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鐵水預處理技術的發展
鐵水預處理技術的發展

為了滿足用戶對鋼材質量飛躍性提高的要求,以及穩定地生產低磷鋼、低硫鋼等高潔凈鋼,日本在不斷研究開發鐵水預處理工藝。在20世紀80年代,日本各鋼鐵公司就基本確立了魚雷罐車、鐵水包和轉爐鐵水預處理技術。之后,為了應對嚴酷的經濟環境和更嚴格的環保法規,重新構建了包括鐵水預處理在內的處理工序的整合,以應對高生產率狀況下對高效率冶煉的需要。

1 鐵水預處理技術開發

鐵水預處理技術是將鐵水中所含的C、Si、Mn、P和S雜質元素脫除到要求的低含量或調整到適宜的含量,以高效率的方法、設備和工藝,將各種功能分開、整合而發展起來的。

古代的攪拌法、酸性底吹轉爐時代的鐵水脫磷技術可以說是廣義上的鐵水預處理技術的初始。使用強堿性渣的高氧化性、低溫冶煉是對脫磷有利的條件。1860年發現了攪拌法,并于1870年應用于工業生產。這些預脫磷法由于托馬斯煉鋼法和平爐煉鋼的衰落而逐漸被淘汰,平爐時代更關注的是有助于提高平爐生產率的脫硅技術。從平爐向轉爐的過渡期,因轉爐的脫磷能力不穩定等,再次嘗試了鐵水脫磷。但由于鐵水P含量低,已滿足當時的要求就沒有必要再脫磷。

自1957年引入LD轉爐以后,日本精煉功能逐漸分化??梢運堤ご砑際?,是伴隨著造船用厚鋼板和管線鋼管用的低硫鋼需求的擴大而逐漸發展的,開發的是分離主要元素中還原精煉的脫硫處理。經過了八幡制鐵所八幡廠和神戶制鋼尼崎廠實用化的搖包法,1965年富士制鐵廣畑廠開發了機械式攪拌(KR)法。KR法具有對精煉容器大型化的要求,而它的優勢是運營操作費用低廉。所以到70年代前半期在各鋼鐵廠普及。其后,因為加工性和表面性狀的問題,強化了對普通鋼低硫化的要求,為了大量脫硫處理,開始廣泛采用使用蘇打和CaC2的鐵水包的N2沸騰法。1971年在新日鐵名古屋廠和堺廠,魚雷罐車噴吹脫硫法實現實用化。

由于1973年的第1次石油?;?,在應對鋼材品質要求嚴格化的同時,還要求鋼鐵生產工藝本身的高效率化。成為日本鐵水預處理技術先驅的可以說是1979 年新日鐵室蘭廠開發的將鐵水預脫硅與轉爐組合的小渣量精煉法(SMP 法,Slag Minimum Refining Process)。認識到了事先降低鐵水Si含量,脫磷操作高效化,同時在一定的渣量下抑制轉爐波動,工藝整體高效率化是關鍵。

為了滿足用戶對鋼材品質特性飛躍提高的要求,20世紀80年代是確立穩定熔煉高純度鋼工藝的時代。聯合鋼鐵廠的冶煉工序出現了以下三點大的變化。即:

◆ 在各鋼鐵廠以各種形式開發引入在轉爐之前,鐵水脫硫的同時,進行鐵水脫硅和鐵水脫磷的鐵水預處理工藝;

◆ 通過根據各鋼鐵廠需求的各種形式轉爐的復合吹煉,進行了冶煉反應特性的改善;

◆ 為應對高純度、高潔凈度鋼的要求,開發引入了新的轉爐以后的二次精煉或改善的精煉法。于是,將大量鐵水預處理、復合吹煉以及二次精煉組合,可以高效且穩定大量生產高純度鋼、高潔凈度鋼的爐外精煉工藝成為主流。

生產低磷鋼是采用以時間、成本和溫度為代價,進行轉爐二次精煉的雙渣法等,但隨著超低磷要求逐年提高,開始了為在鐵水階段進行高效脫磷的技術研發。鐵水預脫磷脫硫處理的容器基本是魚雷罐車、鐵水包和轉爐。

1.1 魚雷罐車式

魚雷罐車是為了降低鐵水運輸時的熱損失而引入的輸送容器。魚雷罐車原來配備有噴粉裝置,作為鐵水脫硫和脫硅處理容器利用。將輸送容器的魚雷罐車作為容器使用,其特點是不用增設大規模的設備就可進行預處理。因為是輸送容器,是縱橫比小的筒型形狀,反應空間也小,所以需要在弱攪拌下進行脫磷,為保證反應界面面積,采取噴粉的方式。

1982年5月,使用蘇打熔劑的魚雷罐車(SARP)在住友金屬的鹿島廠投產,同年9月在新日鐵君津廠使用CaO-CaF2-CaCl2系渣的全量鐵水預處理系統(ORP)投產(如圖1)。其后,在新日鐵八幡廠、川崎制鐵千葉廠、神戶制鋼加古川廠以及川崎制鐵水島廠相繼實用化。

