以提升直接還原鐵的密度。但是會在一定程度上影響直接還原操作水平和能耗。在生產過程中需要根據電爐冶煉產品的具體要求對密度和操作條件進行合理選擇[1]。

1.2 化學性質

對直接還原鐵的化學性質進行分析的過程中，需要從全鐵含量與脈石含量量兩方面出發對直接還原鐵的質量進行準確判斷。其中全鐵含量會對鐵的收得率產生直接影響。而脈石含量在一定程度上決定了直接還原鐵在應用過程中配入量。在確定脈石含量時，需要從不同性質的脈石出發，脈石包括酸性以及堿性脈石。酸性脈石的主要成分為SiO2、Al2O3。酸性脈石含量過高，會導致電爐煉鋼過程中的渣量增加，對電爐的電能損耗產生直接影響。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，電爐煉鋼的渣量比全廢鋼冶煉的渣量更多。這會大大增加電爐的整體能耗并且影響冶煉產品的產量。因此，為了防止在冶煉過程中渣量過多，需要根據直接還原鐵的酸性脈石含量，對最大配入量進行準確控制。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的合理范圍內[2]。

直接還原鐵內鐵的氧化物在煉鋼過程中會進入到爐渣，導致金屬回收率降低。為了提高金屬回收率，需要補充碳以及熱量，通過化學反應達到回收金屬的目的。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系。與此同時，直接還原鐵的金屬化率對電爐電能消耗的影響程度會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內容。如果廢鋼質量比較差，廢鋼的含碳量相對較高，在冶煉過程中進行脫碳反應可以補償因為加入直接還原鐵導致的電能消耗情況，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，可能會對熔池的強烈沸騰產生影響，同時電能消耗增加。在利用連續加入直接還原鐵進行冶煉時，電能消耗與直接還原鐵的加入速度相對應，能夠縮短冶煉時間，從而保證電爐處于最大輸入功率狀態，提高電爐的整體產量。利用分批加入直接還原鐵的方式進行冶煉，如果加料不當，例如直接還原鐵過于集中或者靠近爐墻，可能會導致直接還原鐵堆積或者在爐墻上粘結，導致熔化時間延長，增加電能消耗。因此，在直接還原鐵應用過程中，其金屬化率與電爐的冶煉條件、冶煉鋼種存在密切聯系。現階段，國際上對在電爐冶煉過程中直接還原鐵的金屬化率要求是在90%以上，我國很多電爐鋼廠是用生鐵和鐵水進行冶煉，電爐的任務比較繁瑣，直接還原鐵的金屬化率相對較低。因此，必須對電爐冶煉條件進行改善，生產較低水平的金屬化率直接還原鐵，同時降低直接還原鐵的能耗，保證直接還原設備的生產效率。除此之外，直接還原鐵內的硫、磷含量等會對其應用價值產生影響。通常鋼中的硫、磷含量必須在0.03%以下，一些優質鋼的含量甚至要求在0.015%以下。因此，在直接還原鐵應用過程中，硫、磷的含量最好在0.03%以下。對一些優質鋼種進行冶煉時，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、磷含量過高可能會導致電爐出現額外的脫硫、脫磷負擔，除了會增加電能消耗之外，還會導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對直接還原鐵的使用價值產生直接重要影響。因為Cu、Sn、Sb、Pb、Cr、Ni等元素在廢鋼循環中的去除效率比較低，在冶煉潔凈優質鋼種的過程中，這些殘余元素超標會對鋼種的質量產生直接影響。而利用直接還原鐵可以對各種的非鐵元素含量進行有效控制和稀釋，尤其是一些高級鋼種要求的雜質元素含量比較低，只能利用直接還原鐵作為原料。因為冶煉鋼種不同對非鐵元素的限制也具有一定差異。因此，在對直接還原鐵中的非鐵元素含量進行控制時，需要根據冶煉鋼種的具體要求選擇直接還原鐵。

