日本制铁炼钢技术的发展变化

　　为应对诸如全球竞争、钢材产品需求的变化和高等级钢材稳定生产的要求，日本制铁公司不断推进炼钢技术的发展。本文就日本制铁炼钢生产技术的开发状况和操作技术的改善状况进行概述，并就未来炼钢技术的发展趋势进行介绍。

　　近年来，世界钢铁业的经营环境发生了很大的变化，中国的钢产量逐年增加，已超过了9亿吨，印度2018年钢产量也超过了1亿吨。2018年日本钢产量位居世界第二位，在与世界新兴国的竞争中，日本已充分认识到降低生产成本的重要性。另外，为应对用户对钢材性能要求的不断提高，如汽车行业受环保标准的限制，要求车身轻量化，因此，对高强度钢材的需求越来越高，即使在厚板领域，随着结构件的大型化、复杂化及使用环境的日益苛刻，对高强度钢板和钢板的低温韧性及超厚钢板的要求也越来越高。

　　在这种不断变化的经营环境下，2012年原新日铁和原住友金属工业进行合并，成立了新日铁住金公司(2019年更名为“日本制铁”)。合并后的日本制铁通过各厂的炼钢研究小组的横向联合协作研究，不断推进技术的开发。

　　1精炼技术的发展变化

　　随着产品日益向高端化发展，伴随着原料劣质化导致的铁水中杂质元素会相应增加，增大了精炼工序的精炼负荷，因此，日本制铁近年来积极推进一种既能抑制钢渣的发生量，又能高效、稳定且低成本生产高级钢技术的研发。

　　1.1精炼工艺面临的课题

　　近年来，精炼工艺的开发方向着重在以下四个方面：

　　1)对铁水预处理工艺的重新认识，通过将铁水的脱硅、脱硫、脱磷和脱碳这4个工序彻底分开，提高铁水预处理工序的处理效率，降低辅助原料的成本，减少钢渣排出量;

　　2)在提高主要原料使用柔性的同时，提高热浴温度，将铁水预处理比率维持在高位;

　　3)作为高等级钢种稳定供给的要求，近年来对高强度化、高加工性和高韧性化的要求越来越高;

　　4)在保持较快生产节奏的同时，积极推进有助于减少二氧化碳排放的节能和防止粉尘从厂房排出等环保技术的研发工作。在脱磷工序方面，将铁水脱磷预处理归并到转炉上进行;在二次精炼方面，根据各钢种的要求，开发了确保脱气能力、减少杂质和非金属夹杂物(下称“夹杂物”)的二次精炼工艺。

　　1.2精炼功能分离技术的进步

　　1.2.1概况

　　日本制铁在20世纪80年代前就确立了以混铁炉式铁水罐车(下称“TPC”)、铁水包和转炉作为精炼容器，在脱碳处理前就对铁水进行脱硅、脱硫和脱磷预处理的分开精炼工艺。其后，积极推进分离铁水脱硫工序、分离铁水脱磷和脱碳工序及使用转炉作为反应容器不使用氟的脱磷工艺的开发，并就提高各工序的反应效率、渣的循环利用、高硅铁水的脱硅和提高转炉脱磷能力等课题进行了研究。

　　1.2.2铁水脱硫工序

　　脱硫是还原反应。由于在脱磷处理时的氧化气氛下的脱硫效率低，因此，从提高精炼效率的观点来看，将脱硫工序和作为氧化精炼的铁水脱磷工序进行分开。

　　作为脱硫方法，有喷吹脱硫能力高的CaO-Mg系粉剂喷吹法和精炼效率高的机械搅拌式KR(Kanbara Reactor)法。

　　目前，日本制铁的各炼钢车间是根据自身的设备状况，从两种铁水脱硫方法中选择一种。另外，由于添加Al能有效促进铁水的脱硫反应，因此，在使用喷吹法时，有的是采用比添加Mg更廉价的CaO-Al系粉剂进行脱硫，还有的是根据S含量要求的不同，灵活运用脱硫方法。分开脱硫工序的结果就是，可以在出铁后立刻在高温条件下，在铁水包内进行脱硫，提高脱硫效率。另外，分开回收后的脱硫渣，可以再利用于烧结工序。

　　1.2.3铁水脱磷和脱碳工序的分开

　　采用以TPC和铁水包作为反应容器，进行铁水预处理的传统方法，可以稳定生产低磷、低硫钢种，但会消耗转炉脱碳工序的热浴温度，降低废钢的使用量。

　　由于转炉的空余空间大，在强搅拌下，采用气体氧可以进行高速脱磷精炼，同时，由于转炉熔化废钢的能力较大，因此，日本制铁各厂根据自身现有转炉的实际情况，开发了使用转炉的脱磷处理方法。

