日本是世界先進(jìn)的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)家，其在煉鋼方面存在的矛盾問(wèn)題是，一方面采用大型設(shè)備進(jìn)行大批量生產(chǎn)來(lái)提高生產(chǎn)效率，另一方面為滿足產(chǎn)品高級(jí)化、多品種化需求，不得不降低生產(chǎn)效率和增加能源消耗。以京都議定書(shū)為代表的CO2減排、減少能耗、節(jié)省資源等全球性的環(huán)保要求不斷高漲，在這種情況下，鋼鐵業(yè)需要研究根本性對(duì)策以實(shí)現(xiàn)低環(huán)境負(fù)荷生產(chǎn)。日本住友金屬和歌山鋼廠在高級(jí)鋼冶煉環(huán)保技術(shù)方面開(kāi)發(fā)出良好工藝，現(xiàn)介紹如下。
1 爐渣、粉塵的循環(huán)利用技術(shù)
1.1 爐渣循環(huán)利用
在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐精煉法中，由于脫磷能力小，所以要投入大量的脫磷劑，因此產(chǎn)生大量的爐渣，排出的爐渣廢棄物增加了環(huán)境負(fù)荷。雖然爐渣可以在土建工程和路基建設(shè)中得到循環(huán)利用。但是由于爐渣的市場(chǎng)需求量不斷變化，所以對(duì)爐渣發(fā)生量的控制就成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題。對(duì)流精煉法由于利用頂?shù)状缔D(zhuǎn)爐分別進(jìn)行脫碳和脫磷精煉，所以可以實(shí)現(xiàn)脫磷處理?xiàng)l件的最佳化，并且脫碳處理使用完的精煉劑可以在脫磷處理中進(jìn)行再利用，所以渣量大幅度減少。對(duì)流精煉法由于精煉劑再利用和脫磷處理?xiàng)l件最佳化，使?fàn)t渣的發(fā)生量從97kg/t鋼下降到52kg/t鋼，渣量約減少了一半。
1.2 粉塵循環(huán)利用
在鋼鐵廠的產(chǎn)品制造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生鍍鋅廢鋼，為在廠內(nèi)將這些被鋅污染的廢鋼處理掉，就將這些廢鋼作為轉(zhuǎn)爐的鋼鐵料使用。因此，轉(zhuǎn)爐吹煉中產(chǎn)生的粉塵含Zn。由于轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的粉塵量很大，分離回收Z(yǔ)n的成本很高，所以不得不采用填埋方法處理含Zn粉塵，但這種方法增加了環(huán)境負(fù)荷。
由于脫磷反應(yīng)比脫碳反應(yīng)的溫度低，供氧速度小，所以煙塵中Zn損失小。因此，在進(jìn)行脫磷處理時(shí)投入含Zn廢鋼，就可以生成少量高濃度含Zn粉塵。這樣，就比較容易從回收粉塵中分離出Zn。對(duì)流精煉法利用粉塵集塵裝置回收少量高濃度含Zn粉塵，再利用回轉(zhuǎn)窯將粗鋅和鐵粉進(jìn)行分離，將粗鋅銷售給鋅精煉廠做原料，鐵粉用作廠內(nèi)高爐的煉鐵原料。經(jīng)過(guò)這樣的處理，在脫碳時(shí)就可以不使用含Zn廢鋼，產(chǎn)生的全部粉塵都被高爐作為煉鐵原料再利用。 因此，本開(kāi)發(fā)工藝將過(guò)去作為廢棄物處理的粉塵進(jìn)行資源化循環(huán)利用。過(guò)去的傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)1噸鋼要填埋11kg的含Zn粉塵，現(xiàn)在粉塵廢棄量變?yōu)榱恪?/p>
2 快速脫碳吹煉技術(shù)
2.1 高速供氧技術(shù)
轉(zhuǎn)爐脫碳處理對(duì)轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)能力有很大影響。因此，有必要提高脫碳處理所需氧氣的供氧速度。以前，轉(zhuǎn)爐冶煉前的鐵水預(yù)處理能力小，需要在轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行脫磷，由于考慮到熔渣飛濺等問(wèn)題，提高供氧速度有很大困難。
