陶江善
中國廢鋼鐵協(xié)會直接換原鐵工作委員會，天津奧沃冶金技術咨詢有限公司
直接還原鐵（DRI）因其生產(chǎn)過程中通過直接還原固態(tài)鐵礦石中的氧，產(chǎn)品本質多孔呈海綿狀，也稱海綿鐵。由于采用高品質原礦生產(chǎn)，其產(chǎn)品S、P、Cu、Zn等有害元素含量低、鐵的純度高，是冶煉優(yōu)質鋼、特殊鋼的純凈鐵料，也是高端鑄造、鐵合金、粉末冶金等工業(yè)主要的原料。
2016年工信部出臺《鋼鐵工業(yè)調整升級規(guī)劃（2016-2020年）》，提出各地一律不得凈增鋼鐵冶煉能力，結構調整及改造項目必須嚴格執(zhí)行產(chǎn)能等量或減量置換。電爐鋼產(chǎn)能因可以等量置換而大受轉換產(chǎn)能企業(yè)關注，我國電弧爐煉鋼迎來發(fā)展良機，截止2019年6月，全國共有275座電弧爐，產(chǎn)能為1.650億噸,較以前大幅提升。在鋼鐵行業(yè)環(huán)保日益嚴苛的當下，商品生鐵量供應不足且成本高企，廢鋼使用量大幅增多，廢鋼質量成分的差異影響到鋼材質量，且由于資源分布的原因，經(jīng)常出現(xiàn)區(qū)域性的廢鋼供應不足，因此，越來越多的鋼廠考慮在冶煉過程中配加海綿鐵來提高鋼水品質，海綿鐵（DRI）的應用也成為當下冶金行業(yè)關注的熱點之一。
1、海綿鐵的種類
海綿鐵是與廢鋼、生鐵一樣，是國際商品市場廣泛應用的產(chǎn)品，它可以是球狀、團狀(海綿鐵)或塊狀(熱壓塊鐵HBI),主要分為冷DRI、熱壓塊（HBI）、熱DRI；由于海綿鐵采用優(yōu)質鐵礦石原料生產(chǎn)，其化學成分穩(wěn)定，有害雜質元素少，S、P、N 含量低，可以很好地稀釋鋼水中有害元素，有利于生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，是一種優(yōu)質原料。其中，熱DRI是生產(chǎn)過程中用于熱送進入電爐熔煉操作的中間產(chǎn)品，因此不用作商用產(chǎn)品，商用海綿鐵主要指冷DRI和熱壓塊。
2、海綿鐵在電爐中的使用
2.1 海綿鐵可以實現(xiàn)連續(xù)加料
電弧爐傳統(tǒng)的加料是揭開整個爐蓋，用吊入爐頂?shù)牧匣@將爐料裝入爐膛里，采用這種傳統(tǒng)的加料方法，不僅延長了裝料時間，而且損失了大量的熱。而海綿鐵則可經(jīng)小孔裝入爐內，所以開始裝入的的料熔化之后不必再次揭開整個爐蓋。再者，不要求大批爐料一次裝入爐內，海綿鐵可以按其熔化的相同速度連續(xù)向電爐內加料，所以能夠達到較高的熔煉效率。
圖1所示為有兩座電爐的車間連續(xù)加料系統(tǒng)布局草圖，進來的海綿鐵由皮帶運輸機(1)輸送到貯料倉(2)。計量器(3)按需要將海綿鐵放在傳送帶上，由此輸送到電爐(4)。一根給料管經(jīng)爐頂進入爐內，并引導爐料進入電極之間的區(qū)域。由于熔池的攪動，海綿鐵立刻與液態(tài)金屬和爐渣接觸，液體金屬上面的大量泡沫渣在保護爐襯耐火材料免受電弧直接輻射方面起了良好作用。在出鋼之前，使電爐向后傾斜即可將渣排出。
2.2海綿鐵化學成份穩(wěn)定、殘余元素低
電弧爐常用的原料是廢鋼，因為廢鋼便宜且相對容易得到，但是社會廢鋼往往含有不需要的雜質元素。對許多鑄鋼和鑄鐵件來說，要求殘留合金含量很低，因為它對產(chǎn)品的機械性能會產(chǎn)生不良的影響。為實現(xiàn)此目的有兩種途徑：一是采用機械分離法除去不合要求的廢鋼，這個辦法困難既大，花錢又多；另一是在廢鋼爐料中加海綿鐵，通過稀釋作用降低殘留合金的含量。由于海綿鐵化學成份穩(wěn)定、純度高，對稀釋爐料中殘留合金含量有重要作用。因此添加一定量的生鐵或海綿鐵，可以稀釋廢鋼的殘留金屬元素，使最終鐵水或鋼水里的殘余元素含量保持在可接受的水平。圖2所示為提高海綿鐵的比例對典型爐料中Cu、Sn、Cr、Ni的影響。用這種添加海綿鐵的方法就能利用價格比較低廉的低級廢鋼代替某些高級廢鋼。