　　一种是名古屋制铁所炼钢车间在1989年采用的转炉预处理法——LD-ORP(LDOpt imized Ref ining Process)。该方法先将铁水装入脱磷处理用转炉，利用转炉的大空闲空间，使用氧气进行脱硅和脱磷精炼后可减少钢渣，然后将钢水装入另一个脱碳用转炉进行脱碳精炼。虽然铁水经过不同的反应容器进行精炼，但可以减少CaO，提高钢水的合格率，使转炉能进行稳定高速的精炼处理。该方法除了应用于名古屋制铁所外，还应用于君津制铁所、八幡制铁所和室兰制铁所超低磷钢的精炼，其精炼工艺流程如图1所示。

　　另一种是开发了使用1座转炉，通过中间排渣连续进行脱磷和脱碳吹炼的转炉双联法(MURC法)。该方法利用转炉具有的强搅拌和快速吹氧功能，在高氧位势下，利用低碱度进行有效地脱磷，同时，将脱碳渣留在炉内，直接用于下一炉铁水的脱磷精炼。因此，可以最大限度地减小热损失进行热对流的精炼，还可大幅度减少渣量。

　　但是，由于在同一转炉连续进行脱磷处理和脱碳处理，会延长处理时间，要想应用于批量生产，就必须缩短MURC处理时间。目前，已将一次循环处理时间缩短至35-37min。另外，该方法在普通钢(除超低磷钢外)精炼时具有非常高的精炼效率，可减少CaO、减少钢渣、提高热浴温度。室兰制铁所开发的这一方法目前已广泛应用于大分制铁所、君津制铁所和八幡制铁所等。尤其是在原新日铁和原住友金属工业公司合并后，就决定将MURC也应用于鹿岛制铁所第二炼钢车间，目前正在使用中。

　　另外，虽然鹿岛制铁所第一炼钢车间、和歌山制铁所和八幡制铁所小仓厂采用的SRP(Simpl e Ref ining Process) 法的工艺流程与LD-ORP相同，但其特征是采用配有高压吹气设备的SA(Singl e Annul ar)吹氧口，可在底吹搅拌能力非常强的条件下，进行高效脱磷。

　　进入2000年代后，基于土壤环境标准要求，对氟的使用提出了严格的要求，因此，积极推进不使用氟的脱磷工艺开发。在TPC和铁水包等以往的反应容器中，由于受到容器容量的制约，为达到低渣量、高碱度的要求，因此铁水脱磷处理离不开对氟的依赖，在不使用氟的情况下，脱磷效率明显下降。由于转炉具有容积大的特点，因此，能在高渣量、低碱度中熔化渣的条件下，不使用氟进行脱磷。这种转炉铁水脱磷处理技术目前正在不断被采用。

　　自20世纪90年代以来，利用转炉进行预处理的技术取得了飞速发展，利用转炉的LD-ORP法、SRP法和MURC法已成为预处理的主流方法，取代了使用TPC和铁水包进行铁水脱磷处理的方法。

　　新日铁住金成立后的铁水预处理比例由于受到鹿岛制铁所第二炼钢车间未实施铁水预处理的影响，因此，整个新日铁住金的铁水预处理比例只达80%左右，但随着鹿岛制铁所第二炼钢车间全部采用MURC后，铁水预处理比例达到了95%。未来为实现整个新日铁住金公司100%铁水预处理的目标，必须要提高转炉脱磷处理效率和脱磷反应效率，以实现精炼效率的进一步提高。

　　1.2.4铁水脱硅工序

　　高炉铁水硅含量的升高，会导致炼钢增加CaO的使用量和钢渣的排出量，对环境影响很大。采用TPC和铁水包脱磷时，由于受到容器容量的限制，因此必须减少渣量，并通过预脱硅处理，使硅含量降至最低。在去除脱硅渣后，使用氟进行脱磷精炼。在采用转炉进行铁水脱磷时，利用转炉内容积大的优点，可在碱度和熔点比较低的条件下，进行无氟脱硅和脱磷吹炼。由于采用转炉铁水脱磷处理，无需将铁水Si降至最低，存在着脱磷所需的最佳Si值，因此，在铁水Si超过该Si值时，要进行预脱硅处理。

　　近年来，随着高炉铁水硅含量的增加，出现了转炉脱硅能力不足的状况，为减少钢渣的排出量，提高钢水合格率，铁水预脱硅技术正在扩大应用中，如图2所示。2018年在名古屋制铁所建了TPC脱硅设备，大分制铁所的TCP脱硅设备预计在2020年建成。