對(duì)流精煉法采用專用轉(zhuǎn)爐進(jìn)行脫磷處理，脫碳爐不進(jìn)行脫磷處理，因此脫碳爐精煉劑用量達(dá)到最小化程度，供氧速度就可以提高。但是又出現(xiàn)了一個(gè)新問(wèn)題，由于脫碳爐精煉劑用量少，吹入轉(zhuǎn)爐內(nèi)的高速氧氣射流沖擊到鐵水表面產(chǎn)生大量鐵粒飛濺，即發(fā)生嚴(yán)重的噴濺現(xiàn)象。為解決這個(gè)問(wèn)題開(kāi)發(fā)出可以抑制噴濺現(xiàn)象的新型氧槍。傳統(tǒng)氧槍槍頭有排列成與槍頭圓周成同心圓的4-6個(gè)直徑相同、傾角相同的噴嘴，這種氧槍吹入的氧氣射流會(huì)發(fā)生相互干擾，導(dǎo)致大量鐵水顆粒飛濺?；趯?duì)傳統(tǒng)氧槍問(wèn)題的分析，新開(kāi)發(fā)的氧槍槍頭是由不同直徑、不同傾角呈插花式排列的噴嘴構(gòu)成的。這種噴嘴的配置避免了氧氣射流的互相干擾，最大限度地降低了鐵水的噴濺量。
隨著鐵水液面上射流重疊率的減少，噴濺量以指數(shù)關(guān)系下降。此外，還對(duì)新型氧槍高、低傾角噴嘴的直徑比與噴濺量的關(guān)系進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)是在水力模型裝置和2t實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行的。高傾角噴嘴直徑和低傾角噴嘴直徑，并將D2/D1=1時(shí)的噴濺量作為基準(zhǔn)值，對(duì)噴濺量進(jìn)行了指數(shù)化處理。
上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)爐上也得到了驗(yàn)證，隨后這種新型氧槍很快在轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)上得到應(yīng)用。結(jié)果表明，即使在5.0Nm3/min的高速供氧條件下，也未出現(xiàn)鐵水顆粒附著在氧槍和爐體引起的操作故障。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐法的脫碳吹煉時(shí)間約為20min，和歌山新鋼廠脫碳爐的吹煉時(shí)間縮短到9min。
2.2 高速吹煉控制技術(shù)
由于提高供氧速度縮短了吹煉時(shí)間，相應(yīng)地要求縮短吹煉終點(diǎn)溫度和終點(diǎn)碳含量的控制時(shí)間。
在傳統(tǒng)方法中，用副槍測(cè)定吹煉終點(diǎn)溫度和終點(diǎn)碳含量，因此要進(jìn)行取樣，然后根據(jù)取樣測(cè)定的溫度和［C］進(jìn)行數(shù)學(xué)模型計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果停止吹煉。吹煉停止后再次用副槍測(cè)定溫度和［C］，合格后出鋼。在出鋼的最初階段要根據(jù)吹煉時(shí)取樣分析的［P］分析值，進(jìn)行是否繼續(xù)出鋼的判斷。為完成這些操作，必須在吹煉結(jié)束前約120s，進(jìn)行吹煉末期的副槍取樣測(cè)定。吹煉結(jié)束前約120s，對(duì)于吹煉時(shí)間為20min的傳統(tǒng)吹煉來(lái)說(shuō)相當(dāng)于完成了90%的吹煉過(guò)程，而對(duì)于吹煉時(shí)間為9min的高速吹煉來(lái)說(shuō)相當(dāng)于完成78%的吹煉過(guò)程。因此，在高速吹煉情況下，采用傳統(tǒng)控制方法必然會(huì)大大增加脫碳量模型預(yù)測(cè)值的誤差。