2 直接還原鐵在現代冶金中的作用

2.1 作為電爐優質原料的作用

在對直接還原鐵在電爐冶金中的作用進行分析的過程中，需要分析直接還原鐵在電爐中的使用效果。經過綜合分析，直接還原鐵在電爐生產優質鋼中的使用效果表現在以下方面：第一，電爐鋼中的殘留金屬與有害元素含量比較低。在實際冶煉過程中，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。對鋼中金屬含量與有害元素含量的具體變化進行對比，可以發現因為直接還原鐵內中本身不含有Cr、Ni、Cu等殘留金屬元素，其作為原料在電爐優質鋼冶煉過程中進行有效應用，其使用效果可以與轉爐媲美。并且因為連續裝入直接還原鐵會產生沸騰效果，N2含量與轉爐生產水平類似。此外，因為在冶煉過程中多次循環應用涂鍍層鋼鐵制品，廢鋼內的有害雜質會不斷增加，能夠提升電爐鋼的冶煉質量。第二，能夠大大縮短電爐煉鋼時間。在電爐料中的直接還原鐵比例不斷在增加的情況下，實際煉鋼時間大大縮短。經過對比發現，直接還原鐵的比例從30%增加到90%時，煉鋼時間會縮短大約10分鐘左右。第三，在電爐中對直接還原鐵進行應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，電能消耗量會出現降低趨勢，并且鐵的收得率會不斷上升。第四，能夠有效改善和優化鋼的機械性能。對直接還原鐵進行應用可以發現，電爐鋼的屈服強度、應變時效、成型性、內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100%的直接還原鐵與100%的廢鋼進行對比，屈服強度可以降低大約15%左右，提升了電爐產品的質量。從這一方面進行分析，可以確定利用直接還原鐵進行電爐煉鋼，能夠冶煉出優質品種的鋼。現階段，直接還原鐵在國內外電爐應用過程中主要作用是提高冶煉鋼品種的質量，確保冶煉的鋼品種能夠滿足特殊用途。例如石油工業的石油套管、鉆桿；在機械工業生產過程中使用的深沖汽車板；特殊用途的鋼絲以及鋼材等，例如軸承、鋼氣輪、發電機轉子、炮管、航天航空、原子能工業等使用的鋼材等。對直接還原鐵電爐冶煉產品的綜合質量進行分析發現充分利用直接還原鐵能夠大大提高電爐冶煉產品的整體質量，這為促進優質品種鋼的生產奠定了良好基礎。第五，利用熱裝直接還原鐵能夠達到節能增產的目的。在直接還原鐵熱裝溫度不斷提高的過程中，能源的需要量呈總體下降趨勢，能源總節約量也相對較大。對能源變化情況進行對比分析發現直接還原鐵的熱裝溫度在300攝氏度時，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，電爐的生產率呈上升趨勢。第六，在直接還原鐵中的高碳效應，高碳直接還原鐵不管是進行冷裝還是熱裝都可以提高電爐的生產率，同時能夠降低煉鋼成本。主要是因為高碳直接還原鐵的含碳量比較高，能夠增加氧的使用量，提高整體生產效率。并且在高碳直接還原鐵應用過程中，碳的存在形態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不斷降低[3]。

2.2 作為高爐優質原料的作用

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率。具體的作用表現為：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%，熔損反應能夠減少40%左右，可以提高高爐冶煉產品約20%的產量。此外，鐵礦石與焦炭預熱需要的顯熱分別降低10%、21%。在上世紀90年代初，日本某煉鋼企業的高爐在生產實踐中加入直接還原鐵就證實了這個研究結果。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IG能夠提升20%左右。并且當時日本的煉鋼廠在高爐冶煉過程中，配加20%左右的直接還原鐵，使用大約為9%的氧，最終發現富氧率的不斷增加能夠在一定程度上增加燃料比，提升高爐冶煉產量。

3 結語

綜上所述，在現代冶金事業發展中，重視直接還原鐵的有效應用對提升冶金事業的綜合效益有積極幫助。可以說直接還原鐵在現代冶金事業中的有效應用是我國21世紀鋼鐵企業發展中必須重視的重要研究內容。在我國工業化發展水平越來越高的背景下，必須利用先進技術提高鋼鐵冶煉效率與質量，要確保鋼鐵質量和性能可以滿足不同領域的使用需求。在分析現代冶金中直接還原鐵的作用時，需要從電爐冶煉、高爐冶煉兩方面出發，深入探索直接還原鐵對現代冶金的積極意義。

經過研究可以獲取以下結論：第一，在電爐優質鋼冶煉過程中使用一定比例的直接還原鐵可以提高優質鋼的機械性能與整體質量。同時對直接還原鐵的應用比例進行合理控制，可以達到節能增產的目的，這對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行應用，可以降低高爐煉鋼的焦比，同時提升高爐煉鋼產量。大大提高了高爐煉鋼的經濟效益。

綜上，在未來的冶金行業不斷發展的過程中，需要重視對直接還原鐵進行深入研究，根據冶金行業的實際發展現狀探索直接還原鐵的應用潛能，充分發揮直接還原鐵在現代冶金中的積極作用，促進我國現代冶金行業的穩定持續發展。