摘要：電爐煉鋼作為短流程的核心工藝，其具有鐵元素循環(huán)利用率高、能源消耗低及環(huán)境效益良好的特點，推動電爐煉鋼健康發(fā)展符合我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標對鋼鐵綠色發(fā)展的要求。其入爐的鋼鐵原料種類較轉(zhuǎn)爐多、且結(jié)構(gòu)靈活，并且對電爐冶煉的工藝過程控制有直接的影響。為創(chuàng)造充分挖掘和發(fā)揮電爐煉鋼優(yōu)勢的良好起始條件，針對目前電爐煉鋼的主要入爐鋼鐵原料的情況和特點，從其生產(chǎn)儲備、工藝過程操作、能源消耗、環(huán)境保護等方面入手，分析了廢鋼、鐵水和直接還原鐵作為主要原料的使用現(xiàn)狀及優(yōu)缺點，并著重對比分析了直接還原球團特點和技術(shù)指標，為探究和優(yōu)化合理的電爐煉鋼入爐鋼鐵原料結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。從資源消耗，環(huán)境保護等方面考慮，廢鋼和直接還原球團將成為今后短流程煉鋼的主要原料。結(jié)合鋼鐵循環(huán)利用技術(shù)和產(chǎn)業(yè)專業(yè)化的逐漸成熟，以及更加綠色環(huán)保的氫冶金技術(shù)的發(fā)展，廢鋼綜合回收利用技術(shù)，高品位潔凈球團生產(chǎn)技術(shù)，氫氣豎爐直接還原技術(shù)將會是未來電爐入爐鋼鐵原料生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展方向，配套新型高效智能電弧爐冶煉技術(shù)將會是未來短流程的發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞：電爐煉鋼;廢鋼;鐵水;直接還原鐵;潔凈球團;氫冶金

　　電爐煉鋼作為煉鋼工藝的主要工藝之一，較轉(zhuǎn)爐煉鋼有著不可替代的優(yōu)勢。其設(shè)備簡單、工藝布置緊湊、流程短，占地面積小、投資少、建設(shè)周期短;廢鋼利用率高，資源消耗小，三廢排放少，對環(huán)境友好。近些年，大型新型電爐，如超高功率、高阻抗、連續(xù)加料，廢鋼預(yù)熱等裝備水平和技術(shù)的發(fā)展，使得電爐的優(yōu)勢更加突出，冶煉的鋼種與轉(zhuǎn)爐的差距越來越小，并且在某些鋼種的冶煉上比轉(zhuǎn)爐更具優(yōu)勢[1,2]。

　　鋼鐵論文范例： 鋼鐵行業(yè)成本預(yù)算系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用實踐

　　尤其是電爐發(fā)展與爐外精煉和連鑄連軋技術(shù)的配套完善和統(tǒng)籌銜接，自動化電爐煉鋼技術(shù)已經(jīng)形成，并向更先進的智能化方向發(fā)展。從全流程來看，電爐煉鋼比轉(zhuǎn)爐煉鋼對一次性能源的消耗更小，環(huán)境效益更好，更符合綠色循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的理念，發(fā)展綠色鋼鐵的道路。較轉(zhuǎn)爐工藝入爐鋼鐵原料為鐵水、廢鋼、少量生鐵塊和球團，電爐煉鋼的主要入爐鋼鐵原料種類多，包括廢鋼、生鐵、直接還原鐵、鐵水、碳化鐵、脫碳粒鐵和復(fù)合金屬料[1]，電爐鋼鐵原料對電爐冶煉的操作有重要的影響，其成本占總成本的80%以上，對冶煉成本控制起主導(dǎo)作用[3]，其中主要入爐原料為廢鋼、直接還原鐵和鐵水。發(fā)達國家廢鋼資源豐富，基本可采用全廢鋼冶煉，如美國;天然氣豐富的國家多采用直接還原鐵，如中東地區(qū)國家;而中國采用了大量的鐵水。

