电炉炼钢钢铁原料的现状分析与展望

　　摘要：电炉炼钢作为短流程的核心工艺，其具有铁元素循环利用率高、能源消耗低及环境效益良好的特点，推动电炉炼钢健康发展符合我国实现碳达峰、碳中和目标对钢铁绿色发展的要求。其入炉的钢铁原料种类较转炉多、且结构灵活，并且对电炉冶炼的工艺过程控制有直接的影响。为创造充分挖掘和发挥电炉炼钢优势的良好起始条件，针对目前电炉炼钢的主要入炉钢铁原料的情况和特点，从其生产储备、工艺过程操作、能源消耗、环境保护等方面入手，分析了废钢、铁水和直接还原铁作为主要原料的使用现状及优缺点，并着重对比分析了直接还原球团特点和技术指标，为探究和优化合理的电炉炼钢入炉钢铁原料结构提供了理论依据。从资源消耗，环境保护等方面考虑，废钢和直接还原球团将成为今后短流程炼钢的主要原料。结合钢铁循环利用技术和产业专业化的逐渐成熟，以及更加绿色环保的氢冶金技术的发展，废钢综合回收利用技术，高品位洁净球团生产技术，氢气竖炉直接还原技术将会是未来电炉入炉钢铁原料生产技术的发展方向，配套新型高效智能电弧炉冶炼技术将会是未来短流程的发展方向。

　　关键词：电炉炼钢;废钢;铁水;直接还原铁;洁净球团;氢冶金

　　电炉炼钢作为炼钢工艺的主要工艺之一，较转炉炼钢有着不可替代的优势。其设备简单、工艺布置紧凑、流程短，占地面积小、投资少、建设周期短;废钢利用率高，资源消耗小，三废排放少，对环境友好。近些年，大型新型电炉，如超高功率、高阻抗、连续加料，废钢预热等装备水平和技术的发展，使得电炉的优势更加突出，冶炼的钢种与转炉的差距越来越小，并且在某些钢种的冶炼上比转炉更具优势[1,2]。

　　钢铁论文范例： 钢铁行业成本预算系统开发应用实践

　　尤其是电炉发展与炉外精炼和连铸连轧技术的配套完善和统筹衔接，自动化电炉炼钢技术已经形成，并向更先进的智能化方向发展。从全流程来看，电炉炼钢比转炉炼钢对一次性能源的消耗更小，环境效益更好，更符合绿色循环经济发展的理念，发展绿色钢铁的道路。较转炉工艺入炉钢铁原料为铁水、废钢、少量生铁块和球团，电炉炼钢的主要入炉钢铁原料种类多，包括废钢、生铁、直接还原铁、铁水、碳化铁、脱碳粒铁和复合金属料[1]，电炉钢铁原料对电炉冶炼的操作有重要的影响，其成本占总成本的80%以上，对冶炼成本控制起主导作用[3]，其中主要入炉原料为废钢、直接还原铁和铁水。发达国家废钢资源丰富，基本可采用全废钢冶炼，如美国;天然气丰富的国家多采用直接还原铁，如中东地区国家;而中国采用了大量的铁水。

　　1废钢使用现状分析

　　废钢是钢铁材料的回收再生资源，是电炉炼钢生产不可缺少的原料。炼钢过程加入废钢有利于减少吨钢钢铁料的消耗，增加产能。废钢质量的好坏和成本高低直接影响了企业的生产效率和技术经济效益。

　　1.1废钢分类

　　废钢按照来源大致可分为厂内自循环废钢和外购的废钢。厂内自循环废钢主要有铸余、坯头、轧钢废料以及渣钢，该部分废钢可在产生的源头进行标识和分类，受控条件好，质量稳定。外购废钢多为他厂工厂废钢、社会废钢、折旧废钢、二次加工废钢等，成分、尺寸、形状差异大，质量不稳定，管理和控制难度大。对于该部分废钢的管理，应设经过专业培训的专人进行监督、检验和管理，形成标准化废钢回收、加工、分类、配送一体化的产业[5～7]，近几年在国家政策支持下，废钢的回收加工产业发展迅速。