基于這種分析，開(kāi)發(fā)出適用于高速吹煉的改進(jìn)型控制方法。在改進(jìn)型控制方法中，由于采用［C］和溫度預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)模型，提高了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，可以省略吹煉結(jié)束時(shí)［C］和溫度的測(cè)定。此外，由于鐵水脫磷的穩(wěn)定性，不必通過(guò)取樣分析判斷是否繼續(xù)出鋼，可以使吹煉中副槍的動(dòng)態(tài)測(cè)定時(shí)間接近吹煉過(guò)程的90%，即在吹煉結(jié)束前約60s完成。
在傳統(tǒng)模型中，吹煉末期過(guò)氧化渣中的［O］含量和鋼水中的［C］含量，是沒(méi)有考慮出鋼結(jié)束之前脫碳量的值，因此，出鋼后鋼中［C］含量的預(yù)測(cè)值有波動(dòng)。在新開(kāi)發(fā)方法的副槍測(cè)定時(shí)，除了進(jìn)行傳統(tǒng)的碳濃度和溫度測(cè)定，還可以測(cè)定熔渣中的氧濃度，并將熔渣氧濃度輸送給動(dòng)態(tài)模型，因此，提高了出鋼結(jié)束時(shí)鋼中［C］含量的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。
2.3 脫碳爐的處理周期時(shí)間
由于采用了上述的高速供氧技術(shù)和高速吹煉技術(shù)，和歌山新煉鋼廠脫碳爐的處理周期時(shí)間為20min，其中，送入鐵水4min、吹煉9min、出鋼5min、放渣和補(bǔ)爐2min。
3 多功能二次精煉法
轉(zhuǎn)爐脫碳吹煉后鋼水的硫含量雖然已經(jīng)降到30ppm，但是高純度鋼（高性能油井管）對(duì)硫含量的要求是10ppm以下，最好是5ppm以下。為達(dá)到這種要求，傳統(tǒng)的做法是，轉(zhuǎn)爐出鋼后在鋼包內(nèi)進(jìn)行脫硫處理。處理方法是，將噴槍深入鋼水中，利用Ar氣從噴槍口將脫硫劑吹入鋼水進(jìn)行脫硫。由于粉狀脫硫劑陷入Ar氣氣泡內(nèi)，所以不能保證鋼水和脫硫劑之間有足夠的脫硫反應(yīng)面積，影響了脫硫速度的提高，因此要投入大量脫硫劑。由于脫硫后要進(jìn)行脫氣處理，所以，必須在脫硫后將大量的脫硫渣排出。這樣就增加了脫硫時(shí)間，并且鋼水溫度降低造成能量的損失。此外，由于是在大氣壓條件下進(jìn)行攪拌操作，大氣中的氮會(huì)溶入鋼中，這樣，也會(huì)對(duì)鋼材性能產(chǎn)生不利影響。為解決傳統(tǒng)方法中存在的這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn)低氮低硫鋼，開(kāi)發(fā)出多功能二次精煉法。這種精煉法是在真空條件下進(jìn)行，對(duì)鋼水處理的主工序RH爐附加了脫硫功能，使脫氣和脫硫在同一個(gè)工序完成，實(shí)現(xiàn)工藝流程的緊湊化。
RH附加脫硫功能采用的不是從鋼水內(nèi)部輸入，而是從爐子上面將脫硫劑吹入鋼水表面的方法。被吹入的脫硫劑接觸到真空條件下的鋼水面后在進(jìn)入鋼水內(nèi)部時(shí)，不會(huì)陷入Ar氣氣泡內(nèi)，從而保證了足夠的脫硫反應(yīng)面積，大大提高了脫硫速度，可以實(shí)現(xiàn)很低的終點(diǎn)硫含量。由于脫硫劑用量很少，所以脫硫后不需要進(jìn)行物理除渣操作，因此溫度下降少，熱能損失小。
過(guò)去曾認(rèn)為，在真空條件下頂吹粉劑會(huì)被真空排氣泵吸走，不能發(fā)揮有效的作用。但RH附加脫硫法開(kāi)發(fā)的噴粉技術(shù)對(duì)噴槍的噴嘴形狀進(jìn)行了改造，使粉劑和粉劑載體形成強(qiáng)力射流，可以無(wú)損失地將粉劑吹到鋼水表面。實(shí)驗(yàn)證明，頂吹粉劑的方法可以達(dá)到高純度鋼的硫、氮含量要求，從而可以冶煉高級(jí)鋼，且熱能損失也降低到傳統(tǒng)方法的1/2。