　　1廢鋼使用現(xiàn)狀分析

　　廢鋼是鋼鐵材料的回收再生資源，是電爐煉鋼生產(chǎn)不可缺少的原料。煉鋼過程加入廢鋼有利于減少噸鋼鋼鐵料的消耗，增加產(chǎn)能。廢鋼質(zhì)量的好壞和成本高低直接影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率和技術(shù)經(jīng)濟效益。

　　1.1廢鋼分類

　　廢鋼按照來源大致可分為廠內(nèi)自循環(huán)廢鋼和外購的廢鋼。廠內(nèi)自循環(huán)廢鋼主要有鑄余、坯頭、軋鋼廢料以及渣鋼，該部分廢鋼可在產(chǎn)生的源頭進行標識和分類，受控條件好，質(zhì)量穩(wěn)定。外購廢鋼多為他廠工廠廢鋼、社會廢鋼、折舊廢鋼、二次加工廢鋼等，成分、尺寸、形狀差異大，質(zhì)量不穩(wěn)定，管理和控制難度大。對于該部分廢鋼的管理，應(yīng)設(shè)經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的專人進行監(jiān)督、檢驗和管理，形成標準化廢鋼回收、加工、分類、配送一體化的產(chǎn)業(yè)[5～7]，近幾年在國家政策支持下，廢鋼的回收加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。

　　1.2廢鋼管理

　　按照企業(yè)生產(chǎn)管理的需要，采用分類細化的管理模式，人工智能+人工分揀。在初步分類的同時，還應(yīng)盡量根據(jù)廢鋼的用途，初步判斷廢鋼中所含貴重合金元素，以便合理地最大化地利用廢鋼中的合金元素，節(jié)約合金成本。比如，安鋼采取的“廢鋼基地采購模式+數(shù)據(jù)量化驗收新思路”方式，將廢鋼分為工廠廢鋼、拆船料、社會廢鋼、破碎料、打包塊、小料、帶渣廢鋼7大品種，每個品種再根據(jù)尺寸、厚度、直徑的不同細分等級[8]。

　　此外，比如，山東鋼鐵萊蕪分公司對入爐的廢鋼做出了明確的技術(shù)要求，分類回收、加工、存放、成份清晰;保證鋼鐵料的純度、塊度、密度、清潔度;消除鋼鐵料的合金元素、有色金屬、易燃易爆物品、非金屬夾雜、異品種等有害物[9]。此外，中國由于廢鋼資源的緊張，遠不能滿足國內(nèi)企業(yè)的需求，不得不通過進口廢鋼填補空白。但是，由于各國的限制措施，進口廢鋼多是汽車廢鋼、輕廢鋼、打包料，機械廢鋼、重廢鋼比例很低，很難滿足電爐生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼、純凈鋼的需要[10]。

　　1.3廢鋼熔煉之優(yōu)勢

　　與用鐵礦石相比，用廢鋼生產(chǎn)1t鋼大約可節(jié)約鐵礦石1.65t，能源消耗降低350kg，標準煤CO2排放減少近2/3，廢氣排放量減少80%、廢水排放量減少76%和廢渣排放量減少97%，可見，廢鋼的綜合利用對中國鋼鐵企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和綠色發(fā)展具有十分重要的意義[4,11]。采用全廢鋼熔煉時，入爐鋼鐵原料中配入的磷含量達到最低水平，對于脫磷能力較弱的電弧爐，大大緩解了其脫磷壓力。同時對鋼水中硫含量的控制也有一定的優(yōu)勢，后續(xù)精煉工序脫硫壓力也可大幅減小[12]。此外，廢鋼中含有豐富的合金元素，可以更好地進行二次回收利用，尤其是貴重的鈮、鉬等合金元素。

　　1.4廢鋼熔煉之不足

　　高廢鋼比或全廢鋼配料模式下，熔池中碳含量很低，冶煉前期難以短時間形成泡沫渣，不能埋弧操作，致使電弧外露，熱量損失大，還會影響耐材使用壽命。在無泡沫渣的情況下，供電和大量吹氧，導(dǎo)致大量鐵元素氧化和蒸發(fā)，鐵損增加[13]。在配料的計算時，需要配入一定比例的含碳原料，常用的有生鐵塊、石墨壓塊等。并且要在冶煉過程中，結(jié)合供氧曲線和爐內(nèi)反應(yīng)，強化噴吹碳粉的操作，增加了工藝過程控制的變量。

