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06
2023
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直接還原鐵在電弧爐熱點中的情況 （2）
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來源：公司內部
3. 結果
圖 3 顯示了所有試驗中電壓與電流的關系。 不同的點云代表不同控制范圍的穩定區域。 圖中點越集中，電弧越穩定。 由于只能觀察到微小的波動，因此在所有情況下電弧運行都是相對穩定的。盡管如此，帶有 DRI 細粉的紫色試驗 3 顯示了最廣泛的范圍，而綠色試驗 4 的點分布則相對較緊密。 這證實了熔體頂部渣層的電弧穩定作用。
圖 3. 電壓 (U) 與電流 (I) 關系圖
對所有相關的爐子部件、坩堝和樣品材料都進行了稱重，以達到質量平衡。 所有平衡均為負，試驗 2（C-DRI）通過氣相的質量損失最大。 在此試驗期間，27.0 克粉塵從爐腔中蒸發出來，而沒有在廢棄過濾器中分離。此外，在這種情況下，還原反應影響了質量平衡。這在試驗4中是最不明顯的，有爐渣覆蓋，僅有2.8克的損失。 試驗 1 和 3 位于損失處于中間，分別為 11.3 克和 14.9 克。
圖 4 顯示了無碳無渣試驗 1 和 3 期間的現場照片。電弧在表面移動并熔化海綿鐵。 可以與圖 4a 中的顆粒進行對比，能夠更好地展示進展情況。 左側是液池，而右側仍然可以觀察到顆粒結構。 相比之下，圖 4b 中的 DRI 細粒沒有顯示任何輪廓，難以進行詳細觀察。
圖 4. 現場照片： (a) 試驗1； (b) 試驗 3
圖 5 中滲碳樣品的特征是氣泡的形成； 見紅圈。 這些氣泡表明海綿鐵樣品中殘留的氧化鐵和碳的減少。
圖 5. 試驗 2 期間的現場照片
圖6可以觀察到成渣氧化物的溶解情況。(a)中的照片是在添加粉末后立即拍攝的。在 (b)中，粉末溶解在表面爐渣中； 見紅圈。 在(c)中添加氧化物粉末后，整個表面似乎都在發光。 這與其他樣品不同，在其他樣品中，通過鋼坩堝的強冷卻導致了局部熱點。 這種現象體現了渣層具有隔熱作用。
圖 6. 試驗 4 期間的現場照片： (a) 頂部有氧化物粉末； (b)氧化物粉末的溶解； (c)在所有成渣劑都裝料之后。
圖 7 顯示了試驗 2 中使用滲碳 DRI 進行的廢氣分析。 高 CO 和 CO2 含量表明殘留的氧化鐵減少，證實了上述觀察結果。 0.75% 的碳含量與 DRI 相比顯著降低，與該結果相關。 另一個需要注意的方面是爐耐火材料中的水分導致氫含量增加。 溫度越高，釋放出的水分越多，在非均相變換反應后會反應生成H2和CO。
圖 7. 試驗 2 的廢氣分析： (a) 概述； (b) 詳細的 y 尺度
圖 8 提供了具有 DRI 細粉的試驗3的廢棄分析。 H2 顯示出與上述類似的行為； 由于樣品不含碳，因此電極燒毀會產生 CO 和 CO2。 不幸的是，由于軟件問題，試驗1 的分析丟失了。 盡管如此，圖 8 代表了試驗 1、3 和 4 中無碳樣品的廢氣成分。樣品 3 的碳含量極少，為 0.09%，這可能是由于與鋼坩堝或石墨電極的相互作用。
圖 8. 試驗 3 的廢氣分析： (a) 概述； (b) 詳細的 y 尺度
圖 9 顯示了試驗后的樣品坩堝，紅塵浮于表面。 最合理的解釋是，汽化的鐵與爐中耐火材料的水分形成了氧化鐵或氫氧化物。 這與 (d) 中的爐渣覆蓋樣品一致。 一方面，它整體呈現灰色； 另一方面，該樣品蒸發最少。 雖然（a）和（b）中的樣品表面粗糙，而（d）中的渣層相對光滑，但很脆，有許多裂紋。 該層的深灰色表明含有大量的氧化鐵。 試驗 1 和 3 表明電弧周圍的溫度梯度形成了同心結構。
圖 9. 試驗后樣品坩堝的宏觀照片： (a) 試驗1； (b) 試驗2； (c) 試驗 3； (d) 試驗 4
觀察 (b) 中試驗 2 中的滲碳 DRI 樣品，有兩個方面需要注意。 首先，右下側的干果表面有很多水珠。 其次，樣品表面無金屬感，而是有些發黃，呈玻璃狀。 出現這種情況可能是因為還原反應產生的二氧化碳氣泡濺出了金屬液滴，這些液滴到達坩堝表面。 此外，水泡將脈石拖到樣品的表面上。 飛濺也是出現明顯的質量損失的原因，因為一些飛濺可能會在不被注意的情況下落在爐子耐火材料中。
圖 10 顯示了試驗 2 中的頂層顆粒上下兩側的數字顯微鏡圖像。 (a) 看起來是有有很多氣泡的金屬 (b) 看起來是玻璃
圖 10. 試驗 2 的頂層： (a) 下側； (b) 上側
表 3 提供了通過 SEM-EDX 測定的上述顆粒兩側的大致成分。 雖然下部的氧化鐵含量稍高，但成分并無明顯差異。 閃亮的灰色表明它已部分金屬化。 然而，SEM-EDX 無法區分 Femet、Fe2+ 和 Fe3+。
