直接还原铁在现代冶金中的作用探讨

汪翔宇

（唐山奥特斯科技有限公司，河北 唐山 063020）

直接还原铁的成分比较稳定，有害杂质含量比较低，粒度相对均匀。直接还原铁作为现代冶金过程中的优质原料，在冶金中发挥至关重要的作用。近些年来，直接还原铁在电炉冶炼优质钢、高炉与其他熔炼炉中的应用都比较普遍，能够有效提升生产效率，降低焦比，对提升现代冶金的整体效益有积极意义。此外，直接还原铁还可以在LD转炉冷却剂以及平炉有效金属原料中进行应用，也能够发挥积极作用。

1 直接还原铁概述

1.1 物理性质

在电炉冶炼过程中，对直接还原铁进行应用时，要求直接还铁为均匀规则形状，方便进行用料管理并开展连续加料作业。将直接还原铁装在框中可以填充废钢空隙，增加入炉料的密度，减少加料次数。为了保证直接还原铁能够快速穿过渣层与钢液接触，对直接还原铁的粒度也有一定要求。一般直接还原铁的粒度要在5mm以上，粒度过小可能会导致直接还原铁被炉气或者炉渣带走，增加损失。在确定直接还原铁的适宜粒度时，需要从直接还原铁的密度出发进行分析。一般回转密窖产生的直接还原铁粒度在5mm~20mm左右，平均粒度为10mm~20mm，堆密度为1.8~2.2t/m3。在电炉连续装料过程中，可以进行有效应用高密度的整装，适用范围比较广。长柱状的直接还原铁只能利用框装方式加入到电炉中。一些3mm以下的粉末直接还原铁应用时，必须进行压块之后才能在电炉炼钢中进行应用。通常煤气直接还原法生产获取的直接还原铁堆密度比较低，仅为1.8~2.0t/m3。在电炉生产过程中直接还原铁的密度越高，能够提高电炉的生产效率，降低直接还原铁的再氧化情况。在操作过程中提高操作温度，可以提升直接还原铁的密度。但是会在一定程度上影响直接还原操作水平和能耗。在生产过程中需要根据电炉冶炼产品的具体要求对密度和操作条件进行合理选择[1]。

1.2 化学性质

对直接还原铁的化学性质进行分析的过程中，需要从全铁含量与脉石含量量两方面出发对直接还原铁的质量进行准确判断。其中全铁含量会对铁的收得率产生直接影响。而脉石含量在一定程度上决定了直接还原铁在应用过程中配入量。在确定脉石含量时，需要从不同性质的脉石出发，脉石包括酸性以及碱性脉石。酸性脉石的主要成分为SiO2、Al2O3。酸性脉石含量过高，会导致电炉炼钢过程中的渣量增加，对电炉的电能损耗产生直接影响。如果直接还原铁的酸性脉石含量为4%，直接还原铁的配入量在50%时，电炉炼钢的渣量比全废钢冶炼的渣量更多。这会大大增加电炉的整体能耗并且影响冶炼产品的产量。因此，为了防止在冶炼过程中渣量过多，需要根据直接还原铁的酸性脉石含量，对最大配入量进行准确控制。酸性脉石含量越高。允许的直接还原铁的配入量越低。如果直接还原铁的含碱量比较高，可以适量增加脉石含量，但是需要注意要保持脉石的总含量维持在电炉冶炼总渣量不超标的合理范围内[2]。

