Use of HBI in Cleveland-Cliffs EAF and AOD Operations

热压铁块HBI在电炉和AOD上的应用

位于北美某国俄亥俄州托莱多的克利夫兰-克利夫斯托莱多Cleveland-Cliffs Toledo直接还原铁工厂生产的热压块铁(HBI)在克利夫斯Cliffs电弧炉(EAF)钢厂用作替代电弧炉(EAF)中的废钢的优质原料，并作为氩氧脱碳AOD工艺中的冷却剂。本文将对HBI的特点进行综述。本文将讨论HBI在EAF和AOD中的应用及其对EAF/AOD操作的影响。将介绍在EAF和AOD中使用HBI的益处和挑战，以及为提高HBI的使用价值所做的努力。

随着电弧炉(EAF)钢产量在世界范围内的持续增长，废钢的可用性，特别是高质量和低残余元素废钢的可用量已经减少。许多钢铁制造商正在转向替代金属料原料，如热压铁块(HBI)/直接还原铁(DRI)和生铁，作为清洁铁金属的来源，以补充和提高电炉因废钢不足造成的金属料困惑问题。因此，在过去的几十年里，EAF中这些替代废钢的金属料的供应和使用显著地增加了。

克利夫兰-克利夫斯的托莱多Cleveland-Cliffs’ Toledo直接还原铁厂于2020年完工，是五大湖地区第一家也是唯一一家HBI生产商。该工厂采用Midrex工艺，利用天然气基铁还原技术，每年生产210万吨高质量HBI。生产的HBI用于克利夫兰-克里夫斯Cleveland-Cliffs的高炉，以提高生产率，并通过降低炼铁所需的焦炭量来减少温室气体排放。作为一种清洁的铁基产品，HBI也是生铁的良好替代品。它被用于克里夫斯钢厂的电弧炉、氩氧脱碳炉(AOD)和转炉(BOF)，作为替代生铁/废钢/铁基冷却剂的优质原料。本文介绍了Cleveland- Cliffs在EAF熔炼中使用HBI的经验，包括在EAF和AOD中使用HBI，它对EAF/AOD操作的影响，以及为适应HBI的使用而改变的标准工艺操作。还将介绍在EAF和AOD中使用HBI的益处和挑战，以及为提高HBI的使用价值所做的努力。

Toledo的HBI特点

Toledo的HBI化学和物理性质

Toledo的HBI产品的化学成分和物理性能如表1和表2所示。HBI的金属铁含量约为87%，在EAF和AOD操作中，HBI的实际金属铁回收率通过HBI中碳对氧化铁的“二次还原”得到提高，这将进一步讨论。脉石含量一般为4% ~ 5%，与电炉炉料和AOD中的废钢相比，HBI具有低硫和无有害残余元素的显著优势。

表1 Toledo的HBI的典型化学成分

表2 Toledo 的HBI物理性质

HBI压块具有枕头形状，典型尺寸为4.1英寸x 1.91英寸x 1.26英寸（104x48.5x32mm）。体积密度为168磅/英尺³（2691kg/m³），是典型废钢的两倍，这使它具有电炉加料致密化的优势。一致的尺寸和良好的流动性允许金属料从合金高位料仓系统中添加，没有任何卡堵问题。

HBI“二次还原”

据报道，热压铁块HBI中的碳和FeO在温度高于~600℃时开始反应生成CO。该反应提高了HBI中金属铁的含量。FeO的还原量取决于HBI的含碳量。Toledo的HBI含有2%的C和5.1%的FeO。化学计量学上，HBI中所有的FeO都应该被还原，使HBI中的金属铁含量增加到91%。因此，仍有1.1%的多余碳可用于EAF/AOD熔池中。

HBI时效

HBI在处理、储存、运输和运输过程中会经历时效，导致金属化率的损失。Hassan等人[3]报道了HBI堆积金属料在一个月内金属铁损失了0.2%至1.5%。在Cleveland-Cliffs的EAF工厂进行的一项研究显示了类似的结果。结果表明，金属化率损失受HBI“新鲜度”的影响。通过将这种材料储存在厂房内以减少损失，并在国内生产和采购HBI以减少储存交货时间，从而减少时效时间，这两个措施可以显著减少热压铁矿时效造成的损失。HBI“二次还原”和时效都会影响金属铁含量，在计算EAF和AOD中的氧碳平衡时需要考虑这两个因素。