　　同時，由于廢鋼的多次回收循環(huán)利用，一些冶煉過程中難以去除或者無法去除的殘留元素會不斷地富集，比如，鉛(Pb)、錫(Sn)、砷(As)、銻(Sb)和鉍(Bi)等會對鋼材的性能產(chǎn)生嚴重的危害。不合理或不夠精細的廢鋼分類管理，極易造成一些特殊的高質(zhì)量鋼的殘留元素的超標。因此，對于電爐煉鋼，廢鋼的管理和入爐配料就尤為重要。

　　2鐵水使用現(xiàn)狀分析

　　電爐熱裝鐵水煉鋼工藝是中國冶金工作者對現(xiàn)代電爐煉鋼技術(shù)發(fā)展的貢獻[14]，是電爐冶煉的一項全新的技術(shù)。該技術(shù)是由于我國廢鋼資源不足，而采取的一種替代性的工藝技術(shù)。

　　2.1熱裝鐵水之優(yōu)勢

　　熱裝鐵水可以帶入大量的物理熱和化學(xué)熱，縮短熔池形成時間，提前大功率供電的時機，顯著降低冶煉電耗，縮短冶煉時間，提高生產(chǎn)效率，降低成生產(chǎn)成本。鐵水的碳含量較高，脫碳沸騰有利于泡沫渣的形成，可以盡早實現(xiàn)埋弧，降低電離導(dǎo)致的鋼水中的氮含量，同時沸騰攪拌熔池有利于去除夾雜物和有害氣體。此外，低含量有害殘留元素的鐵水，可以很好地中和廢鋼中富集的殘留元素，具有冶煉高潔凈度鋼種的條件。

　　2.2熱裝鐵水之不足

　　鐵水熱裝工藝，也有其明顯的缺點。因鐵水含碳量高，高比例的熱裝鐵水，會增加電爐的脫碳負荷，延長冶煉時間。同時，鐵水中的磷含量也高，增加了脫磷的任務(wù)。電爐冶煉脫磷的熱力學(xué)和動力學(xué)條件都不如轉(zhuǎn)爐好，并且冶煉過程中熔池的溫度主要受化學(xué)熱的控制，會導(dǎo)致脫磷反應(yīng)不易控制，冶煉低磷鋼(成品W(P)≤0.01%)難度大[15]。由于現(xiàn)代新型電爐的功能較傳統(tǒng)電爐的功能單一，取消了冶煉的還原期，將還原脫硫的功能轉(zhuǎn)移到了LF進行，因此，大比例熱裝鐵水，也會增加電爐的脫硫負荷。該工藝從熱量帶入的角度，熱裝比例越高電耗降低越多，但實際生產(chǎn)中并非如此，而是呈現(xiàn)出先低后高的規(guī)律性變化，熱裝比例與電耗存在一個最佳值。隨著熱裝比例的提高，供電時間縮短，冶煉所需電能降低。

　　但與此同時，鐵水帶入的碳含量增加，吹氧脫碳時間相應(yīng)延長。當吹氧脫碳時間超過有效供電時間時，吹氧脫碳時間將決定冶煉周期，此時熱裝比例即為冶煉周期拐點。繼續(xù)提高熱裝比例，冶煉周期延長，供電時間延長，熱量的耗散增加，電耗上升。受廢鋼資源等因素的影響，部分企業(yè)的鐵水熱裝比例高達70%～89%，從而出現(xiàn)了“電轉(zhuǎn)爐”的操作，例如，韶鋼、鄂鋼[16]。但從煉鋼全流程角度來看，綜合成本和其他方面的影響因素，必然存在一個合理的熱裝比例范圍值。眾多研究人員認為鐵水熱裝比例在30%～60%區(qū)間內(nèi)，可提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化[17]。熱裝鐵水的比例受原料條件、爐型和容量、配套裝備、生產(chǎn)節(jié)奏等多種因素的影響[18]。

