电弧炉条件下热压铁内在碳含量对熔炼和精炼效率的影响——以实现高效利用氢还原铁的可持续钢铁生产

《steel research international》：Effect of Intrinsic Carbon in Hot Briquetted Iron on Melting and Refining Efficiency under Electric Arc Furnace Conditions for Sustainable Steelmaking with Active Use of H2-Reduced Iron

热压块铁（HBI）熔化过程中CO气体释放和渣形成源于未还原FeO及gangue氧化物（如SiO?）。实验与FactSage模拟表明，HBI配比和碳含量显著影响渣体积（最高增加至原体积2倍）和脱磷效率（磷分布比随配比增加而降低）。通过添加碳（1.4吨/百吨钢）和石灰（3.0吨/百吨钢）可有效减少渣量至常规的1.2倍，同时维持脱磷能力。研究提出优化HBI配比、碳添加及石灰调节的工艺路径，为可持续电弧炉炼钢提供解决方案。

　　在当前全球关注气候变化和环境保护的背景下，钢铁工业正面临巨大的减排压力。为了实现这一目标，越来越多的研究和实践正在探索低碳或零碳的生产技术。其中，电弧炉（EAF）工艺因其在减少二氧化碳排放方面的显著优势，正逐渐成为替代传统高炉-转炉（BF-BOF）流程的重要方向。EAF在生产过程中能够减少约80%的二氧化碳排放，这使其在可持续钢铁制造中具有极大的潜力。然而，随着EAF工艺的推广，如何有效利用新型铁源成为了一个关键问题。特别是热压块铁（HBI）作为一种新兴的替代材料，其熔化和精炼行为对整个工艺的效率和环境影响有着重要影响。本文通过实验观察和热力学计算模拟，深入探讨了HBI在EAF过程中的熔化行为、脱磷效率及熔渣特性，并提出了优化原料设计的建议，以实现环保、高效、高质量的钢铁生产。

HBI是通过氢气还原直接还原铁（DRI）制成的，其特点在于减少了氧化铁的含量，并且能够避免DRI在运输和储存过程中可能发生的氧化问题。然而，由于直接还原过程无法有效去除杂质矿物，HBI中仍然含有一定量的磷和硫。这些元素的存在会影响最终产品的质量，特别是在高要求的钢种生产中，磷和硫含量必须被严格控制。为此，HBI在EAF中的应用需要特别关注其与熔渣之间的反应机制，以及如何通过添加合适的添加剂来优化熔渣的化学组成和物理性能。

实验结果显示，在1823K的高温条件下，HBI在感应炉中的熔化过程中产生了CO气体，并形成了含有未还原FeO和杂质氧化物的熔渣。这些杂质氧化物主要包括二氧化硅（SiO?），其次是少量的氧化铝（Al?O?）、氧化镁（MgO）和氧化钙（CaO）。实验还发现，随着HBI的添加比例增加，熔渣的体积显著上升，这主要是由于FeO和SiO?含量的增加所导致。同时，脱磷能力下降，表明高比例的HBI可能会降低EAF工艺的脱磷效率。因此，如何在使用HBI作为替代原料时，通过合理的原料配比和添加剂选择，控制熔渣体积、保持熔渣碱度并减少CO?排放，成为实现EAF高效运行和可持续发展的关键。

为了进一步分析HBI在EAF中的行为，研究者利用FactSage热化学计算软件进行了模拟。通过模拟不同HBI配比和内在碳含量对熔渣组成及脱磷能力的影响，发现当HBI的内在碳含量为零（即H?还原产物）时，熔渣的体积和脱磷能力都受到显著影响。高配比的H?-HBI会导致FeO含量增加，从而降低熔渣的碱度，影响脱磷反应的进行。因此，在使用HBI作为替代原料时，必须考虑其内在碳含量和添加比例，以优化熔渣性能。

