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少渣煉鋼工藝的進步與展望
來源：趙素華、潘秀蘭、梁慧智 |瀏覽：次|評論：0條 [收藏] [評論]
少渣煉鋼工藝的進步與展望
鞍鋼集團公司 趙素華
鞍鋼股份有限公司 潘秀蘭 梁慧智
摘要：闡述了少渣煉鋼的工藝路線。分析了轉爐少渣吹煉的供氣制度、造渣制度、溫度制度、合金化制度等。介紹了國內外7家鋼廠典型的少渣煉鋼工藝及其冶金效果。指出少渣煉鋼是未來煉鋼的主要發(fā)展方向。
關鍵詞：轉爐 少渣煉鋼 工藝制度
1 少渣煉鋼工藝路線
常見的轉爐煉鋼工藝路線有四種。第一種是傳統(tǒng)的煉鋼工藝，歐美各國的煉鋼廠大多采用這種模式，即鐵水先脫硫預處理后，再轉爐煉鋼。通常轉爐煉鋼渣量占金屬量的10％以上，轉爐渣中FeO含量在17％左右。此外，渣中還含有約8％的鐵珠，該工藝鋼鐵料消耗高。
第二種煉鋼工藝是先在鐵水溝、混鐵車或鐵水罐內進行鐵水“三脫”預處理，然后在復吹轉爐進行少渣煉鋼，這種工藝的不足之處是脫磷前必須先脫硅，廢鋼比低(≤5％)，脫磷渣堿度過高，難于利用。
第三種煉鋼工藝是20世紀90年代中后期日本各大鋼廠試驗研究成功的轉爐鐵水脫磷工藝，該工藝解決了超低磷鋼的生產難題。與第二種工藝路線的明顯區(qū)別是脫磷預處理移到轉爐內進行，轉爐內自由空間大，反應動力學條件好，生產成本較低。具體工藝是采用兩座轉爐雙聯(lián)作業(yè)，一座脫磷，另一座接受來自脫磷爐的低磷鐵水脫碳，即“雙聯(lián)法”。典型的雙聯(lián)法工藝流程為：高爐鐵水→鐵水預脫硫→轉爐脫磷→轉爐脫碳→爐外精煉→連鑄。由于受設備和產品的限制，也有在同一座轉爐上進行鐵水脫磷和脫碳的操作模式，類似傳統(tǒng)的“雙渣法”。
第四種煉鋼工藝是對第三種煉鋼工藝進行了改進，與第三種工藝的明顯不同是將部分脫碳渣(約8％)返回脫磷轉爐，脫磷后的鐵水進入脫碳轉爐脫碳。該工藝是目前渣量最少、最先進的轉爐生產純凈鋼的工藝路線。
在上述四種轉爐煉鋼工藝路線中，后三種煉鋼工藝鐵水經過“三脫”預處理后再脫碳煉鋼，能夠做到少渣操作。后三種煉鋼工藝的噸鋼渣量低于70 kg／t。
國外專家認為，少渣煉鋼是在轉爐煉鋼時，每噸金屬料加人的石灰量低于20奴，脫碳爐每噸鋼水的渣量低于30kg。值得指出的是，如果將脫磷轉爐每噸金屬料產生的20～40 kg脫磷渣也視為煉鋼渣，那么少渣煉鋼工藝流程的總渣量約為50～70 kg。
總之，轉爐少渣煉鋼必須以鐵水預處理為前提條件。鐵水“三脫”預處理后，鐵水中的硅、磷和硫含量基本上達到了煉鋼吹煉終點的要求。對少渣煉鋼脫碳轉爐操作而言，操作任務發(fā)生了變化，工藝制度也要進行調整。
2 工藝制度分析
2．1 供氣制度
少渣煉鋼脫碳轉爐全過程頂吹氧槍槍位采用“高一低一低”三段式控制較為合理。由于人爐鐵水硅、錳含量較低，碳氧反應提前，渣量很少，前期槍位低會造成金屬噴濺。同時硅的減少給煉鋼初期成渣帶來困難，采用較高槍位操作便于快速成渣，增加吹煉前期渣中氧化鐵
