电炉炼钢原料及直接还原铁生产技术

电炉炼钢原料及直接还原铁生产技术

陈唐平

中冶赛迪上海工程技术有限公司；重庆渝北；401120

摘要：本文介绍了我国电炉炼钢原料及直接还原铁生产技术的应用现状。电炉炼钢主要依赖废钢和铁合金作为原料，通过石灰石和脱硫剂等辅助原料的配比和处理。然而，废钢质量不稳定、供应有限，以及直接还原铁材料紧张等问题仍需解决。气基竖炉技术和回转窑法技术等直接还原铁生产技术在电炉炼钢中得到广泛应用。随着技术不断进步，这些技术将为钢铁工业的未来发展提供更多可能性。

关键词：电炉炼钢;直接还原铁技术;废钢铁材料;生产质量

引言

钢铁作为现代工业的基础材料之一，广泛应用于建筑、交通、机械制造等各个领域，对社会经济的发展起着至关重要的支撑作用。而电炉炼钢和直接还原铁生产技术作为钢铁制造领域的两大关键工艺，自问世以来，不仅实现了对钢铁生产过程的深刻革新，更对传统高炉冶炼方式进行了有效的补充与完善。

1我国电炉炼钢的主要原料

我国电炉炼钢的主要原料包括废钢和铁合金。废钢是指回收的废旧钢材，例如废旧建筑结构、废旧汽车、废旧家电等，这些废旧钢材通过回收和处理后，成为电炉炼钢的重要原料。废钢的使用不仅有助于资源的再利用和节约，还能有效降低炼钢过程中的能源消耗和环境污染。铁合金是指含有一定铁元素并且与铁相容的合金，常见的有硅铁合金、锰铁合金、铬铁合金等。这些铁合金可以调整炼钢过程中的钢水成分，提高钢的性能和品质[1]。

除了废钢和铁合金，电炉炼钢过程中还需要添加一定量的石灰石、脱硫剂等辅助原料，以确保钢水的质量和合金成分的准确控制。通过合理配比和处理这些原料，我国的电炉炼钢技术不断优化和创新，为钢铁行业的可持续发展做出了重要贡献。

2 电炉炼钢原料应用现状

电炉炼钢技术是一种利用电力作为能源、直接还原铁生产钢水的先进冶炼工艺。相较于传统高炉冶炼方式，电炉炼钢具有能耗低、环境友好、低碳排放等优势，因此在近年来得到了广泛应用和不断发展。

2.1 废钢铁料量较少、质量较差

尽管废钢在电炉炼钢中是重要的原料，但目前我国面临废钢铁料量较少和质量参差不齐的问题。虽然废钢的再利用有助于资源循环利用和环保，但在实际回收过程中，废钢回收链条尚未完善，回收率仍然相对较低。因此，钢铁企业往往需要依赖更多的原生铁矿石来满足生产需求，增加了对自然资源的消耗。

废钢的质量波动较大影响了电炉炼钢的生产稳定性和产品质量。废钢来自各种废旧钢材，其中可能含有各种杂质、污染物以及不同的合金成分。这些变化导致废钢的性质不稳定，难以精确控制炼钢过程中的合金配比和成分，影响了最终产品的品质。

2.2 钢铁工业整顿形势发生变化

大部分中小型铁厂生产的生铁块质量稳定性较差，S元素含量超标，对电炉炼钢产生了一系列问题。大量使用这样的生铁块导致电炉脱碳、脱硫问题日益严重，氧气消耗量剧增，同时熔剂用量也大大增加。

钢铁工业在经历整顿和产能压缩后，产能将急剧降低，小高炉的产能也会明显减少，这将进一步影响生铁块的供应和来源。钢铁行业需要采取措施应对这一挑战，以确保电炉炼钢的顺利生产。

在未来，钢铁行业应加强技术创新和优化生产工艺，以提高生铁块的质量稳定性和降低S元素含量。同时，钢铁企业可以加强与大型钢铁企业的合作，寻求高质量生铁块的稳定供应。此外，钢铁工业还应推动绿色发展和资源回收利用，减少对传统高炉的依赖，逐步转向更加环保、高效的电炉炼钢技术。通过持续改进和适应市场变化，我国钢铁行业将能够更好地应对挑战，实现可持续发展[2]。

2.3 热铁水是电炉炼钢的主要铁源材料

热铁水是指高炉、直接还原炉等传统冶炼工艺生产的铁水。传统冶炼工艺中，炉料经过高温还原后，得到的铁水含有较高的铁含量，质量相对稳定。随着我国高炉炼铁能力的不断提高，热铁水的产量也相应增加。这些热铁水成为了电炉炼钢的主要原料之一，通过电炉的熔化和冶炼过程，将其转化为高质量的钢材。

与废钢相比，热铁水具有较高的铁含量和较稳定的成分，因此在电炉炼钢中更易于控制合金配比和保证钢水质量的稳定。此外，使用热铁水还可以降低电炉炼钢的能耗，提高生产效率，对生产高质量钢种起到了一定的促进作用。

2.4 直接还原铁材料紧张

直接还原铁质地纯净,碳含量低,在世界范围通常将直接还原铁视为电炉炼钢最佳残留元素稀释剂和铁源材料[3]。然而，大量的电炉炼钢厂和直接还原炉厂采购直接还原铁材料，导致供应不足。另一方面，直接还原铁的生产工艺相对复杂，需要大量的高品质铁矿石作为原料，但我国高品质铁矿石资源相对有限，这也限制了直接还原铁的生产能力。由于直接还原铁材料的紧张供应，钢铁企业面临着直接还原铁材料价格上涨和供应稳定性下降的问题。

