1. 簡介
2021年電弧爐（EAF）生產(chǎn)粗鋼超過5億噸。 盡管廢鋼是主要的鐵載體，但電弧爐也是適合加工直接還原鐵 (DRI) 或熱壓塊鐵 (HBI) 的設(shè)備。 這種直接還原反應(yīng)堆（DR）和電弧爐的組合可以是墨西哥、沙特阿拉伯和阿拉伯聯(lián)合酋長國等天然氣豐富國家的主要礦石煉鋼戰(zhàn)略。2021 年 119 噸 DRI 產(chǎn)量僅占全球鋼鐵生產(chǎn)黑色金屬原料總量的一小部分。 然而，由于歐盟的氣候目標(biāo)，這項(xiàng)技術(shù)在未來可能會(huì)變得更加重要。 因此，海綿鐵的加工行為也備受關(guān)注。

過去許多作者研究了 DRI 的熔化行為。 從單個(gè)球團(tuán)的角度來看，必須區(qū)分在鋼水、鐵水和爐渣中的溶解情況。 González等人用數(shù)學(xué)的方式描述了與鐵水接觸的球團(tuán)上固體表面層的初始形成。 該層將顆粒直徑從 12 毫米增加到 18 毫米，大約 6 秒后開始軟化。 根據(jù)所考慮的 EAF 弧長，計(jì)算出的直徑在 13 至 17 秒后達(dá)到 0 毫米。 熔化速率主要取決于初始顆粒直徑。 Pineda-Martínez等人的研究結(jié)果與非反應(yīng)性爐渣接觸的結(jié)果類似。 然而，由于傳熱較低，與液態(tài)鋼相比，熔化時(shí)間大大增加。 除了顆粒尺寸之外，熔池?cái)嚢枰彩且粋€(gè)決定性因素，因?yàn)閺?qiáng)制對(duì)流極大地增加熱傳遞。 Ramirez-Argaez等人進(jìn)一步利用CFD建模研究了多相渣-鋼-直接還原鐵體系，得到了相似的結(jié)果。 Pfeiffer等人通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一趨勢(shì)。 他們將 DRI 和 HBI 的單個(gè)樣品浸入液池中，并在預(yù)定時(shí)間后淬火。 無碳 DRI 最初會(huì)從鋼和爐渣中獲得固體層。 然而，DRI 碳含量越高，球團(tuán)在鋼中液化的速度就越快。 然而，即使是高度滲碳的海綿鐵，在浸泡三秒后仍會(huì)在爐渣中保持固態(tài)。 作者使用普朗特?cái)?shù)分析解釋了這種差異，在礦渣情況下普朗特?cái)?shù)增加了大約 1000 倍。 即使熔化溫度低于鐵的液相溫度，浸入飽和熱金屬中的樣品熔化得更快。 碳從液態(tài)到固態(tài)的擴(kuò)散解釋了這一點(diǎn)。 Penz等人研究了堿性氧氣轉(zhuǎn)爐（BOF）條件下廢鋼熔化的這種現(xiàn)象。 在形成初始固體殼后，只要液相溫度低于熔點(diǎn)，碳就會(huì)擴(kuò)散。 一旦發(fā)生這種情況，融化就會(huì)進(jìn)行。

DRI 通常通過 EAF 蓋上的第五個(gè)孔連續(xù)進(jìn)料。 為了獲得穩(wěn)定的平熔池操作，基于 DRI 的 EAF 采用高達(dá) 30% 的留鋼。 該操作的特點(diǎn)是電弧模式短且穩(wěn)定，熔池液位平穩(wěn)增加。 理想的進(jìn)料點(diǎn)位于熱點(diǎn)，即三個(gè) AC-EAF 電極的中心。 根據(jù) DRI 溫度和熔化能力，進(jìn)料速率受到限制，以避免形成所謂的“冰山”或“鐵山”。 典型值范圍從冷 DRI 的 34 kg/(min·MW) 到熱 DRI 的 55 kg/(min·MW) 。 因此，熱 DRI 進(jìn)料不僅利于能源消耗，在裝料率方面也有利。 因此，可以預(yù)見冶煉時(shí)間會(huì)縮短。