的含量，然后根據(jù)化渣情況逐步降低槍位。與常規(guī)吹煉相比，少渣吹煉前期氧氣流量應適當降低，吹煉后期加大底吹氣體流量有利于減少鐵損和提高錳的收得率。
2．2 造渣制度
轉爐少渣吹煉時，生石灰及其他造渣材料在吹煉開始或吹煉中期投入。一般不加螢石，轉爐化渣不良時，可投少量螢石幫助化渣。如鐵水硅沒有達到控制目標，配加適量的軟硅石，700 kg軟硅石相當于鐵水中0．10％的硅生成的SiO2。鐵水經“三脫”預處理后，少渣吹煉應結合留渣操作。
日本君津煉鋼廠冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼時，采用少渣吹煉，噸鋼造渣劑消耗降至7．2 kg，如果全部采用低磷鐵水(P≤0．050%)冶煉，噸鋼造渣材料的單耗也只有12．4 kg。NKK福山廠開發(fā)的少渣煉鋼技術，其渣量控制在噸鋼30 kg。新日鐵室蘭鋼廠使用“三脫”鐵水煉鋼，噸鋼石灰消耗20 kg，轉爐總渣量減少了50％。我國寶鋼和太鋼采用“三脫”鐵水進行少渣煉鋼試驗，結果總渣量減少了50％。
但是，神戶制鋼在進行少渣吹煉時，發(fā)現(xiàn)連續(xù)3爐以上均采用噸鋼渣量小于20 kg的少渣量操作，爐襯上幾乎不附著熔渣，耐火材料易受到侵蝕，從而影響轉爐爐齡。因此，神戶制鋼將渣量控制在每噸鋼40 kg左右。
在降低造渣料消耗的前提下，為了保護爐襯、覆蓋鋼液、減少金屬噴濺，采取的有效措施是留渣操作。出鋼后，將前一爐的高溫、高堿度、高氧化性的終渣留一部分(噸鋼約10 kg左右)于爐內，加入少量石灰或白云石，然后兌鐵煉鋼。新日鐵君津廠和神戶制鋼就是采用留渣操作補充渣量的冶煉方法。
2．3 溫度制度
采用“三脫”鐵水吹煉時，確定溫度制度的關鍵在于合理選用造渣料和廢鋼用量，以平衡因鐵水溫度降低和放熱反應元素(硅和磷等)減少而導致的熱量改變。一般通過減少造渣料和廢鋼用量就可實現(xiàn)熱平衡。“三脫”鐵水少渣吹煉時，停吹溫度平均為1657℃，而只進行脫硫的鐵水預處理吹煉時，停吹溫度平均為1655℃。
2．4 爐內部分合金化
應用“三脫”鐵水實現(xiàn)少渣煉鋼后，造渣料消耗大幅度減少。如果有富余的熱量，可實現(xiàn)錳礦或鉻礦直接合金化。如日本鋼管公司采用的爐內錳礦合金化工藝，通過控制堿度，降低渣中TFe，使低碳鋼水終點錳含量達到1％，錳的收得率大于70％。另外，日本的新日鐵、
JFE，住友金屬和神戶制鋼的煉鋼廠在生產含錳低于1．5％的合金鋼時，采用錳礦直接代替全部錳鐵合金，取得了較好的經濟效益。
3 典型的少渣煉鋼工藝
日本發(fā)明的轉爐脫磷少渣煉鋼工藝方法主要有：JFE福山制鐵所的LD—NRP法(雙聯(lián)法)、住友金屬的SRP法(雙聯(lián)法)、神戶制鋼的H爐(專用轉爐)、新日鐵的LD一ORP法(雙聯(lián)法)和MuRC法（雙渣法)。
寶鋼開發(fā)的BRP技術在其一煉鋼、二煉鋼和不銹鋼分廠應用，取得了較好的效果。
3．1 TFE福山制鐵所
福山制鐵所是日本粗鋼產量最高的廠家(1080萬t／a)，設有兩個煉鋼廠(第二煉鋼廠和第三煉鋼廠)，第三煉鋼廠有兩座320 t頂?shù)讖痛缔D爐，采用LD—NRP工藝，一座轉爐脫磷，另一座脫碳；轉爐在爐役前期用于脫碳，爐役后期用于脫磷，脫碳轉爐爐齡低于脫磷轉爐。轉爐脫磷能力為450萬t/a。1999年開始，該廠鐵水全部采用轉爐脫磷預處理。