HBI在Cliffs的EAF操作中的运用

Toledo电弧炉熔炼车间HBI的处理和储存

Toledo的HBI通过铁路或卡车运输到Cliffs的EAF工厂。由于Toledo靠近Cliffs的EAF钢厂，因此HBI的卡车运输时间可短至一天，铁路运输时间可短至一周。这最大限度地减少了HBI时效造成的金属化率的损失。此外，由于国内HBI在运输过程中转运处理程序较少，因此由于破损造成的损失都被最小化，与任何进口HBI相比，这些都具有显著优势。在Cliffs，为了保持这个高金属化率，HBI在EAF工厂中以快进/快出的方式处理使用，所得HBI的金属化率接近95%。为了防止由于时效而进一步失去金属化，HBI被储存在厂房内。

废钢料篮装载

HBI通过电磁吊盘转载到EAF废钢料篮中。在处理电炉金属料加料时，主要目标是最大化电炉的生产率，最小化成本并满足钢铁化学成分的要求。虽然每个车间对电炉炉膛装料都有自己的限制和配方，但在电炉炉膛装料中使用HBI时，适用一些一般规则，如下所述：

HBI首先用于替代主要废钢，如剪切料和#1打包料，以最大化其价值。如果HBI成本较低或有其他显著的好处，电炉车间第二料篮加料也是可以使用HBI的。

为了保持相同的EAF出钢量，增加HBI加入量以补偿相对于废钢来说较低收得率。例如，大约需要1.1吨HBI来取代一吨含98-99%金属铁的废钢。

低残余元素的HBI的使用允许在炉料中增加“更脏”和更便宜的废钢。例如，Steelton熔炼车间在使用残余元素较低的HBI时，显著增加了1号钢轨重废钢的数量。

为了最大限度地减少熔炼过程中HBI在电弧炉中的结块，将炉料中的总HBI分成不同的料篮，并在放置料篮中时与废钢分割多层。例如，在Butler 和Mansfield的电弧炉里，HBI在料篮中被分成三层。每层HBI的最大重量为15,000磅。这样在料篮里配置HBI不会从料篮中泄漏出来。

随着炉料使用HBI取代废钢，造渣材料(石灰和白云石石灰)的添加增加，以保持相同的炉渣碱度。在一些钢厂电炉车间，会根据HBI中的碳来减少碳的加入量。

电炉中HBI的加热和熔化

由于其独特的化学和物理性质，HBI的熔化特性不同于废钢。将HBI连续加料到EAF中是首选的方式，因为它通过消除EAF炉盖旋转和加料带来的热量和时间的损失，显著降低了EAF对的能量需求。通过将HBI加料速率与电炉功率和化学能输入相匹配，当HBI/DRI连续进料时，也可以防止HBI结块冰山的形成。[4] HBI/DRI在炉渣/钢液中熔化是EAF中主要的熔化机制，对此进行了广泛的研究。在这种情况下，当HBI热压铁块第一次与熔池接触时，在热压铁块周围形成一层冻结的熔池金属外壳，因为它起到了散热器的作用，使周围的熔池冷却。[5] 随着热压铁块温度的升高，凝固在外面壳体金属重新熔化。如前所述，热压铁块中存有的碳和FeO开始反应形成CO气体。CO的析出增加了熔池搅拌混合的程度，增强了熔池向热压铁块的传热，从而提高了其熔化速度。

在Cliffs的EAF的熔池中，HBI是用料篮装入进EAF的。在这种情况下，HBI热压铁块可能不会直接与熔池钢水接触，这取决于它在料篮中的位置。相反，热压铁块的加热和熔化发生在熔池上方的电弧炉气氛中。Galvez等人[1,2]对HBI在CO₂气氛中预热进行了研究，发现HBI中的铁确实发生了氧化，但只是在外表面形成了一层薄薄的氧化层。在600℃以上的温度下，HBI热压铁块的氧化和碳对FeO的还原同时发生。

一般建议，当通过废钢料篮将HBI加入到电炉中时，EAF加料中使用的HBI百分比(HBI%)应小于25-30%。每个车间的实际HBI%限制将根据其电炉设计，废钢混合和产品类型等而有所不同的。一般来说，电炉车间将建立炉料制度，使炉料中HBI的含量低于HBI%的限制，以确保HBI的有效熔化。然而，已经进行了试验，通过超过HBI%的限制来最大限度地利用HBI。在这些情况下，观察到HBI热压铁块在炉内形成冰山。为了了解这种局限性，Cleveland-Cliffs研究与创新中心进行了实验，以更好地了解这些实地观察结果。