在魚雷罐車預處理中,一般是在高堿度低氧化鐵含量渣的條件下處理,在脫磷的同時進行脫硫。但在完全同時處理的基礎上,還開發了在脫磷處理后補吹蘇打等脫硫劑,另設鐵水包脫硫裝置的脫硫方法。蘇打系熔劑成本高,之后,隨著機械攪拌式脫硫的高效率和環保法規的日益嚴格,現在基本不再使用CaF2 和CaCl2輔助劑的生石灰主體處理工藝。用生石灰系渣處理時,旨在低磷化,抑制處理中的噴濺,一般渣堿度CaO/SiO2在2以上。

此外,因使用氧化鐵粉作為脫磷用氧化劑,雖然鐵收得率提高,但溫降加大,因熱源不足,轉爐的廢鋼鐵使用量受到限制。雖然也采取了由氧槍噴吹氧氣,置換氧化鐵或運用二次燃燒對策,但因渣已形成,反應空間小的魚雷罐車有限。若與轉爐式相比,雖然氧氣供給速度較慢,但脫磷反應的氧氣利用率高。

1.2 鐵水包式

與使用輸送容器作為容器的魚雷罐車式相同。因是鐵水包型容器,比魚雷罐車的混合性高,可以高速處理,所以,在20世紀80年代開發鐵水預脫磷、脫硫處理時期進行過許多研發。

作為實用化的工藝有使用高爐鐵水包和使用轉爐鐵水包兩種方式。前者分別于1985年和1986年在日本鋼管福山廠和京濱廠投產,后者1986 年在新日鐵大分廠投產。福山廠和京濱廠的鐵水預處理是在高爐——煉鋼車間的鐵軌上進行處理,而大分廠采用的是在回轉臺上依次進行脫硅渣排出,脫磷、脫硫處理,處理后渣再排出的方式。因使用鐵水包,其優點是鐵水脫硅預處理產生的低堿度渣容易排出,可以減少脫磷熔劑的使用量。脫磷劑使用CaO系熔劑,氧源由浸入式氧槍噴入或從上方添加氧化鐵,由浸入式氧槍或另設的噴槍噴入氧氣。

與魚雷罐車不同,鐵水包式可根據轉爐吹煉單位的鋼種進行鐵水預處理,但問題是廢鋼鐵使用量受限、反應空間不足。因此,大分廠采用了高速噴吹也可以避免渣和鐵水流出鐵水包外的浸入反應空間方式。作為防止強攪拌時渣噴濺的對策,京濱廠在鐵水包上設置了與高爐鐵水包同一直徑的水冷膜結構的環狀罩,來彌補反應空間的不足。因此,與魚雷罐車式相比,氧源供給速度快,相對于氧化鐵的氧氣比率高。

1.3 轉爐式

1983年,神戶制鋼將現有轉爐作為脫磷、脫硫專用爐(見圖2)使用。這是將在高爐爐前脫Si的鐵水裝入H爐,通過在水冷氧槍以外設置的噴粉用耐火材料槍(單孔橫吹)噴吹石灰系熔劑進行脫磷處理后,連續噴入蘇打系熔劑進行脫硫處理的方式。由于充分運用有利于轉爐爐容的強攪拌,脫磷、脫硫處理合計可以實現15min以內的短時間精煉。而且,在脫磷處理時,可以組合使用塊狀生石灰和轉爐渣等廉價的石灰源。后來開發的轉爐型鐵水預處理法省略了浸入式噴槍。

1987年,住友金屬開發了用兩座轉爐,將脫碳爐的渣循環用于脫磷爐的高效脫磷法(SRP)。將渣再循環到上道工序,進行對流冶煉,重要的是可以降低渣量。通過將脫碳渣再用于脫磷爐,假設脫碳渣中的CaO部分具有替代生石灰的效果,與不進行鐵水預處理時相比,總渣量可以減少到55%左右。

1989年,新日鐵名古屋廠開發了增強具有底吹噴粉功能的轉爐LD-ORP爐。該方式是采用從底部吹風口噴吹石灰石粉進行鐵水脫磷,噴吹蘇打進行鐵水脫硫。轉爐型鐵水預處理方式具有以下特點:

1)反應空間大,氣體氧的使用限制寬,緩解了廢鋼鐵用量的制約。

2)脫磷前的鐵水[Si]的允許范圍擴大,根據吹煉條件,渣中(FeO)也可以保持在高位。因此,可以用低堿度高FeO含量渣脫磷。

3)由于底吹強攪拌的高速送氧,可以用短時間脫磷吹煉。在脫磷吹煉中也可以進行脫碳,因此,脫碳吹煉時間縮短。

4)可以不燃燒回收脫磷吹煉中的轉爐排氣。

綜上所述,通過使用各種容器的鐵水預處理工藝的開發,在20世紀80年代各鋼鐵公司基本確立了穩定且大量生產高純度鋼的生產體制。

2 鐵水預處理技術的整合

進入20世紀90年代后半期,為了應對日益嚴酷的經濟環境和環保法規,同時在鋼鐵需求進一步擴大的高生產率狀況下也能保持高效率冶煉,進行了鐵水預處理工序的再構建和新工藝技術的開發。