　　1.2废钢管理

　　按照企业生产管理的需要，采用分类细化的管理模式，人工智能+人工分拣。在初步分类的同时，还应尽量根据废钢的用途，初步判断废钢中所含贵重合金元素，以便合理地最大化地利用废钢中的合金元素，节约合金成本。比如，安钢采取的“废钢基地采购模式+数据量化验收新思路”方式，将废钢分为工厂废钢、拆船料、社会废钢、破碎料、打包块、小料、带渣废钢7大品种，每个品种再根据尺寸、厚度、直径的不同细分等级[8]。

　　此外，比如，山东钢铁莱芜分公司对入炉的废钢做出了明确的技术要求，分类回收、加工、存放、成份清晰;保证钢铁料的纯度、块度、密度、清洁度;消除钢铁料的合金元素、有色金属、易燃易爆物品、非金属夹杂、异品种等有害物[9]。此外，中国由于废钢资源的紧张，远不能满足国内企业的需求，不得不通过进口废钢填补空白。但是，由于各国的限制措施，进口废钢多是汽车废钢、轻废钢、打包料，机械废钢、重废钢比例很低，很难满足电炉生产优质钢、纯净钢的需要[10]。

　　1.3废钢熔炼之优势

　　与用铁矿石相比，用废钢生产1t钢大约可节约铁矿石1.65t，能源消耗降低350kg，标准煤CO2排放減少近2/3，废气排放量减少80%、废水排放量减少76%和废渣排放量减少97%，可见，废钢的综合利用对中国钢铁企业的转型升级和绿色发展具有十分重要的意义[4,11]。采用全废钢熔炼时，入炉钢铁原料中配入的磷含量达到最低水平，对于脱磷能力较弱的电弧炉，大大缓解了其脱磷压力。同时对钢水中硫含量的控制也有一定的优势，后续精炼工序脱硫压力也可大幅减小[12]。此外，废钢中含有丰富的合金元素，可以更好地进行二次回收利用，尤其是贵重的铌、钼等合金元素。

　　1.4废钢熔炼之不足

　　高废钢比或全废钢配料模式下，熔池中碳含量很低，冶炼前期难以短时间形成泡沫渣，不能埋弧操作，致使电弧外露，热量损失大，还会影响耐材使用寿命。在无泡沫渣的情况下，供电和大量吹氧，导致大量铁元素氧化和蒸发，铁损增加[13]。在配料的计算时，需要配入一定比例的含碳原料，常用的有生铁块、石墨压块等。并且要在冶炼过程中，结合供氧曲线和炉内反应，强化喷吹碳粉的操作，增加了工艺过程控制的变量。

　　同时，由于废钢的多次回收循环利用，一些冶炼过程中难以去除或者无法去除的残留元素会不断地富集，比如，铅(Pb)、锡(Sn)、砷(As)、锑(Sb)和铋(Bi)等会对钢材的性能产生严重的危害。不合理或不够精细的废钢分类管理，极易造成一些特殊的高质量钢的残留元素的超标。因此，对于电炉炼钢，废钢的管理和入炉配料就尤为重要。

　　2铁水使用现状分析

　　电炉热装铁水炼钢工艺是中国冶金工作者对现代电炉炼钢技术发展的贡献[14]，是电炉冶炼的一项全新的技术。该技术是由于我国废钢资源不足，而采取的一种替代性的工艺技术。

　　2.1热装铁水之优势

　　热装铁水可以带入大量的物理热和化学热，缩短熔池形成时间，提前大功率供电的时机，显著降低冶炼电耗，缩短冶炼时间，提高生产效率，降低成生产成本。铁水的碳含量较高，脱碳沸腾有利于泡沫渣的形成，可以尽早实现埋弧，降低电离导致的钢水中的氮含量，同时沸腾搅拌熔池有利于去除夹杂物和有害气体。此外，低含量有害残留元素的铁水，可以很好地中和废钢中富集的残留元素，具有冶炼高洁净度钢种的条件。