脫磷轉爐指標：吹煉時間為10min；廢鋼比為7％～10％；氧氣流量為30000 m3／h，底吹氣體為3000 m3／h；石灰消耗為10～15kg/t。
脫碳轉爐指標：石灰消耗5～6kg/t；爐齡約7000爐。
第二煉鋼廠有3座250 t頂?shù)讖痛缔D爐，采用傳統(tǒng)的“三脫”工藝，“三脫”處理能力為420萬“a。
3．2 住友金屬鹿島制鐵所
鹿島制鐵所有兩個煉鋼廠，第一煉鋼廠有3座250 t轉爐，采用本公司發(fā)明的SRP法煉鋼；第二煉鋼廠有兩座250t轉爐，采用常規(guī)冶煉工藝。
第一煉鋼廠一座轉爐脫磷，另兩座轉爐脫碳(二吹一)，脫磷鐵水富余25％運送給第二煉鋼廠。脫磷轉爐指標：吹煉時間為8 min；冶煉周期為22 min；廢鋼比為10％(加輕廢鋼)；出鐵溫度為1350℃，渣量為40kg／t。
脫碳轉爐指標：吹煉時間為14min；冶煉周期為30 min；錳礦用量為15Kg/t(Mn回收率30％～40％)；渣量為20kg/t(以干渣方式回收)。
3．3 住友金屬和歌山制鐵所
住友金屬和歌山制鐵所年產粗鋼390萬t。煉鋼生產采用“雙聯(lián)法”(SRP)，鐵水全部經轉爐脫磷處理。該廠脫磷轉爐與脫碳轉爐設在不同跨間，脫磷轉爐和脫碳轉爐的吹煉時間分別為9～12min，轉爐煉鋼的冶煉周期控制在20 min以內。一個轉爐煉鋼車間給三臺連鑄機
供鋼水，是目前世界煉鋼生產節(jié)奏最快的鋼廠。
和歌山制鐵所“雙聯(lián)法”(SRP)的優(yōu)點是：建立起高效率、低成本、大批量生產純凈鋼的平臺，顯著改善IF鋼抗二次加工脆化和熱軋鋼板低溫沖擊韌性等性能；煉鐵生產可以采用較高磷含量的低價位鐵礦石，鐵水磷含量放寬至0．10％～0．15％，降低了礦石采購成本；
煉鋼時使用錳礦石取代MnFe合金；煉鋼渣量品著降低，脫碳爐渣可返回用于脫磷轉爐；脫磷爐渣不經蒸汽穩(wěn)定化處理，可直接鋪路；加快了大型轉爐的生產節(jié)奏，與高拉速連鑄機相匹配；工序緊湊。
3．4 神戶制銅
由于神戶制鋼生產的高碳鋼比例較大，轉爐的脫磷負荷大，鐵水脫磷、脫硫預處理用H爐(專用轉爐)，處理過程分兩步進行：首先用噴吹法在高爐出鐵溝對鐵水進行脫硅處理，用撇渣器去除脫硅渣后，將鐵水再兌入H爐進行脫磷、脫硫處理。脫磷時噴吹石灰系渣料、同時頂吹氧氣，脫磷后再噴入蘇打粉系渣料脫硫。經預處理的鐵水再裝入轉爐進行脫碳。
用H爐進行鐵水脫磷、脫硫處理具有如下特征：H爐內空間大，進行鐵水預處理時，爐內反應效率高、反應速度快，可在較短的時間內連續(xù)完成脫磷、脫硫處理；可以用塊狀生石灰和轉爐渣代替部分脫磷渣；脫磷過程中添加部分錳礦，可提高脫磷效率，增加了鐵水中的錳含量。
3．5新日鐵君津制鐵所
新日鐵君津制鐵所有兩個煉鋼廠，第一煉鋼廠和第二煉鋼廠均采用KR法脫硫(S≤0．002％)。第一煉鋼廠有3座230 t復吹轉爐；第二煉鋼廠有兩座300t復吹轉爐，第二煉鋼廠采用LD—ORP法和MURC法兩種工藝煉鋼。