在本研究中，HBI试样分别在850℃、1100℃和1350℃的炉中保温10分钟、15分钟和20分钟，然后在容器中使用Ar冷却。在1350℃下保温20分钟观察到HBI热压铁块的结块团聚现象，并在热压铁块内部形成了孔洞(图1)。对这些试样的进一步分析表明，在加热过程中，热压铁块经历了液态铁相的形成，HBI内部DRI球团之间的边界消失，小孔隙团聚成大孔洞。发现新形成的液相比原始HBI基体含有更高的碳含量。这可能表明HBI在加热过程中发生了共晶相变，形成了高碳液相和低碳固相。或者，液相可能是由于Fe₃C分解成碳饱和铁而形成的，其熔化温度比大部分热压铁块低得多液相的形成允许孔隙的移动和聚集，从而在热压铁块中形成大孔。如果由于温度变化而发生凝固，新形成的铁液会将HBI块熔合在一起，导致在电炉熔炼过程中在熔池上方形成HBI团块。

图1 在1350°C下加热(a)10分钟、(b)15分钟和(c)20分钟的热压铁块(HBI)的截面

EAF运行操作结果

在Cliffs的EAF炉中使用了不同数量的HBI(炉料比例高达35%)。HBI的利用取决于许多因素，如HBI的可用性、HBI成本与废钢成本、炉料组合、产品组合等。HBI%保持在可能导致HBI在炉内团聚冰山的水平以下。由于每批HBI的化学性质一致，提高了电弧炉终点控制和钢的化学成分控制。炉内多余的碳不仅为总能耗提供了化学能，而且还促进了电炉渣的起泡。在某些电炉中，观察到炉渣起泡在通电早期发生，并维持了较长时间。另一方面，在料篮中使用HBI会对电炉功率使用和金属收得率产生一定的影响。由于HBI确实含有一些脉石，这将需要额外的能量来进行熔化，以及额外的炉料来保持渣的碱度。然而，使用HBI对电炉操作的影响是具体条件和电炉相关的。表3列出了Cleveland- Cliffs的电炉及其技术数据。

表3 Cleveland-Cliffs电弧炉(EAF)炉数据

作为典型的超高功率电炉，Butler 5号电炉将在下面以HBI的使用对电炉参数(如功耗，通电时间和金属收得率)的影响为例进行介绍。

电能消耗

如图2所示，对于A钢种(碳钢冶炼)和B钢种(不锈钢冶炼)，电耗随炉料中的HBI%的增加而增加。当HBI%低于~25%时，相关关系接近线性，但当HBI%高于25%时，电耗增长加快。这可以部分解释为在25% HBI以上形成的HBI结块，导致熔化延迟和耗电量增加。为了尽量减少影响，在Butler熔炼车间，炉料中的HBI%通常保持在25%以下。

The impact of HBI% in furnace charge on the EAF power consumption: Grade A (a) and Grade B (b)

图2 炉料中HBI%对电炉电耗的影响：(a)A钢种，(b)B钢种

通电时间

电炉通电时间由总用电量和平均输入电量决定。HBI的使用对平均电力输入率没有显著影响。因此，由于电力需求的增加，炉料中HBI%的增加导致电炉通电时间的增加，其趋势与图2中A钢种和B钢种的趋势相似。

电炉金属收得率

如图4所示，在A钢种B钢种炉料中，随着HBI%的增加，EAF炉金属化率下降。EAF炉金属收得率下降的原因是HBI的金属化率低于废钢，而炉渣带走的金属铁损失的增加与上述渣量的增加有关。

图3 炉料中HBI%对电炉通电时间的影响：(a)A钢种，(b)B钢种

图4 炉料中HBI%对电炉金属收得率的影响：(a)A钢种，(b)B钢种

在EAF中使用HBI的好处

尽管在EAF操作中使用HBI可能会对电功率使用、通电时间和金属收得率产生一些负面影响，但也取得了显着的效益，总结如下:

成本效益：

从Toledo工厂接收的HBI是一种内部来源的材料，其成本明显低于生铁，优质废钢，甚至经常低于次级废钢。HBI的使用还允许车间在加料组合中使用更高比例的低成本“脏”的废钢，这进一步提高了成本效益。由于HBI中所含碳的回收率(>90%)远高于炉料碳(40-60%)，一些电炉车间还从减少喷碳的使用中获得了成本效益。