　　各種輸入條件相互之間合理地匹配，才能保證冶煉過程中爐內(nèi)鋼水碳含量控制在合理范圍內(nèi)[19]，實現(xiàn)過程控制操作平穩(wěn)，各生產(chǎn)單位應(yīng)結(jié)合自身的條件確定最優(yōu)熱裝比例。比如，三寶鋼鐵根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，70和90t電爐利用鐵水溫度約為1250℃，碳質(zhì)量分數(shù)為3.5%～4.0%，硅質(zhì)量分數(shù)為0.35%～0.5%，熱裝比例為30%～35%，冶煉電耗最低(約為130kW·h)，周期最短(縮短冶煉時間約10min)[20]。

　　3直接還原鐵使用現(xiàn)狀分析

　　鐵的直接還原是指不經(jīng)過在高爐或其他熔化過程的熔化階段，在固相中直接從氧化物(主要以塊礦或球團的形式)還原生成鐵的冶金過程，該生產(chǎn)工藝得到的主要含鐵產(chǎn)品具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)和微小的孔隙，因此，通常被稱為海綿鐵或直接還原鐵或金屬化鐵[21]。

　　3.1海綿鐵、熱壓塊和冷壓塊

　　直接還原鐵的種類包括海綿鐵(DRI)、熱壓塊(HBI)和冷壓塊。高金屬化率的直接還原鐵具有更好的冶金性能，比如，AntaraSteelMills公司的MIDREX生產(chǎn)的熱壓塊年平均金屬化率高達93.49%，卡塔爾鋼鐵公司生產(chǎn)的冷態(tài)直接還原鐵年平均金屬化率高達94.70%，TenarisSiderca生產(chǎn)的直接還原鐵年平均金屬化率高達95.40%[22]。

　　直接還原鐵作為廢鋼不足的替代品，其在生產(chǎn)工藝中直接配加的比例一般為20%～70%，根據(jù)電爐裝備和生產(chǎn)工藝情況而異，但在某些國家和地區(qū)也采用全直接還原鐵冶煉工藝。目前，全球范圍內(nèi)主要的電爐煉鋼流程，廢鋼和直接還原鐵的配加比例一般為50%～70%和50%～30%[23]。在生產(chǎn)海綿鐵的原料中，與塊礦相比，球團主要是由鐵精粉和其他含鐵物料造球、焙燒而成，球團原料廣，可充分利用通過選礦去除雜質(zhì)和有害元素的低品位礦、尾礦，同時還可綜合利用其他含鐵物料。

　　3.2直接還原鐵之優(yōu)勢

　　在冶煉優(yōu)質(zhì)鋼方面，采用直接還原鐵與采用鐵水工藝，在碳含量高、形成泡沫渣早、冶煉過程熔池活躍等方面有相同的優(yōu)勢，且有害元素含量比鐵水更低，不會造成殘余元素的富集。綜合鐵前生產(chǎn)，成本更低，污染物排放水平更低。碳含量可隨生產(chǎn)需求調(diào)整，調(diào)整范圍為1.0%～3.5%，從而可以滿足不同電弧爐的需要[24]。同時，低硫含量的直接還原鐵與廢鋼冶煉相比，鋼水中硫含量的控制效果更好。

　　直接還原鐵的塊度小且均勻，更利于爐料預(yù)熱，自動加料，減少供電中斷時間和熱量損失，提高電能利用率[1,14]，縮短冶煉時間，提高產(chǎn)量。球團具有品位高，雜質(zhì)少，粒度小而均勻，且冷態(tài)強度和抗壓強度好的特點，利于在氣固還原過程中爐內(nèi)的透氣性和氣流的均勻分布，同時，在電爐冶煉方面具有低渣料消耗、低渣量、低電耗的優(yōu)勢。

