本公开内容涉及用于在电弧炉中由低碳直接还原铁生产铁水或其合金的方法。更具体地，本公开内容涉及如独立权利要求的前序部分所限定的用于在电弧炉中由低碳直接还原铁生产铁水或其合金的方法。
背景技术：
1、钢是世界上最重要的工程材料和建筑材料。在现代世界中，难以找到不包含钢或者其制造和/或运输不依赖于钢的任何物体。以这种方式中，钢错综复杂地涉及我们现代生活的几乎每个方面。粗钢的总全球生产量为每年约19亿吨，远远超过任何其他金属，并且预计在2050年达到28亿吨，其中50%预计源自原生铁源。
2、尽管炼钢工艺经过数十年的改进，并且正在接近理论最低能耗，但仍然存在一个尚未解决的基本问题。使用含碳还原剂对铁矿石进行还原会导致产生作为副产物的co2。在2018年对于生产的每吨钢，产生平均1.83吨的co2。钢行业是最高co2排放的行业之一，占全球co2排放的约7%。只要使用含碳还原剂，钢生产过程中就不可能避免产生过多co2。
3、为了解决该问题设立了hybrit倡议。hybrit（氢突破性炼铁技术（hydrogenbreakthrough ironmaking technology）的缩写）是部分由瑞典能源署（swedish energyagency）资助的ssab、lkab和vattenfall的合资项目，并且旨在减少co2排放并使钢行业脱碳。hybrit概念的核心是基于竖炉的直接还原，以由原生矿石生产海绵铁。在直接还原中，矿石在低于铁的熔点的温度下在固态还原过程中进行还原。基于竖炉的直接还原过程利用球团状铁矿石作为原料，并生产称为海绵铁或直接还原铁（direct reduced iron，dri）的多孔粗铁产品。代替如在目前的商业直接还原工艺中使用含碳还原气体（例如天然气），hybrit提出了使用氢气作为还原剂，其被称为氢直接还原（hydrogen direct reduction，h-dr）。可以通过主要使用无化石和/或可再生一次能源电解水来生产氢气。因此，可以在不需要化石燃料作为输入物的情况下实现将铁矿石还原的关键步骤，其中水为副产物而不是co2。
4、通常随后在电弧炉中对通过直接还原而生产的海绵铁进行加工，以使在任何另外的二次冶金加工之前熔化和精炼粗铁。然而，通过氢直接还原而生产的dri（h2-dri）相比于传统的dri具有不同的特性，主要是由于其没有并入碳。这意味着对传统的dri进行加工而建立的方法不一定适用于h2-dri的加工。因此，仍然需要开发直接还原阶段下游的炼钢工艺，以适用于对基本上无碳的dri（例如通过氢直接还原而获得的dri）进行加工。
技术实现思路
1、自2020年以来hybrit倡议一直在运行试点直接还原竖炉，在试点直接还原竖炉中可以使用基于氢的方法以半工业和商业相关规模生产dri。基于随后在电弧炉中对这样的h2-dri进行加工的经验，本发明的发明人确定了关于加工dri的常规手段的以下考虑。
2、使用传统的基于化石的含碳还原剂生产的海绵铁由于在铁矿石的还原期间由含碳还原气体并入碳而通常包含大量的分散碳（通常高达5重量%）。分散碳主要呈渗碳体（fe3c）的形式，由分散在整个海绵铁中的石墨组成的部分较少。铁-渗碳体体系的共晶（熔化）温度为1147℃（低于纯铁的熔点1536℃），并且渗碳体在熔体浴中放热解离。这有助于海绵铁的熔化，并由于“碳沸腾”而引起产生有益的泡沫渣，其中来自dri的碳（通常还有另外的碳）与氧气反应而产生一氧化碳（co）。泡沫渣用于隔离熔体金属浴，使得能量效率改善，eaf电极消耗减少，以及在熔体中并入不期望的氮的风险降低。然而，由于存在过多的碳，这样的常规方法通常需要在熔化之后且在出铁之前在eaf中进行精炼阶段，由此向浴中提供氧气直至碳达到可接受的水平。
3、通过氢直接还原而生产的海绵铁（h2-dri）缺乏碳，并因此更难以在eaf中熔化。在装料dri的局部速率超过炉的熔化能力的情况下，可能造成dri的未熔化堆（“铁山（ferroberg）”）的堆积，并且这样的铁山可能需要延长的时间和电力消耗来熔化和分散。这降低了过程效率。此外，缺乏碳也意味着在没有提供外源碳的情况下将不会获得碳沸腾，并因此将不会获得泡沫渣。
4、除了用于使dri熔炼之外，电弧炉在可用时也用于加工废金属。废金属也可能具有低的碳含量，可能导致关于熔化和碳沸腾的问题。然而，在使废金属熔化时，eaf通常在浴中具有过大量碳的情况下运行。这改善了缺乏碳沸腾的问题，但以在熔化后且在出铁之前需要进行大量精炼以驱除过多的碳为代价。此外，废金属通常在关闭eaf炉顶并开始整个批次的熔化之前作为单个批次装载至炉中。