直接还原铁内铁的氧化物在炼钢过程中会进入到炉渣，导致金属回收率降低。为了提高金属回收率，需要补充碳以及热量，通过化学反应达到回收金属的目的。因此，直接还原铁的金属化率高低与电炉的电能消耗量有直接联系。与此同时，直接还原铁的金属化率对电炉电能消耗的影响程度会在一定程度上决定冶炼钢种、废钢成分、配碳以及操作条件等各项内容。如果废钢质量比较差，废钢的含碳量相对较高，在冶炼过程中进行脱碳反应可以补偿因为加入直接还原铁导致的电能消耗情况，从而降低总电能消耗。但是如果使用的直接还原铁金属化率比较高，可能会对熔池的强烈沸腾产生影响，同时电能消耗增加。在利用连续加入直接还原铁进行冶炼时，电能消耗与直接还原铁的加入速度相对应，能够缩短冶炼时间，从而保证电炉处于最大输入功率状态，提高电炉的整体产量。利用分批加入直接还原铁的方式进行冶炼，如果加料不当，例如直接还原铁过于集中或者靠近炉墙，可能会导致直接还原铁堆积或者在炉墙上粘结，导致熔化时间延长，增加电能消耗。因此，在直接还原铁应用过程中，其金属化率与电炉的冶炼条件、冶炼钢种存在密切联系。现阶段，国际上对在电炉冶炼过程中直接还原铁的金属化率要求是在90%以上，我国很多电炉钢厂是用生铁和铁水进行冶炼，电炉的任务比较繁琐，直接还原铁的金属化率相对较低。因此，必须对电炉冶炼条件进行改善，生产较低水平的金属化率直接还原铁，同时降低直接还原铁的能耗，保证直接还原设备的生产效率。除此之外，直接还原铁内的硫、磷含量等会对其应用价值产生影响。通常钢中的硫、磷含量必须在0.03%以下，一些优质钢的含量甚至要求在0.015%以下。因此，在直接还原铁应用过程中，硫、磷的含量最好在0.03%以下。对一些优质钢种进行冶炼时，要将直接还原铁的硫、磷含量控制在0.02%以下。直接还原铁中的硫、磷含量过高可能会导致电炉出现额外的脱硫、脱磷负担，除了会增加电能消耗之外，还会导致直接还原铁的配入量降低。除此之外，在直接还原铁中的非铁元素含量也会对直接还原铁的使用价值产生直接重要影响。因为Cu、Sn、Sb、Pb、Cr、Ni等元素在废钢循环中的去除效率比较低，在冶炼洁净优质钢种的过程中，这些残余元素超标会对钢种的质量产生直接影响。而利用直接还原铁可以对各种的非铁元素含量进行有效控制和稀释，尤其是一些高级钢种要求的杂质元素含量比较低，只能利用直接还原铁作为原料。因为冶炼钢种不同对非铁元素的限制也具有一定差异。因此，在对直接还原铁中的非铁元素含量进行控制时，需要根据冶炼钢种的具体要求选择直接还原铁。