　　2.2热装铁水之不足

　　铁水热装工艺，也有其明显的缺点。因铁水含碳量高，高比例的热装铁水，会增加电炉的脱碳负荷，延长冶炼时间。同时，铁水中的磷含量也高，增加了脱磷的任务。电炉冶炼脱磷的热力学和动力学条件都不如转炉好，并且冶炼过程中熔池的温度主要受化学热的控制，会导致脱磷反应不易控制，冶炼低磷钢(成品W(P)≤0.01%)难度大[15]。由于现代新型电炉的功能较传统电炉的功能单一，取消了冶炼的还原期，将还原脱硫的功能转移到了LF进行，因此，大比例热装铁水，也会增加电炉的脱硫负荷。该工艺从热量带入的角度，热装比例越高电耗降低越多，但实际生产中并非如此，而是呈现出先低后高的规律性变化，热装比例与电耗存在一个最佳值。随着热装比例的提高，供电时间缩短，冶炼所需电能降低。

　　但与此同时，铁水带入的碳含量增加，吹氧脱碳时间相应延长。当吹氧脱碳时间超过有效供电时间时，吹氧脱碳时间将决定冶炼周期，此时热装比例即为冶炼周期拐点。继续提高热装比例，冶炼周期延长，供电时间延长，热量的耗散增加，电耗上升。受废钢资源等因素的影响，部分企业的铁水热装比例高达70%～89%，从而出现了“电转炉”的操作，例如，韶钢、鄂钢[16]。但从炼钢全流程角度来看，综合成本和其他方面的影响因素，必然存在一个合理的热装比例范围值。众多研究人员认为铁水热装比例在30%～60%区间内，可提高生产效率，实现经济效益最大化[17]。热装铁水的比例受原料条件、炉型和容量、配套装备、生产节奏等多种因素的影响[18]。

　　各种输入条件相互之间合理地匹配，才能保证冶炼过程中炉内钢水碳含量控制在合理范围内[19]，实现过程控制操作平稳，各生产单位应结合自身的条件确定最优热装比例。比如，三宝钢铁根据生产经验，70和90t电炉利用铁水温度约为1250℃，碳质量分数为3.5%～4.0%，硅质量分数为0.35%～0.5%，热装比例为30%～35%，冶炼电耗最低(约为130kW·h)，周期最短(缩短冶炼时间约10min)[20]。

　　3直接还原铁使用现状分析

　　铁的直接还原是指不经过在高炉或其他熔化过程的熔化阶段，在固相中直接从氧化物(主要以块矿或球团的形式)还原生成铁的冶金过程，该生产工艺得到的主要含铁产品具有蜂窝状结构和微小的孔隙，因此，通常被称为海绵铁或直接还原铁或金属化铁[21]。

　　3.1海绵铁、热压块和冷压块

　　直接还原铁的种类包括海绵铁(DRI)、热压块(HBI)和冷压块。高金属化率的直接还原铁具有更好的冶金性能，比如，AntaraSteelMills公司的MIDREX生产的热压块年平均金属化率高达93.49%，卡塔尔钢铁公司生产的冷态直接还原铁年平均金属化率高达94.70%，TenarisSiderca生产的直接还原铁年平均金属化率高达95.40%[22]。

　　直接还原铁作为废钢不足的替代品，其在生产工艺中直接配加的比例一般为20%～70%，根据电炉装备和生产工艺情况而异，但在某些国家和地区也采用全直接还原铁冶炼工艺。目前，全球范围内主要的电炉炼钢流程，废钢和直接还原铁的配加比例一般为50%～70%和50%～30%[23]。在生产海绵铁的原料中，与块矿相比，球团主要是由铁精粉和其他含铁物料造球、焙烧而成，球团原料广，可充分利用通过选矿去除杂质和有害元素的低品位矿、尾矿，同时还可综合利用其他含铁物料。

　　3.2直接还原铁之优势

　　在冶炼优质钢方面，采用直接还原铁与采用铁水工艺，在碳含量高、形成泡沫渣早、冶炼过程熔池活跃等方面有相同的优势，且有害元素含量比铁水更低，不会造成残余元素的富集。综合铁前生产，成本更低，污染物排放水平更低。碳含量可随生产需求调整，调整范围为1.0%～3.5%，从而可以满足不同电弧炉的需要[24]。同时，低硫含量的直接还原铁与废钢冶炼相比，钢水中硫含量的控制效果更好。

