使用直接还原铁的炼钢生产(一)

　　序言
　　世界上绝大部分的小钢厂主要生产钢筋、网用钢筋和型钢等产品。这些产品所允许的残留元素数量相对较高，故此金属炉料一般由廉价废钢构成，而废钢化学成分的波动是相当大的。随着小钢厂技术的飞速发展，如超高功率电弧炉、钢包炉、近终型连铸等，一些小钢厂开始生产高碳棒线、深冲钢等高级产品。对于高级钢种的生产，金属炉料中所允许的残留量相当低，这就需要优质生产原料。故此，来自各种加工工艺的洁净废钢，尤其是来自汽车工业的打包深冲钢板就成为最好的生产原料。然而，汽车打包废钢资源有限，生铁成本又高，使得这两种金属炉料的价格高居不下。
　　因为深冲钢板碳含量非常低，经常需要添加一定数量的价格昂贵的生铁来保证炼钢、精炼过程中的碳沸腾。鉴于这些情况，越来越多的生产高级钢种的小钢厂开始使用直接还原铁(DRI)和热压块铁(HBI)来作为替代炉料。洁净的化学组分是HBI和DRI突出的性质，使它们成为电炉炼钢一个稳定、可靠的分支。
　　DRI和HBI中夹杂物和有害元素的数量由直接还原工艺所使用的矿石类型决定。高炉铁水从焦炭中吸取了相当数量的硫。与高炉工艺不同的是使用其气基还原工艺生产的DRI和HBI，其质量不受这种因素的影响。

　　DR技术现状
　　新冶金工艺的开发，尤其是像直接还原这样的复杂工艺，需要时间和金钱。通常的分阶段开发是以实验室装置为起点，其后是中试厂，再后是逐渐扩大设备尺寸，提高产量。单套设备产能达到150―200万t的规模要走过10年的时间。在长期的发展 中，生产经验的获取是由各种挫折、时间与金钱的损失换来的。
打算参与新DR工艺概念开发的投资人在规划项目时应该十分小心，尤其是在类似商业工艺已经存在的情况下。对新工艺的评估结果应该是相对于现有工艺在能源消耗、投资成本、煤气与原料使用方面表现出突出的优势。有一点需要记住，即便是投入了相当的时间与资金，新工艺也会频繁的销声匿迹。

　　直接还原技术发展到今天已出现大量的工艺。表1罗列了已实现商业化的DR工艺，HYI与Midrex占据了世界DRI与HBI总产能的80％。其中的许多工艺完成了实验室和中试阶段，但相当一部分在技术上或者经济上是不可行的，故此被放弃。然而，有一些工艺取得了成功，随后又被改进，并实现了工业规模，但最终不能达到设计的技术与经济指标，也被放弃。

表1商业化的直接还原工艺

　　现代气基直接还原工艺已经发展数十年，能生产一定质量、数量的产品，为解决特定用户的需求提供了灵活性。这种工艺的原料范围广，如DR球团矿、DR块矿和DR矿粉等都能处理。在还原剂方面，可以使用天然气、煤炭和燃油等。

　　两种主要的直接还原工艺，即Midrex和HYL都是气基竖炉工艺。这两种工艺使用DR球团和块矿作生产原料。他们处理各种矿石原料的能力已经得到广泛证明，运转效果良好，设备可靠性超过90%。今天，基于这两种技术的全球的工业设备生产了90％以上的DRI/HBI。对比成熟技术与未经商业检验的新技术，投资者建设新装备而不采用那些经过长期使用的可降低投资风险的技术时，应充分考虑技术和商业风险。
一些全新的或经过改进的DR技术已经走进市场，如碳化铁、Finmet和Circored等。然而，工业化装备还没有问世，在某种程度上，这些工艺的性能也没有得到验证。所有这些可供选择的新技术在投产与推广应用，以及资金方面已经远远超出了原先的规划。