　　如上所述，将精炼反应的4个工序——脱硅、脱硫、脱磷和脱碳分开，可以提高4个工序的反应效率。同时，通过对反应产生的渣进行分别回收和再利用，可以进一步降低成本，减少钢渣的排出量。各厂在充分利用现有设备所具有的优势的同时，实施4个精炼工序的分开作业。

　　1.2.5推进钢渣的再利用和减少钢渣的排出量

　　脱碳工序产生的脱碳渣的碱度比较高，但由于它是转炉终吹条件下的渣，因此磷含量低。通过在低温铁水脱磷工序中对脱碳渣进行再利用，可以减少脱磷工序中CaO的使用量，有助于降低成本。因此，将脱碳渣分别回收再利用于脱磷工序。MURC就是使脱碳渣在转炉内固化后，直接用于下一炉钢水的脱磷，实现钢渣的热态循环利用。尤其是，在脱碳渣剩余的情况下，还可以用于烧结。脱碳渣循环利用的前提是铁水脱磷处理时，要将脱磷和脱碳工序分开。另外，高碱度渣循环利用于低碱度处理，可降低CaO使用量的想法也适用于TPC脱硅。在大分制铁所等厂已将脱碳渣循环利用于TPC脱硅。

　　因此，随着日本制铁铁水脱磷处理比例的扩大和伴随铁水脱磷处理的脱碳渣的再利用，通过调整铁水的脱硅工艺，进一步减少了渣的排出量。

　　1.2.6利用计算模型推进精炼反应解析

　　精炼反应工艺除了脱硫、脱磷和脱碳外，还要同时进行Si、Mn和Fe的氧化还原反应。为对该工艺进行解析或优化，以前就提出了反应计算模型。日本制铁还以耦合反应模型为基础，开发了综合反应解析模型(MACSIM)，应用于操作解析。另一方面，在脱磷反应时，由于渣中的固相和液相之间的磷分配会影响渣中氧化铁浓度，因此，日本钢铁协会研究会以耦合反应模型为基础，构建了多相流计算模型，对渣中的固相、液相和金属这三相的传质进行了计算。

　　目前的转炉脱磷操作是根据多相渣解析的结果，通过优化脱磷中期的渣中氧化铁浓度来提高脱磷效率。另外，日本制铁和IRSID公司共同推进了精炼反应到达点平衡状态计算用热力学模型的开发。该模型以细胞模型为基础，运用以往积累的众多热力学数据库，可进行普通热力学计算，为现场的研究发挥了重要的作用。尤其是，关于各工艺的传热和传质，已能进行更精确的计算。根据数值计算的模拟解析，目前已被广泛应用，它可用于现场操作和开发研究。对于后面所述的转炉吹炼时，吹氧用氧气流的解析、铁水装入转炉时的扬尘和含尘量的定量解析等，也能进行十分精确的计算。

　　而且，近年来通过对废气中的CO、CO2分析值的解析，可以求出脱碳反应速度，推定脱碳反应速度系数，由此开发了可提高计算精度的废气动态计算模型，提高了转炉终吹时钢水中碳含量的推定精度(如图3)。

　　2提高转炉生产率的技术

　　2.1背景

　　受到氟的使用标准限制，由于转炉铁水脱磷处理时的热浴温度比TPC和铁水包脱磷处理时的高，因此可以降低HMR(铁水比)，并使用废钢进行铁水脱磷处理。另一方面，采用转炉进行脱磷处理，会将转炉的生产时间一部分用于脱磷处理，尤其是采用MURC操作的转炉生产率会下降。由于2015年底君津制铁所3号高炉的停炉，君津制铁所第一炼钢车间的2号转炉也停炉了，生产中的转炉由2座变为1座，因此，提高转炉生产率就成为了重要的课题。

　　为解决这一课题，必须从根本上提高转炉生产能力。主要从以下三个方面着手解决。一是提高单炉出钢量;二是提高设备运转效率;三是缩短转炉吹炼循环时间。

　　2.2提高转炉生产能力

　　在提高单炉出钢量方面，在对转炉炉体进行大修的同时，扩大转炉容积;在对老化升降设备进行大修的同时，升级更新升降设备，由此对设备基础进行了维修，并定时实施钢包大型化改造。

　　在提高设备运转率方面，采用耐火材料喷补机等炉子修补设备和溅渣护炉设备，缩短了转炉的修补时间;采用出钢口快速修补装置，缩短了出钢口的更换时间;采用专用喷枪，缩短了转炉炉口粘渣的清除时间，由此缩短了转炉的非生产时间。