　　直接还原铁的块度小且均匀，更利于炉料预热，自动加料，减少供电中断时间和热量损失，提高电能利用率[1,14]，缩短冶炼时间，提高产量。球团具有品位高，杂质少，粒度小而均匀，且冷态强度和抗压强度好的特点，利于在气固还原过程中炉内的透气性和气流的均匀分布，同时，在电炉冶炼方面具有低渣料消耗、低渣量、低电耗的优势。

　　且随着高品位铁矿石储量的减少和价格的上涨，球团的优势逐渐凸显。电弧炉采用球团入炉，可根据自身生产技术特点，适当灵活调整球团的冶金性能和技术参数。同时，其生产过程资源消耗强度较高炉小，污染物的排放少，更适合绿色钢铁之路的发展。通过热料输送和热装(通常温度为500～700℃)入炉，吨钢节约电能60～80kW·h，进一步提高热能利用率，降低生产成本。其热料输送和热装的方法不尽相同，例如，印度Assar公司使用的保温罐法;墨西哥HYL公司的气体管道输送法(Hytemp技术);德国Aumund公司的热输送机法(Aumund法)等[25]。

　　3.3直接还原铁之不足

　　直接还原铁的缺点是含有一些未还原的铁的氧化物和脉石，冶炼渣量大，若使用酸性脉石(Al2O3+SiO2)含量特别高的直接还原铁，渣量会高达300～400kg/t[26]，热量损失多，电耗增加。冶炼过程中，连续加入直接还原铁时，由于其密度小，加入速度过快有可能导致冷态直接还原铁局部富集，漂浮在钢液熔池表面形成堆积现象，也称为“冰山现象”。造成工艺过程控制和操作的难度增加，同时还会影响电炉耐材使用寿命。

　　此外，直接还原铁成品容易氧化，不利于长期保存和长距离运输。生产块状直接还原铁和高品位高质量的球团对矿石的品味要求较高，同时要求有丰富的还原性气体的资源。气基直接还原工艺采用天然气作为主要还原气体，煤基直接还原工艺采用煤制煤气作为主要还原气体，而工艺较气基直接还原复杂，能耗也高于以天然气为还原剂的气基直接还原[27]。显然在现阶段技术条件下，中国大规模发展直接还原铁技术，不具备明显的优势。中东国家某钢铁企业根据当地原料条件供应情况及本企业生产控制技术水平，确定了5种原料入炉比例。随着直接还原铁装入比例的降低和废钢比例的提高，炉内的反应趋于平缓稳定，氧化期剧烈的沸腾现象减少，并且持续时间缩短。

　　渣料消耗降低，渣量减少，但直接还原铁热送热装的比例降低，电耗和热损失增加。依据该企业的实际情况，结合电炉电气、机械等设备参数特点，生产实践验证，在装料模式三和模式四下，先集中加入废钢，后保持100%直接还原铁的连续加入冶炼工艺有利于电炉操作。既能调整优化废钢的配料，减少频繁断电加料，又能较大限度地进行直接还原铁的热送热装操作，并且还能实现与后道工序的良好匹配。但也有企业，控制入炉原料中的废钢比不超过35%，尽可能多采用直接还原铁。

　　4其他钢铁原料

　　电炉入炉的钢铁原料除废钢、铁水和直接还原铁之外，还有包括一些少量的其它入炉钢铁原料，比如，生铁块、脱碳粒铁、碳化铁、复合金属料等[1,10,14]。其多作为优化入炉原料结构配比和冶炼过程控制的调节剂。生铁多来源于高炉，通常情况下，当高炉供应铁水量大于炼钢消耗铁时，会将富余的铁水通过铸铁机浇注成生铁块。相对于废钢而言，生铁块除物理热外，与铁水的特点相同。