近年來，以電爐煉鋼為重點(diǎn)進(jìn)行了大量的研究。 在這種情況下，對(duì)于未來優(yōu)化CO2中性煉鋼的EAF工藝而言，最重要的是爐渣操作、工藝建模以及替代碳源的應(yīng)用。 爐渣操作從多個(gè)方面定義了工藝順序。 一方面，爐渣泡沫覆蓋電弧，避免了輻射損失。 此外，因?yàn)樗?FeO 含量高，它還決定了金屬鐵的產(chǎn)量，有害元素（例如磷）的分配以及耐火材料的壽命。 使用生物質(zhì)基碳載體幾乎完全減少了化石基碳的排放，因?yàn)殡娀t依靠最少量的碳來進(jìn)行爐渣發(fā)泡操作。 最后，工藝模擬和建模提高了工藝效率。 人們對(duì) EAF 及其質(zhì)量和能量平衡的模擬能力越強(qiáng)，可以節(jié)省的能源和輸入材料（例如造渣氧化物）就越多。

然而，目前在這兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)仍然很少。 首先是基于氫的DRI的應(yīng)用。由于這種海綿鐵不含碳，其液相線溫度明顯高于傳統(tǒng)的液相線溫度。 這種差異可能會(huì)導(dǎo)致 EAF 熔化步驟中出現(xiàn)不同的情況。 二是直接觀察 EAF 中的進(jìn)料。 本文旨在對(duì)上述兩方面進(jìn)行更深一步的研究，并分析 DRI 在電弧中的情況。 除了氫基無碳材料之外，還測試了滲碳樣品和連續(xù)爐渣進(jìn)料。 這些觀察結(jié)果有利于進(jìn)一步理解熔化過程，也可用于解釋最佳 DRI 裝料策略，對(duì)于粗鋼的質(zhì)量也提供了一個(gè)想法。

2. 材料和方法
表1列出了所應(yīng)用的鐵礦石及其成分。 實(shí)驗(yàn) 0、1 和 2 中使用了 DR 級(jí)球團(tuán)； 實(shí)驗(yàn)3使用了與測試流化床還原的 DRI 細(xì)粉類似的細(xì)礦。為了使礦渣實(shí)驗(yàn)4的結(jié)果更清晰，測試了脈石含量較高的BF級(jí)球團(tuán)。

表 1. 礦石成分（wt.-%）

顆粒樣品在立式還原爐 (VRF) 中使用直徑為 75 mm 的蒸餾器進(jìn)行還原。 這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)聚合體，例如用于執(zhí)行 ISO11258 等標(biāo)準(zhǔn)測試。 蒸餾器固定在秤上，可以監(jiān)測測試過程中的重量損失。 還原氣體在爐室內(nèi)預(yù)熱； 它從底部進(jìn)入蒸餾器并通過頂部進(jìn)入廢氣管道。 熱電偶測量顆粒負(fù)載中心的溫度。 裝入約500g顆粒。 在氮?dú)獯祾呦录訜嶂?900°C 后，施加 25 NL/min 的純 H2。 一旦質(zhì)量損失達(dá)到所需的金屬化程度（MD），就停止測試，并將材料在氮?dú)鈿夥障吕鋮s。 制備了三個(gè)顆粒樣品：兩個(gè) DR 顆粒，MD降低至 90% 和 94%； 一個(gè) BF 顆粒的MD降低至 90% 。 在同一蒸餾器中，高度還原的 DR 級(jí) DRI 隨后在 8 NL/min CH4 和 800 °C 下進(jìn)行滲碳。 根據(jù)質(zhì)量平衡，含碳2.1%； 由于初始還原度高，可以確定該推論很合理。

粉礦在熱處理爐的700℃下預(yù)氧化8小時(shí)。 預(yù)還原步驟是必不可少的，因?yàn)槌噼F礦在還原性和流化行為方面是有利的。 樣品在 68 mm 流化床反應(yīng)器中還原。 該反應(yīng)器使用與75mm干餾爐相同的爐子； Spreitzer 和 Schenk 詳細(xì)描述了它的特性和尺寸 [33]。 使用 6 NL/min N2 和 15 NL/min H2 進(jìn)行還原，無需在還原室中施加額外壓力。 使用孔徑為 0.4 mm的網(wǎng)格，這對(duì)于此類細(xì)粒鐵礦石來說是最理想的。 通過質(zhì)量平衡計(jì)算確定最終MD約為89.4%。