化学成分控制的收益：

HBI的使用不仅通过稀释降低了钢中铜、硫、锰、镍、锡和钼等残余元素的含量，而且使钢的化学成分和预测更加一致，从而改善了钢的化学成分的控制。HBI还有助于降低因稀释而从电炉中放出的钢中的氮含量，并改善了泡沫渣的形成。

高密度优势：

HBI的体积密度大约是典型废钢的两倍。HBI热压铁块可以装进废钢之间的空间，进一步增加废钢料篮内的整体有效容积。更高的密度可以减少料篮加入电炉的次数，允许更多地使用低成本的低密度原料，并减少存储空间需求。例如，Mansfield #8 EAF车间将一炉钢加入料篮的数量从3次减少到2次。因此，每炉的冶炼的时间平均减少了15分钟，从而提高了8号电炉EAF的生产率。

进一步提升HBI价值的机会：

除了在Cliffs的EAF电炉熔炼已经实现的好处之外，我们还在努力进一步提高HBI在EAF运行中的价值。降低炉渣中FeO含量以提高炉体金属产量就是一个很好的例子。在Butler熔炼车间，正在调整电炉吹氧喷碳工艺，以降低冶炼特定钢种时候炉渣中的FeO含量。对于这些等级的钢种，Mn控制是需要高O含量 ppm(因此高FeO含量)的主要原因。由于HBI中的Mn含量低，在炉中使用HBI降低了钢中的Mn含量，从而在不影响Mn控制的情况下降低了炉渣中的FeO含量。

HBI在Cliffs 的AOD作业中使用

由于HBI的成本低于AOD使用冷却剂的成本，因此开始努力在这种情况下使用HBI。在进行工厂试验之前，Cliffs的研究和创新中心进行了几项实验，以基本了解添加HBI对AOD熔池的影响。直接关注的是HBI中预期的碳和氧含量，这将直接影响还原步骤的效果。如果实际的碳和/或氧水平与预期的水平不同，则产生的还原渣可能是过还原或欠还原的。以下是这些试验的概述。

HBI化学成分分析

这些实验室实验中使用的材料直接从北美某国俄亥俄州Toledo的Cliffs HBI工厂获得。前两次试验采用HBI热压铁块。对该特定批次热压铁块进行化学分析表明，碳含量为2.03%，全铁含量为91.95%，金属铁含量为89.15%。由于假设氧化铁的百分比为2.8%(= 91.95 - 89.15)，并且所有的氧化铁都以FeO的形式存在，因此计算出型煤中FeO的百分比为3.6% (= 2.8 x 71.85 / 55.85)。在实验室实验中使用之前，所有热压铁块在约90°C的低温烘箱中干燥至少24小时。

在第3、第4和第5次实验室实验中，使用HBI细粉而不是压块。HBI粉的直径为1/4英寸或更小，是制造热压铁块的副产品，对所获得的这批细粒也进行了化学分析，碳含量为1.71%，全铁和金属铁含量分别为80.9%和51.8%。湿化学法测定的细粉中Fe²⁺的含量为10.75%。这导致假设Fe³⁺含量为18.35%(= 80.9-51.8-10.75)。利用这些值，计算出FeO和Fe₂O₃的百分比分别为14.0%和26.7%。根据这些氧化铁的含量，计算出细粉中的元素氧含量为11.14%。从化学计量学来看，由于含有过量的氧，预计从这些颗粒中回收的碳将为零。与热压铁块一样，在实验室试验中使用之前，颗粒在约90°C的低温烘箱中干燥至少24小时。

实验室试验程序

所有实验室实验均为50磅的重量，气体感应炉。实验过程中，在坩埚上覆盖一层耐火纤维布，在其下引入低流量氩气吹扫。一种特定成分的基料最初在炉中熔化。然后从初始基料中提取约150克的样品，用于稍后进行的化学分析。在整个过程中，调整线圈的功率以保持约3,000°F的熔池温度。一旦获得第一个样品，预先确定数量的HBI材料将添加到坩埚中。在此添加后，在大约一分钟的等待时间后，将取另一个熔池试样样品。所有后续的HBI添加都要重复此过程。从坩埚中取出最后一个试样样品后，将金属液体倒入铸铁模具中。由于要进行完全的质量平衡，所以所有添加材料、样品和得到的铸锭都要仔细称重。所得到的铸锭试样样品也被提交进行化学分析。化学分析采用光学发射显微镜(OES)和LECO进行。