　　DRI与HBI的质量
　　直接还原工艺的主产品是直接还原铁(DRI)，其形态根据人炉原料的不同而变化多样，如球团、块状和压块等。直接还原工艺的原料条件主要由还原设备与炼钢设备组合的经济性决定。直接还原铁是指直接利用球团或者块矿还原得到的产物，不改变其还原后的物理形状。小于3mm的颗粒称作DRI粉，通常要进行筛分。热压块铁(HBI)是还原产物经热压块系统处理后的产品，提高了密度，降低了表面积。HBI的密度从球团／块矿的表观密度2―3t／m3提高到5t／m³。经这种方式处理后，直接还原铁就能像废钢一样储运。筛分出的DRI粉可添加粘结剂进行冷固造块，但其强度和稳定性均不如HBI。另一种可选的方法是，一些钢厂利用干燥的压缩空气将DRI粉吹人钢水熔池。
　　DRI与HBI的主要参数是金属化率和含碳量。高金属化率总是人们所期望的，它有助于钢厂降低生产成本。金属化率高，则可以降低电耗和电极消耗，提高产率。商业原料的金属化率通常介于91％―93％之间。对于在联合钢铁企业内部使用时，DRI的金属化率可达到95％。
DRI与HBI中的碳在电炉炼钢中扮演者重要的角色。根据具体的炼钢生产活动，其含碳量要调整到不同的水平。例如，生产超低碳钢的用户就要求非常低的碳含量。对于其它情况，DRI与HBI中碳含量较高是有好处的。然而，就所有情况而论，一定数量的碳是必需的，用来充当DRI中残余氧化铁的还原剂。另外，利用吹氧操作，过余碳可用来提供化学能。该技术能缩短熔化时间，实现必要的碳沸腾。生产工艺参数上的少许差别使得DRI和HBI这两种产品在碳含量方面有明显的差距。HBI的碳含量通常在0．9％―1．2％的范围内，而DRI一般在1．5％―2．5％间波动。在某些工艺中，如HYL自重整工艺DRI的碳含量可达到5％。
　　脉石乃是铁矿石和DRI中的有色金属矿物，由不可还原氧化物构成，如Si0₂、A1₂0₃、CaO和MgO等。使用优质矿石进行直接还原生产是基于经济性的考虑。脉石含量高，尤其是二氧化硅的含量高时，导致炼钢过程的渣量增加，进而影响了成本效率。因此，直接还原生产厂通常寻求脉石少的铁矿石。

　　DRI与HBI的储运
　　成功的DRI商业活动暗示着它的运输和长期储藏是不成问题的，即要求能够保持产品原有的物理与化学性质。所有的DRI对二次氧化是敏感的，因此必须采用适当的处理和储藏手段防止二次氧化，即降低产品的金属化率。对于HBI这种材料，因其密度大、表面积小，故此要稳定的多，能像废钢一样运输、储藏。
　　DRI的活性(二次氧化)是指当与空气、水等氧化剂接触时，金属铁向更高价态转变。因其固有的性质和结构，如气孔率高、密度小、表面积大、导热率低等，DRI的反应方式与固体钢铁有着很大的差别。DRI迅速氧化的倾向和表面积与体积的比值大有关系。现已经确定，表面积与DRI的活性有直接关系，它依赖于矿石原料的性质和具体的还原生产条件。
　　现在已经证实，促使DRI二次氧化的主要条件是温度突然升高。二次氧化是放热反应，如果热量能够释放，则DRI的温度将趋于大气温度。但如果热量转移缓慢，则温度上升，加速二次氧化，最终达到不稳定状态。正是因为这个原因，应避免其直接接触热源。经过验证的能降低二次氧化速率的方法是改变DRI的结构，减小表面积，提高密度，借此来提高导热率。这通常用热压块系统实现，即对DRI施加一定的压力，使其更密实。
　　全球约20％的直接还原铁采用水路运输。事实上，已经开发出了用于在全球大规模水路运输的安全手段。对于金属粉尘问题已经通过适当的装卸、运输、储藏等装置解决。因为HBI的钝化性质，它是更好的材料，尤其适合海外贸易。约20％的直接还原铁是以HBI形式发货。大部分用户只在炉料中使用10％―20％的HBI，他们通常对HBI的低残留、高密度感到满意。