　　且隨著高品位鐵礦石儲量的減少和價格的上漲，球團的優(yōu)勢逐漸凸顯。電弧爐采用球團入爐，可根據(jù)自身生產(chǎn)技術(shù)特點，適當靈活調(diào)整球團的冶金性能和技術(shù)參數(shù)。同時，其生產(chǎn)過程資源消耗強度較高爐小，污染物的排放少，更適合綠色鋼鐵之路的發(fā)展。通過熱料輸送和熱裝(通常溫度為500～700℃)入爐，噸鋼節(jié)約電能60～80kW·h，進一步提高熱能利用率，降低生產(chǎn)成本。其熱料輸送和熱裝的方法不盡相同，例如，印度Assar公司使用的保溫罐法;墨西哥HYL公司的氣體管道輸送法(Hytemp技術(shù));德國Aumund公司的熱輸送機法(Aumund法)等[25]。

　　3.3直接還原鐵之不足

　　直接還原鐵的缺點是含有一些未還原的鐵的氧化物和脈石，冶煉渣量大，若使用酸性脈石(Al2O3+SiO2)含量特別高的直接還原鐵，渣量會高達300～400kg/t[26]，熱量損失多，電耗增加。冶煉過程中，連續(xù)加入直接還原鐵時，由于其密度小，加入速度過快有可能導(dǎo)致冷態(tài)直接還原鐵局部富集，漂浮在鋼液熔池表面形成堆積現(xiàn)象，也稱為“冰山現(xiàn)象”。造成工藝過程控制和操作的難度增加，同時還會影響電爐耐材使用壽命。

　　此外，直接還原鐵成品容易氧化，不利于長期保存和長距離運輸。生產(chǎn)塊狀直接還原鐵和高品位高質(zhì)量的球團對礦石的品味要求較高，同時要求有豐富的還原性氣體的資源。氣基直接還原工藝采用天然氣作為主要還原氣體，煤基直接還原工藝采用煤制煤氣作為主要還原氣體，而工藝較氣基直接還原復(fù)雜，能耗也高于以天然氣為還原劑的氣基直接還原[27]。顯然在現(xiàn)階段技術(shù)條件下，中國大規(guī)模發(fā)展直接還原鐵技術(shù)，不具備明顯的優(yōu)勢。中東國家某鋼鐵企業(yè)根據(jù)當?shù)卦�料條件供應(yīng)情況及本企業(yè)生產(chǎn)控制技術(shù)水平，確定了5種原料入爐比例。隨著直接還原鐵裝入比例的降低和廢鋼比例的提高，爐內(nèi)的反應(yīng)趨于平緩穩(wěn)定，氧化期劇烈的沸騰現(xiàn)象減少，并且持續(xù)時間縮短。

　　渣料消耗降低，渣量減少，但直接還原鐵熱送熱裝的比例降低，電耗和熱損失增加。依據(jù)該企業(yè)的實際情況，結(jié)合電爐電氣、機械等設(shè)備參數(shù)特點，生產(chǎn)實踐驗證，在裝料模式三和模式四下，先集中加入廢鋼，后保持100%直接還原鐵的連續(xù)加入冶煉工藝有利于電爐操作。既能調(diào)整優(yōu)化廢鋼的配料，減少頻繁斷電加料，又能較大限度地進行直接還原鐵的熱送熱裝操作，并且還能實現(xiàn)與后道工序的良好匹配。但也有企業(yè)，控制入爐原料中的廢鋼比不超過35%，盡可能多采用直接還原鐵。

　　4其他鋼鐵原料

　　電爐入爐的鋼鐵原料除廢鋼、鐵水和直接還原鐵之外，還有包括一些少量的其它入爐鋼鐵原料，比如，生鐵塊、脫碳粒鐵、碳化鐵、復(fù)合金屬料等[1,10,14]。其多作為優(yōu)化入爐原料結(jié)構(gòu)配比和冶煉過程控制的調(diào)節(jié)劑。生鐵多來源于高爐，通常情況下，當高爐供應(yīng)鐵水量大于煉鋼消耗鐵時，會將富余的鐵水通過鑄鐵機澆注成生鐵塊。相對于廢鋼而言，生鐵塊除物理熱外，與鐵水的特點相同。