实验室实验1

第一次实验的目的是量化HBI铁块在镇静熔池中的碳回收率。从化学计量学可以确定，HBI中1%的碳可以减少HBI中约6%的FeO。根据手头的HBI批次的化学性质，可以估计添加HBI后的碳回收率约为70.4%。

在这个实验中，熔化了8公斤的铁和2.4%的硅。然后向熔池中分别添加两次HBI铁块(每次4公斤)。根据对所得数据进行的质量平衡，确定这些添加物的碳回收率分别为74.4%和76.6%，符合预期结果。在这个实验中没有硅从熔池中流失。实验结果证实了以下预期：(1)所含的碳会使压块中的氧化铁还原，(2)这种还原反应在加入熔池后立即发生，(3)多余的碳会溶解在熔池中。

实验室实验2

第二次实验的目的是量化在AOD精炼的后期阶段向不锈钢中添加HBI热压铁块的影响。熔化了初始8千克含10% Cr和0.15% C的铁。随后两次向熔池中添加4公斤HBI热压铁块。每添加4公斤后取一个化学试样。通过对这些试样的分析，干燥HBI的碳回收率为65%，略低于之前的实验。这些结果表明，由于潜在的碳吸附，在吹气后期使用含有过量碳含量(%Cx6 > %FeO)的HBI热压铁块作为AOD的冷却剂可能是不切实际的。

实验室实验3

所有后续实验均采用HBI细粉粒，第三次试验的主要目的是用质量天平来验证细粉的氧含量。在本实验中，在感应炉中熔化了13 kg的初始铁，硅含量为2.19%。然后将3公斤HBI细粉分别添加到熔池中。每次添加HBI细粒后取样。根据试样分析，细粉粒的碳回收率为27.7%，高于预期的0%。非零回收率的原因是，最初的280克硅中有183克硅还原了细粉中的氧化物，这一结果与第一次实验室实验中硅没有减少氧化物的结果不同。从这些结果中可以明显看出，细粉粒表面积的增加使熔池中的硅参与这些还原反应的程度大于HBI中的碳。对实验结果进行了质量平衡分析，证实了细粉粒的铁含量约为81%，铁单位回收率为95%，平衡报告给炉渣的Fe₂O₃。该分析还表明，本实验中使用的细粉粒含氧量约为11%，这与化学分析一致。

实验室实验4

在第四次实验中，将HBI细粉粒添加到初始15千克含0.4% C、0.2% Cr和0.35% Si的铁中。本实验的主要目的是确定在典型AOD开始化学的硅钢熔池中加入HBI细粉的效果。在熔池中加入五种HBI细粉粒，每种500 g，每次加入后从熔池中取样品。虽然细粉粒的含碳量为1.75%，但由于细粉粒中含有过量的氧化铁，因此细粉粒的碳回收率为零。根据碳、铬、硅的损失，计算出本次实验细粉粒含氧量至少为7%，低于之前的实验。根据这些元素的损失，计算出每种元素对氧化铁的还原程度。图5显示，最初HBI颗粒中75%的氧化物被硅还原。当硅从熔池中去除时，溶解的碳就成为还原氧化物的主要元素。从质量平衡分析中，100%的铁从HBI细粉粒中回收。

图5 在实验室实验中，每次添加后，每种元素消耗的HBI细粉粒中氧的百分比

实验室实验5

最后一个实验室实验的主要目的是确定在AOD处理开始时，将HBI细粉粒加入15公斤的化学成分为典型的409钢种的熔池液中的效果：1.0% C, 10.0% Cr和0.10% Si。在熔池中加入5次HBI细粉粒，每次500 g，每次加入后取试样。根据对结果的质量平衡分析，从细粉粒中回收的碳总量再次确定为零。根据碳、铬和硅的总体损失，可以计算出这些细粉粒颗粒中含有至少11%的氧，这与最初对这些细粉粒颗粒进行化学分析得出的结果相似。根据每次添加后的元素损失，计算出每种元素对氧化铁的还原程度。从图6可以看出，第一次加入后，硅和铬都在还原氧化铁，导致碳含量略有增加。随后添加的还原剂以铬和碳为主。由于最终的小钢锭比预期的要重得多，因此在本实验中很难准确地确定从HBI细粉粒中回收铁元素。