　　在缩短转炉吹炼循环时间方面，主要是通过提高脱碳吹炼时的吹氧速度，缩短吹炼时间。随着铁水预处理技术应用的扩大，近年来对缩短吹炼时间的要求也越来越高，因此吹氧枪的设计、吹氧速度和吹炼图形的改善变得越来越重要。

　　尤其是，如果提高吹氧速度，粉尘的发生量会增加，钢水的合格率会下降。因此，积极推进超音速氧枪喷头的开发，利用超音速氧枪喷头喷吹流的膨胀特性，可以抑制熔池面氧气流的动压，同时，使喷嘴不仅能向转炉半径方向倾斜，而且还能向转炉圆周方向倾斜，由此能控制动压的峰值位置，抑制吹炼时发生喷溅。采用这种高速吹氧技术既可以抑制粉尘的发生，又可以提高吹氧速度。在进行这一技术开发时，由于采用了近年来已取得显著发展的数值解析技术，因此不仅能够对喷流特性进行预测，还能对喷枪端部进行设计，加快了开发速度(如图4)。

　　3转炉精炼技术的发展

　　3.1转炉顶吹技术

　　为抑制吹炼时产生粉尘和提高吹氧速度，积极推进转炉顶吹喷枪的技术开发。另一方面，为在脱磷吹炼时促进脱磷反应，改进了从吹炼用枪喷吹石灰粉的LD-AC(LD-Arbed CNRM)法，提高了脱磷效率。LD-AC法在脱磷吹炼时能提高脱磷效率。为使脱磷负荷高的钢种生产变得容易，君津制铁所第一和第二炼钢车间也在近年引进了该技术。

　　3.2转炉底吹搅拌技术

　　关于转炉底吹搅拌的方法，原新日铁在20世纪80年代就开发了底吹部分氧气的LD-OB法、底吹惰性气体的LD-CB法、底吹助熔剂粉体的LD-PB法和原住友金属工业公司开发的大量喷吹高压惰性气体的LD-STB法，各厂都结合自身的情况，选择不同优势的转炉底吹搅拌技术。

　　为提高转炉钢水浴的搅拌能力，八幡制铁所、名古屋制铁所的脱碳炉、君津制铁所第二炼钢车间和大分制铁所引进了LD-OB法。由于受冶炼钢种的制约，君津制铁所第一炼钢车间和室兰制铁所采用了LD-CB法，例如有些钢种要求终吹时的碳含量要高，在吹炼中，必须减小底吹气体流量。広畑制铁所在后面将要介绍的采用冷铁源熔化法的脱碳炉中采用了LD-CB法，一直使用到现在。名古屋制铁所在ORP炉上采用了有利于脱磷的LD-PB法。原住友金属工业公司的各厂在所有的转炉上采用了LD-STB法，如前所述，由于采用了装有高压气体设备的SA喷吹口，因此，喷吹流量的可变范围很大，可进行从大流量的非常强的搅拌到低流量的弱搅拌。

　　目前LD-OB法底吹气体流量为0.15-0.20Nm3/(t·min)左 右， 而LD-STB法可将最大流量提高至0.35Nm3/(t·min)左右，可以说在需要强搅拌的情况下，采用LD-STB法有利。

　　另一方面，由于LD-OB法采用的是双重管喷枪，内侧输送氧气，外侧管输送冷却气体，因此，可一面喷吹氧气，一面冷却喷吹管，降低了喷吹口的熔化损失速度。

　　3.3利用传感技术提高吹炼精度

　　为提高吹炼精度，开发了转炉炉内信号传感技术。为掌握转炉装入铁水后的金属液面，采用微波水平仪，可在不使用副枪的情况下，在短时间内测定钢水液面，增加喷枪-钢液面间距离的测定频率，可提高吹炼精度。另外，为检测渣面，安装了可测定声压级的传感装置，在声压低时，能测定喷枪顶端被渣遮住的时间。

　　为检测转炉耐火材料的损毁程度，采用固定式激光轮廓仪，通过短时间和高频率测定，能掌握耐火材料的局部损毁情况，提高转炉的修补效率。尤其是，如前所述还开发了把利用现有传感技术取得的废气分析的实测值，应用于废气动态控制模型。

　　采用这些传感技术，可以稳定转炉吹炼，稳定转炉耐火材料的使用寿命，减少操作故障。加上铁水脱磷处理具有稳定吹炼的效果，在吹炼末期采用转炉炉内的副枪进行测温取样，可以提高动态控制精度，并在吹炼后不进行终吹测温取样的情况下就能进行出钢。