3. 結(jié)果
圖 3 顯示了所有試驗(yàn)中電壓與電流的關(guān)系。 不同的點(diǎn)云代表不同控制范圍的穩(wěn)定區(qū)域。 圖中點(diǎn)越集中，電弧越穩(wěn)定。 由于只能觀察到微小的波動，因此在所有情況下電弧運(yùn)行都是相對穩(wěn)定的。盡管如此，帶有 DRI 細(xì)粉的紫色試驗(yàn) 3 顯示了最廣泛的范圍，而綠色試驗(yàn) 4 的點(diǎn)分布則相對較緊密。 這證實(shí)了熔體頂部渣層的電弧穩(wěn)定作用。

 

圖 3. 電壓 (U) 與電流 (I) 關(guān)系圖

對所有相關(guān)的爐子部件、坩堝和樣品材料都進(jìn)行了稱重，以達(dá)到質(zhì)量平衡。 所有平衡均為負(fù)，試驗(yàn) 2（C-DRI）通過氣相的質(zhì)量損失最大。 在此試驗(yàn)期間，27.0 克粉塵從爐腔中蒸發(fā)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(yīng)影響了質(zhì)量平衡。這在試驗(yàn)4中是最不明顯的，有爐渣覆蓋，僅有2.8克的損失。 試驗(yàn) 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(yàn) 1 和 3 期間的現(xiàn)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(jìn)行對比，能夠更好地展示進(jìn)展情況。 左側(cè)是液池，而右側(cè)仍然可以觀察到顆粒結(jié)構(gòu)。 相比之下，圖 4b 中的 DRI 細(xì)粒沒有顯示任何輪廓，難以進(jìn)行詳細(xì)觀察。

 

圖 4. 現(xiàn)場照片： (a) 試驗(yàn)1； (b) 試驗(yàn) 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(yàn) 2 期間的現(xiàn)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(fā)光。 這與其他樣品不同，在其他樣品中，通過鋼坩堝的強(qiáng)冷卻導(dǎo)致了局部熱點(diǎn)。 這種現(xiàn)象體現(xiàn)了渣層具有隔熱作用。

 

圖 6. 試驗(yàn) 4 期間的現(xiàn)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(yàn) 2 中使用滲碳 DRI 進(jìn)行的廢氣分析。 高 CO 和 CO2 含量表明殘留的氧化鐵減少，證實(shí)了上述觀察結(jié)果。 0.75% 的碳含量與 DRI 相比顯著降低，與該結(jié)果相關(guān)。 另一個需要注意的方面是爐耐火材料中的水分導(dǎo)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(yīng)后會反應(yīng)生成H2和CO。

 

圖 7. 試驗(yàn) 2 的廢氣分析：  (a) 概述； (b) 詳細(xì)的 y 尺度

圖 8 提供了具有 DRI 細(xì)粉的試驗(yàn)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(chǎn)生 CO 和 CO2。 不幸的是，由于軟件問題，試驗(yàn)1 的分析丟失了。 盡管如此，圖 8 代表了試驗(yàn) 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(yàn) 3 的廢氣分析： (a) 概述； (b) 詳細(xì)的 y 尺度

圖 9 顯示了試驗(yàn)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(xiàn)灰色； 另一方面，該樣品蒸發(fā)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(yàn) 1 和 3 表明電弧周圍的溫度梯度形成了同心結(jié)構(gòu)。

 

圖 9. 試驗(yàn)后樣品坩堝的宏觀照片： (a) 試驗(yàn)1； (b) 試驗(yàn)2； (c) 試驗(yàn) 3； (d) 試驗(yàn) 4

觀察 (b) 中試驗(yàn) 2 中的滲碳 DRI 樣品，有兩個方面需要注意。 首先，右下側(cè)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(fā)黃，呈玻璃狀。 出現(xiàn)這種情況可能是因?yàn)檫€原反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳?xì)馀轂R出了金屬液滴，這些液滴到達(dá)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(xiàn)明顯的質(zhì)量損失的原因，因?yàn)橐恍╋w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(yàn) 2 中的頂層顆粒上下兩側(cè)的數(shù)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(yàn) 2 的頂層： (a) 下側(cè)； (b) 上側(cè)