图6 在实验室试验中，每次添加后，每种元素消耗的HBI细粉粒中氧的百分比

实验室实验结论

以下结论是根据实验室实验的结果得出的。首先，压块中的碳对FeO的还原似乎是在浸入熔池后立即发生的。如果压块含有过量的碳(%C × 6 > %FeO)，则该碳将溶解到熔池中。这一观察结果排除了在AOD工艺的后期吹塑阶段使用HBI压块。由于HBI细粉粒含有过量的氧，因此预期的HBI细粉粒的碳回收率为零。如果熔池中存在足够数量的还原剂，预计这些元素(即Si, Cr, C)将还原细粉粒中的氧化铁。否则，报告显示氧化铁将在炉渣中。

Butler钢厂试验

Butler钢厂的工业试验主要集中于在AOD中使用HBI细粉粒，而不是压块。细粉粒优于压块的两个原因是：(1)成本较低；(2)细粉粒在AOD添加设备体系中的流动性高。

在AOD工艺中添加HBI细粉粒的初步试验进行了两炉钢。这些试验的目的是为这种材料建立一个冷却系数，并通过质量平衡来确定工厂使用的细粉粒的过量氧含量。最初用于细粉粒的化学成分是基于在Butler收到的几个HBI批次的平均值。在这些试验中，在给AOD加料后，从熔池中取出试样并测量温度。紧接着，又增加了大约4000磅的细粉粒量，然后在添加后进行额外的取样和温度测量，试验结果见表4。根据这些试验中碳和硅的损失，计算出细粉粒的有效氧含量接近10%，这与实验室试验中使用的颗粒的分析结果接近。结果还表明，碳粉的碳回收率为零(正如预期的那样)，并且如此中的硅与碳粉中约90%的氧化物发生反应，碳与另外10%的氧化物发生反应。

表4 Butler 钢厂AOD熔池添加HBI细粉粒的效果

在确定了冷却系数和氧含量之后，将HBI细粉粒的性能输入到AOD模型的材料表中，并对细粉粒中的氧和脉石进行适当的代码修改。进行第二组试验，在AOD精炼过程中固定增加了4000磅的细粉粒HBI。在吹炼循环处理的四分之三阶段处取样并测量温度，然后将这些结果与实时AOD模型计算结果进行比较，以验证模型中的HBI细粉粒的特性。结果如表5所示。由于表5中显示的差异很小，因此假设AOD模型(确定每炉钢的工艺步骤)适当地考虑了HBI细粉粒添加的影响。

表5 Butler 钢厂AOD熔池添加HBI细粉粒后计算温度与实际温度及热化学的差异

在确定工艺步骤时，利用HBI细粉粒的下一步是让AOD模型计算作为冷却剂所需的细粉粒量，而不是使用固定的添加量。一开始，最大限制是5000磅。规定了每炉的添加的细粉粒量。随着更多的炉次被处理，使用这种材料作为冷却剂的信心增加了，因为熔池的条件符合模型预测。在所有的试热中，观察到铁元素从细粉粒中回收率为100%。目前，HBI细粉粒的使用上限为10,000磅/炉。输入到AOD模型中的细粉粒的化学性质列在表6中。

表6 用于Butler钢厂AOD模型的HBI细粉粒的化学性质(wt. %)

Mansfield钢厂试验

在进行任何工厂试验之前，首先确定AOD熔池看到的HBI热压铁块的组成。从Mansfield钢厂收到的20个HBI批次的平均值来看，FeO的平均含量为5.2%。由于假定所含的碳在浸入AOD熔池中时会立即减少FeO，因此碳含量被减少了适当的化学计量量。然后将产生的化学反应归一化为表7所示的值。

表7 Mansfield钢厂添加AOD的HBI热压铁块化学初步调整(wt. %)

由于观察到热压铁块在制造后会进一步氧化，因此最初试验的目标是通过质量平衡来量化HBI热压铁块中额外的氧含量并确定冷却系数。在这些试验中，在给409钢种的一炉钢加入HBI后，立即取样并进行温度测量。一旦将HBI热压铁块添加到熔池中，马上采集另一个试样并进行另一次温度测量。用简单的质量平衡法测定了加入HBI后碳、硅和铬的损失。根据这些结果，如表8所示，计算出HBI中的过量氧含量和冷却系数分别为2.74%和-2.35°F-lb/吨。