熔化測試在奧地利 Montanuniversit?t Leoben 黑色冶金中心的氫等離子體熔煉還原 (HPSR) 反應(yīng)器中進(jìn)行，其布局如圖 1 所示。這種聚合在 [35,36] 中進(jìn)行了廣泛描述，通常應(yīng)用于直接熔融還原試驗(yàn)，該方法本身已經(jīng)很成熟。關(guān)于氫還原，在過去已經(jīng)有過許多研究。 對(duì)電弧的穩(wěn)定性、電極形狀和礦石預(yù)還原度進(jìn)行了優(yōu)化。 如果像本實(shí)驗(yàn)一樣在惰性氣氛中運(yùn)行，則可以將其視為帶有石墨電極的直流實(shí)驗(yàn)室規(guī)模電弧爐。 電極直徑為26mm， 尖端為10mm，軸向開口為5mm，通過該開口供應(yīng)氮?dú)狻?/span>

 圖 1. HPSR 爐布局示意圖

 
將樣品分批裝入鋼坩堝中，Ernst 等人總結(jié)了其精確尺寸。所有實(shí)驗(yàn)均以 2 NL/min 氮?dú)獯祾哌M(jìn)行。 表 2 總結(jié)了所有進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn) 0 是一個(gè)方法實(shí)驗(yàn)，沒有進(jìn)一步評(píng)估。 在實(shí)驗(yàn)4中，通過中空電極連續(xù)供給14.0g CaO和3.1g MgO。 使用來自德國卡爾斯魯厄 Carl Roth GmbH + Co. KG 的純度為 95% 和 99% 的技術(shù)純氧化物。 最初，變壓器電流設(shè)置為 100 A。在測試過程中，根據(jù)變壓器溫度和電壓逐步減小電流。 為此 ，采用了可控硅整流器（SCR）。 在實(shí)驗(yàn)4的最后大約2.5分鐘，功率輸入最大化以加強(qiáng)爐渣-金屬攪拌。  

表 2. 實(shí)驗(yàn)列表

實(shí)驗(yàn)以多種方式進(jìn)行評(píng)估。 HPSR 反應(yīng)器配有 AXIS-Q1775 攝像系統(tǒng)（Axis Communications AB，瑞典隆德）和 GAM 200 質(zhì)譜儀（Pfeiffer Vacuum Technologies AG，A?lar，德國），可以監(jiān)控電弧以及廢氣的情況，并記錄電壓和電流值。

  
使用配備 Sigma Contemporary 30 mm 鏡頭（日本川崎 Sigma Corporation）的 Sony Alpha 6000 DSLM 相機(jī)（日本東京索尼集團(tuán)公司）對(duì)坩堝進(jìn)行目視檢查。 然后，對(duì)坩堝進(jìn)行嵌入、切割，并對(duì)橫截面進(jìn)行金相分析。 圖 2 詳細(xì)介紹了切割方案。 使用 1% 的硝酸溶液進(jìn)行蝕刻，以突出坩堝和樣品之間的過渡。 我們?cè)?6 到 10 秒之間反復(fù)調(diào)整時(shí)間。

   圖  2. 金相樣品的位置

使用 Keyence VHX 7000 數(shù)字顯微鏡（Keyence Corporation，大阪，日本）對(duì)顯微切片進(jìn)行研究。 通過 SEM-EDX Fei Quanta 200Mk2（FEI Company，Hillsboro，OR，USA）對(duì)煤矸石層進(jìn)行化學(xué)分析。 從兩個(gè)坩堝中提取了少量樣品，實(shí)驗(yàn) 2 使用碳質(zhì) DRI，實(shí)驗(yàn) 3 使用 DRI 細(xì)粉，用 LECO 分析碳含量。 實(shí)驗(yàn) 3 可被認(rèn)為是無碳 DRI 測試的代表。

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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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