商品海綿鐵中的硫含量一般在0.02%，磷在0.03%左右，硫磷含量很低，在電弧爐冶煉中，磷一般通過加入低磷原料來稀釋、硫需要加入造渣材料石灰或螢石去除，低硫磷的海綿鐵在熔爐中不必減少脫硫時間，有效降低鋼水中磷含量，減少了輔助材料的消耗，縮短冶煉時間、降低煉鋼成本。
海綿鐵除了能夠改善爐子裝料、改善爐料的化學成份，提高最終產(chǎn)品質量，對電弧爐作業(yè)也有顯著影響。海綿鐵如能采用連續(xù)裝料的辦法，裝料、熔化、以及精煉等作業(yè)便可交錯進行，并且利用高功率輸入，這樣出鋼到出鋼的時間，甚至可以縮短得更多。
3、國內外電爐鋼廠海綿鐵使用經(jīng)驗
3.1 國內電爐鋼廠使用經(jīng)驗
2014年7-9月，直還委組織進行了直接還原鐵在鋼廠用戶中的使用情況的調研活動，涉及中國一重、中原特鋼、天津鋼管等多家鋼廠，經(jīng)調查發(fā)現(xiàn)多家鋼廠有過使用DRI的經(jīng)歷，且主要是電爐用。對于主體設備為電弧爐的鋼廠而言，由于廢鋼使用比例高、且自產(chǎn)廢鋼多次循環(huán)導致殘余元素富集。為稀釋廢鋼中的殘余元素，凈化爐料，保證返回廢鋼良性循環(huán)，就必須用"干凈"的鋼鐵料來沖淡，DRI恰好能起到這種作用。而如果大量采用生鐵，由于生鐵本身碳、磷、硫含量高，為去除磷、硫需加入足夠的礦石、石灰和螢石才能做到。這樣，增加了輔助材料的消耗，增加煉鋼成本，延長冶煉時間。因此，質量要求較高的鋼廠愿意使用DRI，尤其是在對產(chǎn)品有特殊要求時。
鋼廠對于DRI產(chǎn)品要求主要有三點：
一是要求微量金屬元素含量低。鋼廠希望所得到的還原鐵產(chǎn)品除鐵外的其它金屬元素含量越低越好，以便于稀釋鋼液中的雜質金屬元素；S、P可控情況下較低為好，一般要求在0.03%以內。某些鋼廠甚至為了獲得純凈礦石所生產(chǎn)的DRI，大幅降低還原鐵鐵品位的含量要求。
二是還原鐵產(chǎn)品品質穩(wěn)定。由于鋼廠爐料的配料是提前計算好的，一旦產(chǎn)品質量不穩(wěn)定、波動大，生產(chǎn)過程中調整不便，增加了后道工序中的難度；且頻頻調整，增加了生產(chǎn)成本，工人的工作強度和生產(chǎn)效率也會受到影響。
三是來料供應量穩(wěn)定，包裝便于加料操作。工業(yè)化大生產(chǎn)要求原料供應穩(wěn)定，如果供應量頻頻波動，對于煉鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)會產(chǎn)生影響，會造成煉鋼成本波動，影響到工人使用的積極性。另外，海綿鐵的包裝要適應工廠實際裝料時添加操作，如果是料籃加料，則鋼廠更愿意接受噸袋包裝；而如果是連續(xù)加料，則鋼廠愿意選擇小袋包裝或散料添加方式。
3.2 國外電爐DRI使用經(jīng)驗
一些國家如：印度、伊朗、沙特阿拉伯、阿聯(lián)酋、墨西哥等國天然氣、鐵礦資源豐富，而煤炭資源缺乏，側重發(fā)展以DRI+廢鋼、甚至全DRI的短流程煉鋼工藝，有著豐富的DRI使用經(jīng)驗。表1列出了國外某些國家電爐鋼廠的DRI使用比例情況。
國內外使用直接還原鐵的方式不盡一致，國外使用直接還原鐵多是作為電爐生產(chǎn)的主要原料，電爐煉鋼實際使用DRI的比例可以達到100%，主要原因在于廢鋼量的不足和廢鋼價格高于還原鐵，而在國內直接還原鐵多是作為電爐鋼生產(chǎn)的輔助原料在使用，原因在于國內電爐鋼原料供應的多樣性決定。
4、結論
海綿鐵產(chǎn)品中有害元素含量低、鐵純度高，是一種純凈鐵料，在廢鋼使用量日益增加、且價格不斷上漲的背景下，采用廢鋼+海綿鐵按比例添加方式可以實現(xiàn)降本增效，改善產(chǎn)品品質的作用，適用于電爐鋼冶煉生產(chǎn)。