2 直接还原铁在现代冶金中的作用

2.1 作为电炉优质原料的作用

在对直接还原铁在电炉冶金中的作用进行分析的过程中，需要分析直接还原铁在电炉中的使用效果。经过综合分析，直接还原铁在电炉生产优质钢中的使用效果表现在以下方面：第一，电炉钢中的残留金属与有害元素含量比较低。在实际冶炼过程中，作为电炉原料的直接还原铁比例不断增加，钢中的Cr、Ni、Cu等残留金属量在不断减少，且P、S等有害元素的含量也有一定程度的降低。对钢中金属含量与有害元素含量的具体变化进行对比，可以发现因为直接还原铁内中本身不含有Cr、Ni、Cu等残留金属元素，其作为原料在电炉优质钢冶炼过程中进行有效应用，其使用效果可以与转炉媲美。并且因为连续装入直接还原铁会产生沸腾效果，N2含量与转炉生产水平类似。此外，因为在冶炼过程中多次循环应用涂镀层钢铁制品，废钢内的有害杂质会不断增加，能够提升电炉钢的冶炼质量。第二，能够大大缩短电炉炼钢时间。在电炉料中的直接还原铁比例不断在增加的情况下，实际炼钢时间大大缩短。经过对比发现，直接还原铁的比例从30%增加到90%时，炼钢时间会缩短大约10分钟左右。第三，在电炉中对直接还原铁进行应用可以降低电能消耗，可以提升电炉炼钢的收得率。在直接还原铁比例一定的情况下，直接还原铁的金属化率越高，电能消耗量会出现降低趋势，并且铁的收得率会不断上升。第四，能够有效改善和优化钢的机械性能。对直接还原铁进行应用可以发现，电炉钢的屈服强度、应变时效、成型性、内部洁净度等都有所提升。在残留元素与N2含量降低的情况下，能够改善C钢板的屈服度。对100%的直接还原铁与100%的废钢进行对比，屈服强度可以降低大约15%左右，提升了电炉产品的质量。从这一方面进行分析，可以确定利用直接还原铁进行电炉炼钢，能够冶炼出优质品种的钢。现阶段，直接还原铁在国内外电炉应用过程中主要作用是提高冶炼钢品种的质量，确保冶炼的钢品种能够满足特殊用途。例如石油工业的石油套管、钻杆；在机械工业生产过程中使用的深冲汽车板；特殊用途的钢丝以及钢材等，例如轴承、钢气轮、发电机转子、炮管、航天航空、原子能工业等使用的钢材等。对直接还原铁电炉冶炼产品的综合质量进行分析发现充分利用直接还原铁能够大大提高电炉冶炼产品的整体质量，这为促进优质品种钢的生产奠定了良好基础。第五，利用热装直接还原铁能够达到节能增产的目的。在直接还原铁热装温度不断提高的过程中，能源的需要量呈总体下降趋势，能源总节约量也相对较大。对能源变化情况进行对比分析发现直接还原铁的热装温度在300摄氏度时，直接还原铁的所含能量与熔化直接还原铁中的脉石以及还原FeO所需的能量可以相互抵消。而直接还原铁的热装温度不断提高，电炉的生产率呈上升趋势。第六，在直接还原铁中的高碳效应，高碳直接还原铁不管是进行冷装还是热装都可以提高电炉的生产率，同时能够降低炼钢成本。主要是因为高碳直接还原铁的含碳量比较高，能够增加氧的使用量，提高整体生产效率。并且在高碳直接还原铁应用过程中，碳的存在形态主要是以碳化铁为主的，随着碳含量的不断增加，电炉的电能消耗量会不断降低[3]。

2.2 作为高炉优质原料的作用

在高炉中加入直接还原铁能够降低高炉焦比，提升高炉的整体生产率。具体的作用表现为：如果高炉中的直接还原铁比例为35%，焦比能够降低21%左右，渣量减少约为10%，熔损反应能够减少40%左右，可以提高高炉冶炼产品约20%的产量。此外，铁矿石与焦炭预热需要的显热分别降低10%、21%。在上世纪90年代初，日本某炼钢企业的高炉在生产实践中加入直接还原铁就证实了这个研究结果。在高炉原料中的加入30%以下的直接还原铁能够降低20%以上的焦比，蝉联IG能够提升20%左右。并且当时日本的炼钢厂在高炉冶炼过程中，配加20%左右的直接还原铁，使用大约为9%的氧，最终发现富氧率的不断增加能够在一定程度上增加燃料比，提升高炉冶炼产量。

3 结语

综上所述，在现代冶金事业发展中，重视直接还原铁的有效应用对提升冶金事业的综合效益有积极帮助。可以说直接还原铁在现代冶金事业中的有效应用是我国21世纪钢铁企业发展中必须重视的重要研究内容。在我国工业化发展水平越来越高的背景下，必须利用先进技术提高钢铁冶炼效率与质量，要确保钢铁质量和性能可以满足不同领域的使用需求。在分析现代冶金中直接还原铁的作用时，需要从电炉冶炼、高炉冶炼两方面出发，深入探索直接还原铁对现代冶金的积极意义。

经过研究可以获取以下结论：第一，在电炉优质钢冶炼过程中使用一定比例的直接还原铁可以提高优质钢的机械性能与整体质量。同时对直接还原铁的应用比例进行合理控制，可以达到节能增产的目的，这对提升电炉炼钢的综合效益有重要意义。第二，在高炉炼钢中直接还原铁进行应用，可以降低高炉炼钢的焦比，同时提升高炉炼钢产量。大大提高了高炉炼钢的经济效益。

综上，在未来的冶金行业不断发展的过程中，需要重视对直接还原铁进行深入研究，根据冶金行业的实际发展现状探索直接还原铁的应用潜能，充分发挥直接还原铁在现代冶金中的积极作用，促进我国现代冶金行业的稳定持续发展。