表 3 提供了通過 SEM-EDX 測定的上述顆粒兩側(cè)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(qū)分 Femet、Fe2+ 和 Fe3+。

表 3. 圖 10 中試驗(yàn) 2 頂層的化學(xué)成分，通過 SEM-EDX 測定元素并作為氧化物重新計(jì)算

重量-%	FeO	MnO	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	TiO2
下側(cè)	16.9	9.33	36.3	7.4	19	9.57	1.55
上側(cè)	14.3	9.19	38.3	7.77	19.7	9.16	1.58

圖 11 顯示了橫截面的數(shù)字顯微鏡圖像。 以下幾個方面需要注意：

 

圖 11. 橫截面的數(shù)字顯微鏡圖像： (a) 試驗(yàn)1； (b) 試驗(yàn)2； (c) 試驗(yàn) 3； (d) 試驗(yàn) 4

• 試驗(yàn)1、3 和 4 中的無碳樣品有許多孔隙，特別是 (c) 中的細(xì) DRI 樣品，有一個大氣泡。 此外，它們還有黑點(diǎn)，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(jié)構(gòu)致密，無氣孔和夾雜物。 這種情況是因?yàn)樵诤暧^觀察下，煤矸石在樣品頂部聚集有關(guān)。
• (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?yàn)檑釄逯行乃坪醺缓瑺t渣； 比較圖2中的切割方案。

4. 討論
在 EAF 操作的 HPSR 反應(yīng)器中，對不同類型的 DRI 進(jìn)行了小規(guī)模熔化試驗(yàn)。 穩(wěn)定的電弧證實(shí)了所有 DRI 樣品的都有良好熔融性。 如果在渣層中運(yùn)行，電氣波動會很小，如圖 3 的穩(wěn)定區(qū)域中突出顯示的那樣。

所有質(zhì)量平衡均為負(fù)值，表明有大量的蒸發(fā)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(yàn) 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(chǎn)生的 CO 氣泡從熔體中飛濺出來，進(jìn)入爐膛，攜帶液滴。 因此，質(zhì)量平衡中不考慮這種質(zhì)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(yàn) 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(qiáng)這種效果。

試驗(yàn) 4 證明了爐渣對熔化過程有著關(guān)鍵性影響。 除了隔熱作用外，爐渣還可以避免蒸發(fā)和粉塵損失，并穩(wěn)定電弧。 此外，該試驗(yàn)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(yàn) 4 中并非如此。

將這些觀察結(jié)果與之前的研究結(jié)果相結(jié)合，我們可以解釋 DRI 進(jìn)料點(diǎn)的關(guān)鍵重要性。 對于DRI 快速熔化，球團(tuán)和鋼液之間的接觸至關(guān)重要。 在弧中心，熔池?cái)嚢鑿?qiáng)烈。 因此，除了高溫之外，這種混合效應(yīng)還增加了 DRI 接觸粗鋼的機(jī)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(jìn)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(jié)論
這項(xiàng)研究證明了 DRI 進(jìn)給點(diǎn)進(jìn)入電弧熱點(diǎn)的重要性。 高溫以及電磁攪拌機(jī)制導(dǎo)致 DRI 與鋼水接觸的機(jī)會增加，加強(qiáng)了對流熱和材料擴(kuò)散。 帶有成渣氧化物的試驗(yàn)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(wěn)定電弧，隔熱熔池并防止嚴(yán)重蒸發(fā)。

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(yàn)2表明，CO氣泡具有凈化效果，有利于提高最終的粗鋼質(zhì)量。 這種效果體現(xiàn)在兩個方面， 一方面，試驗(yàn)2的結(jié)構(gòu)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(tài)。 最后需要注意的是，超過一半的碳與殘余氧化物發(fā)生反應(yīng)，這表明碳在 DRI 中具有高反應(yīng)活性。

簡而言之，基于這些實(shí)驗(yàn)的最佳條件如下：將高度滲碳的 DRI 直接送入電弧熱點(diǎn)。 在那里，電弧的強(qiáng)力攪拌促進(jìn)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(diǎn)之外，電弧爐中的熱跟操作也需要重點(diǎn)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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