　　但對于電爐煉鋼，生鐵塊只是全廢鋼冶煉提高爐料配碳量時，或者廢鋼不足時作為廢鋼的補充。其配入量通常為10%～25%，最高不應(yīng)超過35%，一般不作為主要的電爐煉鋼的鋼鐵料。脫碳粒鐵又稱脫碳粒化生鐵，是用高壓水直接淬化高爐鐵水，生成粒度為3～10mm的生鐵粒，其成分與鐵水和生鐵塊特點相同，但是由于其粒度小，表面增加了少量的FeO，加入電爐后有利于泡沫渣的形成。

　　電爐煉鋼配加生鐵塊，雖能提高生產(chǎn)，降低消耗，但由于其主要來源于高爐，其存在明顯的溫度反復(fù)和能量耗散損失，而且從全流程來看，在節(jié)能和環(huán)保方面都體現(xiàn)不出電爐工藝的優(yōu)勢，脫碳粒鐵亦是如此。碳化鐵是以礦石或者精粉，通過與工業(yè)氣體反應(yīng)而生成。由于其含碳量較高，可以替代炭粉噴吹入爐，不僅能起到炭粉噴入的造泡沫渣、增加熱量的作用，還減少了噴吹炭粉帶入的硫等雜質(zhì)，同時降低鋼中氮含量。

　　復(fù)合金屬料以鐵水配加燒結(jié)礦、球團礦冷卻復(fù)合形成。其雖然在電爐冶煉中能起到一些積極的作用，但提高了生產(chǎn)成本，也浪費了一些金屬元素，致使缺點也很明顯。上述含鐵原料經(jīng)試驗、生產(chǎn)證明可以作為電弧爐煉鋼的原料，但由于與其他入爐原料相比優(yōu)勢不明顯，加之生產(chǎn)工序、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)實踐和經(jīng)驗影響，在現(xiàn)實生產(chǎn)中應(yīng)用很少。

　　5總結(jié)與展望

　　廢鋼的短缺，鐵水的環(huán)境不經(jīng)濟性，直接還原鐵的低速發(fā)展，入爐鋼鐵原料是制約我國電爐發(fā)展的主要因素。隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的完善，工業(yè)化水平的發(fā)展，我國的鋼鐵材料將逐步實現(xiàn)循環(huán)利用。按照鋼鐵8～30年的平均循環(huán)周期，目前我國廢鋼的循環(huán)率正在上升期。未來幾年，廢鋼的價格將會逐漸降低并趨于合理的水平，廢鋼占煉鋼入爐原料的比例將會提高，廢鋼的分類管理和綜合回收利用技術(shù)也會成為鋼鐵行業(yè)的熱點，同時也會催生廢鋼回收和分類管理的專業(yè)化工序或企業(yè)。按照當前人類對鐵礦石資源的開發(fā)和利用的強度，高品位的富礦越來越少，低品位礦、尾礦和其他含鐵原料將成為主要的鋼鐵原料，為保證潔凈鋼生產(chǎn)的需求，其綜合利用將成為新的研究課題。具有良好冶金性能的球團將成為電爐煉鋼主要的潔凈原料。

　　頁巖氣開發(fā)技術(shù)逐漸成熟，可燃冰利用技術(shù)突破和氫冶金技術(shù)的發(fā)展，氣基豎爐直接還原工藝將更具優(yōu)勢，并助力潔凈冶煉的綠色鋼鐵走向新的高度。高品位潔凈球團生產(chǎn)技術(shù)與氫氣豎爐直接還原技術(shù)的結(jié)合，將會是電爐煉鋼潔凈原料重要方向。基于國家碳達峰、碳中和政策，對綠色高效鋼鐵企業(yè)的發(fā)展理念和要求。廢鋼綜合回收利用技術(shù)，高品位潔凈球團生產(chǎn)技術(shù)，氫氣豎爐直接還原技術(shù)將會是未來電爐入爐鋼鐵原料生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展方向，配套新型高效智能電弧爐冶煉技術(shù)將會是未來短流程的發(fā)展方向。

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　　作者：吳耀光1，肖步慶2，朱立光3，王雁4,5