LD—ORP法渣量少、可生產高純凈鋼。脫磷轉爐弱供氧，大渣量，堿度為2．5～3．0，溫度為1320～1350℃，純脫磷時間約為9～10 min，冶煉周期約20 min，廢鋼比通常為9％，為了提高產量，目前廢鋼比已達到11％～14％，經脫磷后鋼水(P≤0．020％)兌入脫碳轉爐，總收得率>92％c，轉爐的復吹壽命約4000爐。脫碳轉爐強供氧，渣量少，冶煉周期為28～30 min，脫碳轉爐不加廢鋼。從脫磷至脫碳結束的總冶煉周期約為50 min。恰好與連鑄機的澆鑄周期相匹配。
3．6 新日鐵室蘭制鐵所和大分制鐵所
新日鐵室蘭制鐵所(兩座270t LD一OB轉爐)和大分制鐵所(3座370t復吹轉爐)受設備和產品的限制，難以采用“雙聯(lián)法”工藝，為此采用了新日鐵開發(fā)的MURC技術，在同一轉爐進行鐵水脫磷預處理和脫碳吹煉，類似傳統(tǒng)煉鋼的“雙渣法”。前期脫磷渣一般倒出50％，
脫碳渣可直接留在爐內用于下一爐脫磷吹煉；MURC工藝冶煉周期約33～35 min，室蘭制鐵所和大分制鐵所全部采用MURC工藝。
MURC沒備為多功能復合吹煉轉爐，在同一座轉爐中可連續(xù)脫硅、脫磷、除渣和脫碳。工藝過程是：鐵水在轉爐中脫硅、脫磷后倒爐放渣，保留鐵水，然后造脫碳渣進行脫碳，脫碳后出鋼，脫碳渣留在轉爐內用于下一爐鐵水脫硅和脫磷。
3．7 中國寶鋼
2002年寶鋼開始進行BRP技術研究。到2005年11月，采用BRP工藝生產了1500多爐鋼。寶鋼轉爐脫磷渣量約為20～40 kg/t，采用少渣冶煉時，轉爐脫碳渣量約為15 kg/t，如脫碳爐渣全部返回脫磷爐使用，則渣中鐵的50％可以在煉鋼工藝循環(huán)利用。
BRP項目開發(fā)的工藝路線可適應不同鋼種的需求，物流暢通，工序匹配合理。采用優(yōu)化后的富錳礦熔融還原工藝與復合渣返回轉爐冶煉工藝，不但可降低成本，經濟效益也很顯著。BRP工藝對于拓展品種、提高鋼水質量、提升產品的市場競爭力以及實現(xiàn)效益最大化有重要作用。2004年6月10日，采用BRP技術連續(xù)生產4爐超純凈抗HIC X60管線鋼(用1930連鑄機澆注)，五大雜質元素含量之和均小于0．010％。
4 發(fā)展前景展望
據(jù)統(tǒng)計，轉爐脫碳渣用于另一座轉爐脫磷的“雙聯(lián)法”，每生產1t鋼水的鋼鐵料消耗比傳統(tǒng)方法減少24．3 kg，石灰消耗減少40％，每噸鋼成本降低約70元。轉爐采用少渣冶煉工藝，可顯著提高鐵水的收得率，經濟效益顯著。由于少渣煉鋼用鐵水硅含量很低，造渣用石灰加入量明顯減少，降低了渣料消耗和能耗，減少了污染物的排放。岡轉爐內渣量少，氧的利用率高，吹煉終點鋼水中含氧量低。余錳高，減少噴濺，鐵損少，合金元素收得率較高，從而降低了生產成本。少渣煉鋼工藝縮短了冶煉時間，提高了轉爐作業(yè)率和生產能力，延長了轉爐爐齡。提高了轉爐終點命中率。改善了鋼水的純凈度，為生產超純凈鋼創(chuàng)造了條件。
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