　　但对于电炉炼钢，生铁块只是全废钢冶炼提高炉料配碳量时，或者废钢不足时作为废钢的补充。其配入量通常为10%～25%，最高不应超过35%，一般不作为主要的电炉炼钢的钢铁料。脱碳粒铁又称脱碳粒化生铁，是用高压水直接淬化高炉铁水，生成粒度为3～10mm的生铁粒，其成分与铁水和生铁块特点相同，但是由于其粒度小，表面增加了少量的FeO，加入电炉后有利于泡沫渣的形成。

　　电炉炼钢配加生铁块，虽能提高生产，降低消耗，但由于其主要来源于高炉，其存在明显的温度反复和能量耗散损失，而且从全流程来看，在节能和环保方面都体现不出电炉工艺的优势，脱碳粒铁亦是如此。碳化铁是以矿石或者精粉，通过与工业气体反应而生成。由于其含碳量较高，可以替代炭粉喷吹入炉，不仅能起到炭粉喷入的造泡沫渣、增加热量的作用，还减少了喷吹炭粉带入的硫等杂质，同时降低钢中氮含量。

　　复合金属料以铁水配加烧结矿、球团矿冷却复合形成。其虽然在电炉冶炼中能起到一些积极的作用，但提高了生产成本，也浪费了一些金属元素，致使缺点也很明显。上述含铁原料经试验、生产证明可以作为电弧炉炼钢的原料，但由于与其他入炉原料相比优势不明显，加之生产工序、生产成本、生产实践和经验影响，在现实生产中应用很少。

　　5总结与展望

　　废钢的短缺，铁水的环境不经济性，直接还原铁的低速发展，入炉钢铁原料是制约我国电炉发展的主要因素。随着我国基础建设的完善，工业化水平的发展，我国的钢铁材料将逐步实现循环利用。按照钢铁8～30年的平均循环周期，目前我国废钢的循环率正在上升期。未来几年，废钢的价格将会逐渐降低并趋于合理的水平，废钢占炼钢入炉原料的比例将会提高，废钢的分类管理和综合回收利用技术也会成为钢铁行业的热点，同时也会催生废钢回收和分类管理的专业化工序或企业。按照当前人类对铁矿石资源的开发和利用的强度，高品位的富矿越来越少，低品位矿、尾矿和其他含铁原料将成为主要的钢铁原料，为保证洁净钢生产的需求，其综合利用将成为新的研究课题。具有良好冶金性能的球团将成为电炉炼钢主要的洁净原料。

　　页岩气开发技术逐渐成熟，可燃冰利用技术突破和氢冶金技术的发展，气基竖炉直接还原工艺将更具优势，并助力洁净冶炼的绿色钢铁走向新的高度。高品位洁净球团生产技术与氢气竖炉直接还原技术的结合，将会是电炉炼钢洁净原料重要方向。基于国家碳达峰、碳中和政策，对绿色高效钢铁企业的发展理念和要求。废钢综合回收利用技术，高品位洁净球团生产技术，氢气竖炉直接还原技术将会是未来电炉入炉钢铁原料生产技术的发展方向，配套新型高效智能电弧炉冶炼技术将会是未来短流程的发展方向。

　　参考文献：

　　[1]朱荣，刘会林.电弧炉炼钢技术及装备[M].北京:冶金工业出版社,2018.(ZHURong，LIUHui-lin.Electricarcfurnacesteelmakingtechnologyandequipment[M].Beijing：MetallurgicalIndustryPress，2018.)

　　[2]朱荣,吴学涛,魏光升.电弧炉炼钢绿色及智能化技术进展[J].钢铁，2019，54(8):9.(ZHURong,WUXue-tao,WEIGuang-sheng,etal.Developmentofgreenandintelligenttechnologiesinelectricarcfurnancesteelmankingprocess[J].IronandSteel，2019,54(8):9.)

　　[3]朱荣，田博涵.电弧炉炼钢成本分析及降成本研究[J].河南冶金，2019,27(3):1.(ZHURong，TIANBo-han.CostanalysisandcostreductionofEAFsteel[J].HenanMetallurgy,2019,27(3):1.)

　　作者：吴耀光1，肖步庆2，朱立光3，王雁4,5