表 3. 圖 10 中試驗 2 頂層的化學成分，通過 SEM-EDX 測定元素并作為氧化物重新計算
| 重量-% | FeO | MnO | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | TiO2 |
| 下側 | 16.9 | 9.33 | 36.3 | 7.4 | 19 | 9.57 | 1.55 |
| 上側 | 14.3 | 9.19 | 38.3 | 7.77 | 19.7 | 9.16 | 1.58 |
圖 11 顯示了橫截面的數字顯微鏡圖像。 以下幾個方面需要注意：
圖 11. 橫截面的數字顯微鏡圖像： (a) 試驗1； (b) 試驗2； (c) 試驗 3； (d) 試驗 4
• 試驗1、3 和 4 中的無碳樣品有許多孔隙，特別是 (c) 中的細 DRI 樣品，有一個大氣泡。 此外，它們還有黑點，這表明其中有脈石夾雜物。
• (b) 中的含碳樣品在這種情況下看起來完全不同。 它結構致密，無氣孔和夾雜物。 這種情況是因為在宏觀觀察下，煤矸石在樣品頂部聚集有關。
• (a)、(b) 和 (c) 中的樣品與坩堝融為一體， (d) 的情況則相反。 爐渣框住鋼材； 直線邊界也表明坩堝沒有液化。 這張照片更加引人注目，因為坩堝中心似乎富含爐渣； 比較圖2中的切割方案。
4. 討論
在 EAF 操作的 HPSR 反應器中，對不同類型的 DRI 進行了小規模熔化試驗。 穩定的電弧證實了所有 DRI 樣品的都有良好熔融性。 如果在渣層中運行，電氣波動會很小，如圖 3 的穩定區域中突出顯示的那樣。
所有質量平衡均為負值，表明有大量的蒸發以及粉塵在爐膛中損失，而沒有在廢氣過濾器中分離。 這對于試驗 2 中的含碳樣品來說最為明顯。鋼坩堝上較大的液滴（如圖 9b 所示）表明了第二個影響， 還原后殘留的 FeO 產生的 CO 氣泡從熔體中飛濺出來，進入爐膛，攜帶液滴。 因此，質量平衡中不考慮這種質量損失。 廢氣中的高 CO 含量和最終0.75%的低碳含量表明 DRI 中殘留的氧化鐵明顯減少。
試驗 2 的另一個方面也很突出，它的橫截面無氣泡和脈石夾雜物，煤矸石堆積在表面。 這表明 CO 氣泡對氣體和夾雜物有凈化作用； 剩余的碳可以通過降低熔體粘度來增強這種效果。
試驗 4 證明了爐渣對熔化過程有著關鍵性影響。 除了隔熱作用外，爐渣還可以避免蒸發和粉塵損失，并穩定電弧。 此外，該試驗證明了熔池的攪拌可能來自電磁力。 雖然所有其他測試中的熔體都與坩堝融合，但在試驗 4 中并非如此。
將這些觀察結果與之前的研究結果相結合，我們可以解釋 DRI 進料點的關鍵重要性。 對于DRI 快速熔化，球團和鋼液之間的接觸至關重要。 在弧中心，熔池攪拌強烈。 因此，除了高溫之外，這種混合效應還增加了 DRI 接觸粗鋼的機會，從而提高了其熔化速度。 較高的碳含量在熔煉階段可以進一步提高碳含量，在出鋼前的精煉過程中，可以降低碳含量。
5. 結論
這項研究證明了 DRI 進給點進入電弧熱點的重要性。 高溫以及電磁攪拌機制導致 DRI 與鋼水接觸的機會增加，加強了對流熱和材料擴散。 帶有成渣氧化物的試驗4通過渣層覆蓋鋼樣證明了這種效果。 熔渣層還可以稍微穩定電弧，隔熱熔池并防止嚴重蒸發。
在裝料和熔化階段，增加碳含量似乎更加有利。 正如之前的研究表明，有了碳，熔化速度會更快。 除此之外，含碳 DRI 的試驗2表明，CO氣泡具有凈化效果，有利于提高最終的粗鋼質量。 這種效果體現在兩個方面， 一方面，試驗2的結構看起來沒有氣泡，另一方面，脈石氧化物沉積在表面上而不是呈顆粒分散狀態。 最后需要注意的是，超過一半的碳與殘余氧化物發生反應，這表明碳在 DRI 中具有高反應活性。
簡而言之，基于這些實驗的最佳條件如下：將高度滲碳的 DRI 直接送入電弧熱點。 在那里，電弧的強力攪拌促進了海綿鐵的熔化。 由于無碳 DRI 的樣品有氣泡和夾雜物，除了裝料點之外，電弧爐中的熱跟操作也需要重點考慮。
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Pfeiffer, A., Ernst, D., Zheng, H., Wimmer, G., & Schenk, J. The Behavior of Direct Reduced Iron in the Electric Arc Furnace Hotspot. Metals, 13(5), 978. https://doi.org/10.3390/met13050978
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