5、实现克服或者至少减轻上述缺点中的至少一些的方法将是有利的。特别地，使得用于加工低碳dri的基于eaf的方法有效并且减轻通常与加工低碳dri相关的铁山形成和差的熔渣发泡的缺点将是期望的。为了更好地解决这些问题中的一者或更多者，提供了具有独立权利要求中所限定的特征的方法。
6、该方法用于在电弧炉（electric arc furnace，eaf）中由低碳直接还原铁（dri）生产铁水或其合金。dri包含少于0.1重量%的碳。
7、该方法包括组合的装料和熔炼阶段，其包括将dri连续地装料至eaf中的熔体金属浴中并同时使eaf运行以连续地使dri熔炼。在装料和熔炼阶段期间，将dri、电力、碳、氧气和任选地一种或更多种造渣剂作为输入物提供至eaf；以及确定浴温度、熔渣组成和排出气体组成。在装料和熔炼阶段期间，调整dri进料速率、施加功率、碳进料速率、氧气进料速率和造渣剂进料速率，以将该方法保持在以下运行窗口内：
8、- 浴温度为约1580℃至约1750℃；
9、- 熔渣中的feo为约25重量%至约40重量%；
10、- 熔渣的b2碱度为约1.5至约3.5，其中b2碱度计算为（重量% cao）/（重量%sio2）；
11、- 熔渣中的mgo为约8重量%至约13重量%；以及
12、- 排出气体中的一氧化碳（co）>26 nm3/小时/m2。
13、通过将方法保持在特定运行窗口内，获得了低碳/无碳dri的有效熔化。也就是说，将该方法保持在特定运行窗口内提供了避免形成铁山、提供充分的泡沫渣并且避免不必要地大量添加其他输入物（例如碳、造渣剂和氧气）的熔化过程。这最终提供了高度时间有效、材料有效且能量有效的方法。
14、本发明的其他目的、优点和新的特征从以下详细描述中将对本领域技术人员变得明显。
1.一种用于在电弧炉（eaf）中由低碳直接还原铁（dri）生产铁水或其合金的方法，其中
2.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述装料和熔炼阶段期间，将所述熔体金属浴的碳含量保持在小于0.7重量%。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述装料和熔炼阶段期间施加的功率为最大额定功率的大于90%，以及其中如果确定的浴温度下降到低于1580℃，则降低所述dri进料速率。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述dri的平均金属化率大于或等于95%。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述dri为dri球团或hbi。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中提供至所述方法的所述碳为生物碳。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过将所述碳装料至所述eaf中高于所述熔体金属浴的高度来提供所述碳。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过将粉末状碳注入到所述熔体金属浴中来提供所述碳。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述装料和熔炼阶段期间，将所述排出气体中的一氧化碳保持在大于35 nm3/小时/m2，例如大于43 nm3/小时/m2。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述装料和熔炼阶段期间，将所述排出气体中的一氧化碳保持在小于120 nm3/小时/m2，例如小于90 nm3/小时/m2。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述装料和熔炼阶段期间，向所述eaf提供一种或更多种造渣剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述一种或更多种造渣剂选自cao、sio2、煅烧白云石及其组合。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述装料和熔炼阶段期间，将所述熔体金属浴保持在低于1650℃的温度。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法不包括精炼阶段。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中恰好在所述装料和熔炼阶段完成之后，开始出铁阶段，其中所述出铁阶段包括：