表8 Mansfield 钢厂AOD熔池初始添加HBI的结果

由于假定HBI中的碳和氧会迅速反应，因此再次调整了金属成分的组成，以解释过量的氧。由于1%的碳会与1.33%的含氧(按重量计)发生反应，因此经归一化计算，HBI化学由0%的碳、0.89%的氧和90.3%的铁组成。其他成分与表7“归一化”行中列出的相同。

然后将HBI热压铁块的这些数据与适当的代码修改一起安装在AOD模型中，以考虑HBI热压铁块中所含的氧和脉石。最初的试验最大增加了5000磅/炉。在这些试验冶炼中，与没有HBI处理的炉号相比，在还原步骤后，没有观察到在熔池化学和穿透钢水测试温度或在渣化学成分中有明显的变化。考虑到对几个炉号的观察，AOD模型在确定每炉钢的加工步骤时正确地考虑了HBI热压铁块，这是高度可信的。在所有试验中，观察到铁元素的回收率为100%。随着对AOD中HBI利用率的信心增加，AOD中HBI的上限已逐步提高到目前的20,000磅限制/炉。

在AOD中使用HBI的好处

在AOD中使用HBI作为冷却剂的好处与在EAF中使用这种材料的好处相似。如前所述，HBI的成本明显低于冷却剂废料的成本。此外，使用HBI可以提供较低水平的残余元素，如铜、镍等。最后，HBI中多余的氧气将与熔池中的元素发生反应，因此所需的氧气计数量可能会减少，从而可能缩短所需的吹炼时间。

结论

Cleveland-Cliffs直接还原铁厂生产的HBI成功地用于Cliffs电弧炉冶炼车间，作为一种高质量的金属替代材料，取代电弧炉炉中的生铁/废钢和AOD工艺中的铁冷却剂。Cliffs钢厂电炉靠近Toledo的直接还原铁生产地，与进口HBI相比，具有显著的优势，减少了HBI时效造成的金属化率的损失，减少了HBI处理造成的材料损失。

为了适应在炉料中使用HBI，对EAF的工艺方法进行了修改。增加炉料重量以保持相同的出钢重量。通过增加石灰和白云石的添加量来保持渣的碱度不变。在料篮中将大量的HBI分成多层和废钢分别来摆放，以减少熔炼过程中HBI的结块。在一些车间中，由于HBI中有过量的碳，所以喷碳量减少。吹氧和喷碳量也可能需要调整，以适应使用HBI引起的碳和氧平衡的变化。

使用HBI在EAF作业中取得了显著的效益。其中包括更换生铁/废钢/铁冷却剂带来的成本效益，由于其残余元素低而改善了钢的化学成分的控制，以及由于HBI的高密度而减少了料篮加料次数，从而提高了生产率。

在AOD过程中，HBI的特性被仔细确定为冷却剂。在AOD模型中考虑了适当的化学成分影响和冷却因素，以便模型在确定每炉钢处理步骤时适当地考虑这些材料。随着金属和炉渣条件的实际预测与模型预测之间的普遍一致，随着每组试验后其使用限制量的逐步提高，对使用这种HBI材料没有任何不利影响的信心也在增加。

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作者

Jianghua Li (top left), Senior Research Engineer — Primary Process Research, Cleveland-Cliffs Research and Innovation Center, Middletown, Ohio, USA jianghua.

Mark Suer (top right), Principal Process Research Engineer, Cleveland-Cliffs Inc., Middletown, Ohio, USA mark.

Jeff Haeberle, Technology Manager, Steelmaking, Cleveland-Cliffs Mansfield Works, Mansfield, Ohio, USA jeff.

Ryan Bowser (bottom left), Technology Manager, Steelmaking, Cleveland-Cliffs Butler Works, Butler, Pa., USA

Jason Fehr, Section Manager Operations, Steel Producing, Cleveland-Cliffs Steelton Works, Steelton, Pa., USA jason.

Brian Dehaut, Area Manager Operations, Cleveland-Cliffs Coatesville Works, Coatesville, Pa., USA brian.

Misty Erford (bottom right), Shift Manager Laboratory, Cleveland-Cliffs Toledo DR Plant, Toledo, Ohio, USA

唐杰民2023年12月底在安徽黄山屯溪翻译自某国《钢铁技术》2024年元月期刊，水平有限，翻译不准指出请各位看官给与指正。