此外，研究还探讨了HBI与传统废钢之间的相互作用。在H?-HBI配比较高的情况下，熔渣中的FeO和SiO?含量增加，这不仅影响熔渣的体积，还可能降低其脱磷能力。然而，通过适当添加碳源和石灰（CaO），可以有效减少FeO含量并提升熔渣碱度，从而增强脱磷效率。例如，在20% H?-HBI配比的系统中，需添加约0.4吨碳和0.7吨石灰才能恢复熔渣的脱磷能力；而在80% H?-HBI配比的系统中，需要添加约1.4吨碳和3.0吨石灰，以达到与传统EAF工艺相似的脱磷效果。这种组合策略不仅有助于减少熔渣体积，还能在不牺牲脱磷效率的前提下实现环保目标。

研究还指出，HBI的内在碳含量对其熔化过程和反应行为有重要影响。随着内在碳含量的增加，熔渣的碱度（C/S比）有所提高，这有助于提升脱磷能力。然而，过高的碳含量可能影响熔渣的流动性，进而影响脱磷反应的效率。因此，如何在HBI的熔化过程中平衡碳含量和熔渣碱度，是优化EAF工艺的关键问题之一。

实验还发现，HBI的熔化过程中会释放CO气体，这不仅影响熔渣的形成，还可能对EAF的操作产生影响。例如，CO气泡的形成会增加熔渣的泡沫性，从而影响熔渣的物理特性，如流动性、热传导效率等。这些因素对熔化速率和能耗有直接关系。研究还表明，随着HBI配比的增加，熔渣的泡沫性会有所下降，这可能与FeO和SiO?的含量变化有关。因此，在设计EAF操作时，需要综合考虑HBI的配比和碳含量，以实现最佳的熔渣性能和脱磷效率。

通过对比实验数据和模拟结果，研究者发现HBI的熔化行为与DRI存在一定的相似性，但也表现出独特的特性。例如，在HBI熔化过程中，CO气体的生成不仅受到FeO和内在碳含量的影响，还可能与熔渣的形成过程密切相关。同时，HBI中的杂质氧化物在熔化过程中会溶解到熔渣中，从而改变熔渣的组成和性质。这种变化不仅影响熔渣的体积，还可能对脱磷效率产生负面影响。因此，在使用HBI作为替代原料时，必须通过添加适当的添加剂（如石灰）来调节熔渣的碱度，以提升脱磷能力。

研究进一步指出，HBI的内在碳含量对脱磷效率有重要影响。当HBI的碳含量较低时，FeO的含量较高，这会增加熔渣的氧势，从而提高脱磷反应的驱动力。然而，过低的碳含量可能导致FeO无法充分还原，从而影响脱磷效果。因此，HBI的碳含量必须在一定范围内进行优化，以确保脱磷效率和熔渣性能之间的平衡。

此外，HBI的熔化过程中，熔渣的碱度（CaO/SiO?）是一个关键参数。随着HBI配比的增加，SiO?和CaO的含量变化会导致熔渣碱度的波动，进而影响脱磷能力。因此，在EAF操作中，需要根据HBI的配比和碳含量，合理调整石灰的添加量，以维持合适的熔渣碱度。例如，在80% H?-HBI配比的系统中，通过添加3.0吨石灰，可以恢复熔渣的脱磷能力，同时减少熔渣体积，以达到绿色钢铁制造的目标。

总体而言，HBI在EAF中的应用需要综合考虑多个因素，包括HBI的配比、内在碳含量、熔渣碱度、熔渣体积以及脱磷效率。通过实验观察和热力学模拟，研究者能够更深入地理解HBI在熔化过程中的化学行为，并提出相应的优化方案。这些方案不仅有助于提升EAF工艺的效率和环保性，还能为未来开发更清洁的钢铁制造技术提供理论支持和实践指导。随着氢能和清洁技术的不断进步，HBI和DRI的应用前景将更加广阔，而如何有效利用这些材料，将成为推动钢铁行业可持续发展的重要课题。