3 直接还原铁生产技术在电炉炼钢中的具体应用

结合当前钢铁工业生产结构、冶炼原材料供应、冶炼能源、节能减排水平以及CO2排放现状，未来二三十年中国钢铁生产主要流程依然是长流程和短流程并存，快速发展短流程、优化长流程原料，尤其是将长流程中炼铁工艺由碳还原逐渐向氢还原转变，炼铁工序的产品将由原来的高碳铁水转变为直接还原铁，这是钢铁工业低碳转型的重要途径。据统计“高炉+转炉”长流程工艺，基于焦炭/煤冶炼每吨钢水CO2排放约（1.8~2.0）t。采用“竖炉+电弧炉”短流程工艺，基于天然气冶炼每吨钢水CO2排放约0.94t，基于氢气冶炼每吨钢水CO2排放约0.47t，基于氢气并使用绿氢、绿电可以实现CO2近零排放。

长流程中炼铁工艺由碳还原逐渐向氢还原是大势所趋，炼铁工序的产品将由原来的高碳铁水转变为直接还原铁，目前通常采用电弧炉冶炼直接还原铁，电弧炉对直接还原铁品位要求高，适合电弧炉冶炼高品位矿占全球矿石储量的6%左右，矿石储量占比超过90%的低品位矿生产的直接还原铁存在渣量大无法使用电弧炉进行冶炼。目前国际上流行的工艺是低品位直接还原铁采用熔分电炉的方式熔分铁水和渣。但熔分炉存在投资大、生产成本高等问题，目前还难以全面推广。采用电弧炉直接冶炼中高品位的直接还原铁是目前具备大规模生产的冶炼工艺。

3.1 气基竖炉技术

气基竖炉技术是一种常见的直接还原铁生产技术，广泛应用于电炉炼钢过程中。该技术以高温还原反应为基础，将铁矿石转化为直接还原铁材料，成为电炉炼钢的重要原料。

气基竖炉技术的过程包括将铁矿石和还原剂（通常为煤粉或天然气）装入竖炉内，然后通过预热的热风等气体将竖炉内的铁矿石和还原剂加热至高温状态。在高温条件下，铁矿石中的氧化铁与还原剂发生反应，经过还原反应，生成直接还原铁，并释放出CO和H2等气体。这些气体将通过竖炉顶部排出，并可作为燃料参与炉内还原过程，形成闭路循环，提高能源利用效率。

3.2 回转窑法技术

回转窑法技术是另一种常用的直接还原铁生产技术，也在电炉炼钢中得到应用。该技术通过将铁矿石放入回转窑内，并在高温条件下进行还原反应，得到直接还原铁材料[4]。

在回转窑内，铁矿石在高温的还原气氛下发生还原反应，将氧化铁还原成直接还原铁。类似于气基竖炉技术，回转窑法技术也产生CO等还原气体，并可回收利用，提高能源利用效率。

3.3 隧道窑法技术

隧道窑法技术的优点在于它可以实现铁矿石的大规模生产和直接还原过程的自动化控制。此外，由于隧道窑的结构设计合理，还原气体可以在窑内形成循环，提高能源利用效率，降低生产成本。

然而，隧道窑法技术也面临一些挑战。其中之一是如何保障还原气体在窑内的均匀分布，以提高还原反应的效率和均匀性。此外，隧道窑的操作和维护也需要一定的技术和人力投入。

3.4  电弧炉冶炼直接还原铁技术

电弧炉冶炼直接还原铁，按照直接还原品位情况，直接还原铁在钢铁料中的占比宜小于50%，电弧炉电耗约400~450kwh/t钢，且根据电弧炉炼钢相关研究证明，装入电炉的直接还原铁温度每升高100℃，对应电炉相应节能20kwh/t。而氢基竖炉的产品即可以生产冷态直接还原铁又可生产热态直接还原铁。因此如果将不经过冷却的热态直接还原铁（HDRI）直接热送进入电炉，将极大的减少炼钢区的能源消耗，这也符合国家对节能减排的政策要求。电弧炉冶炼直接还原铁考虑电炉留钢量50%，以节约电耗。直接还原铁采用气力输送到炉顶高位料仓，然后从炉顶连续加入的方式加入炉内。电弧炉冶炼采用炉壁集束氧枪及底吹透气系统有利于增强熔池搅拌，均匀钢水成分和温度。目前国内已有较多钢厂宝钢、河钢等采用了电弧炉冶炼直接还原铁，对今后推行低碳、绿色发展奠定基础。

4 结语

本文介绍了电炉炼钢原料和直接还原铁生产技术。两者在钢铁行业中扮演重要角色，电炉炼钢环保效益好，直接还原铁高效低碳。然而，仍需解决原料供应、能源消耗等挑战。未来，随着科技进步，它们将更有发展前景，为钢铁工业做出贡献。

参考文献

[1]吴耀光,肖步庆,朱立光等.电炉炼钢钢铁原料的现状分析与展望[J].钢铁,2021,56(11):55-62.DOI:10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210170.

[2]袁金甲.电炉炼钢原料及直接还原铁生产技术[J].冶金与材料,2022,42(02):101-102.

[3]赵春华,巴钧涛,冯玉合等.海绵铁在一重电炉炼钢中的应用[J].大型铸锻件,2010(03):24-25+27.DOI:10.14147/j.cnki.51-1396/tg.2010.03.017.

[4]赵庆杰,储满生.电炉炼钢原料及直接还原铁生产技术[J].中国冶金,2010,20(04):23-28.DOI:10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.2010.04.006.