若概括該時期鐵水預處理工序的開發動向,有以下三個特征。即:

◆ 鐵水脫硫工序的分離和改善脫磷工藝使之進一步高效化;

◆ 處理工序時間的縮短和廢鋼等冷鐵源用量的擴大帶來生產率提高;

◆ 由于預脫硅的徹底、反應高效率化和渣循環利用等,使渣量降低。

近年來,隨著對地球環境?;ひ饈兜奶岣?,在煉鋼工藝中,特別是鋼渣的處理成為重要課題,進行了減少渣產生量的技術開發。2001年制定了鋼渣中氟的溶出標準,限制螢石的使用等,渣再利用時的各種環境標準也更為嚴格,也促進了對渣成分的認識。并從工藝的高效率化和節能方面采取減排CO2的措施。

關于鐵水脫硫,以前大多是通過選擇適當的熔劑和氧分壓,在魚雷罐車等同一容器內隨著脫磷進行脫硫。但在主要元素中硫是唯1通過還原脫除的。將脫硫工序分離到可以更有效的高溫和低氧分壓下冶煉的鐵水脫磷前處理。

以前主要的脫硫方法是利用生石灰、碳化鈣和蘇打的熔劑噴吹法。但到了21世紀初,引入并改善了具有高脫硫能力的CaO-Mg系熔劑脫硫法。之后,重新認識了機械攪拌式KR法的冶煉效率,許多鋼鐵廠增強或新引進KR法。

2.1 鋼渣減量化技術

近年來,鐵水脫磷工序提高了效率,采用增強設備可以大量處理,提高了處理率。作為20世紀80-90年代開發的處理容器,雖然使用魚雷罐車和鐵水包的鐵水處理法可以穩定生產低磷、低硫鐵水,但因為需要低溫精煉,降低了裝入轉爐的鐵水溫度,廢鋼的用量顯著受到制約。因此,近幾年開發了轉爐型脫磷方式,采用了按照場所的操作模式。

轉爐型鐵水脫磷方式因反應空間大,可以使用大量的氧氣,擴大廢鋼鐵的用量。利用頂吹高氧氣流量和底吹強攪拌,可以短時間完成鐵水脫磷,而且,渣中的FeO含量也可以保持在高位,所以,可進行低堿度渣的高氧分壓下的脫磷操作,無氟(螢石)精煉也變得容易。由于低堿度渣的鐵水脫磷和SRP的對流精煉理念,新日鐵開發了多功能轉爐法(MURC)如圖3所示。該方法是用一座轉爐連續進行脫硅、脫磷處理和脫碳處理。利用轉爐的強攪拌和高速送氧功能,在高氧分壓下、用低堿度渣進行高速鐵水脫磷,此時渣為成形狀態,鐵水脫磷后傾動轉爐排出脫磷渣(中間排渣)。采用中間排渣減少渣的體積后,重新添加少量的石灰,提高渣的堿度,進行脫碳處理和再脫磷到鋼材要求的水平。脫碳處理后的渣全量或部分留在爐內出鋼,高溫狀態直接用于下一爐的脫磷處理。因為進行對流精煉,降低了整體的石灰單耗,也可以大幅度降低排出的渣量,這是用一座轉爐處理。因為也可以利用渣熱循環利用的顯熱,鐵水配合率可以降低到與沒有預處理的轉爐冶煉同等的水平,還大幅度縮短了脫硅、脫磷和脫碳的總處理時間。該方法通過爐傾動排出脫磷后的渣,由于殘留渣對脫碳精煉的影響,不適合熔煉超低磷鋼,但具有熱損失極少的特征。

NKK 公司開發了在脫磷處理前進行徹底脫硅,以少的石灰添加量提高渣的CaO活度,實現脫磷反應高效化的無渣煉鋼法(ZSP)如圖4所示。該方法是通過引入鐵水包脫Si工藝,徹底去除脫磷前的Si,進行無Si全量鐵水脫磷處理(轉爐式和鐵水包式并用)和轉爐專門脫碳處理。采用開放式鐵水包有效地攪拌使脫硅效率提高,同時氧氣和氧化鐵并用,可以控制脫Si處理后的溫度,抑制熱損失,穩定供給Si含量0.1質量分數以下的低硅鐵水。使用低Si鐵水,在脫磷初期階段,由于Si氧化,降低了作為反應生成2CaO·SiO2消耗的生石灰,可以直接生成CaO·P2O5。因此,提高了脫磷石灰效率,大幅度降低了渣量。此外,該方法因為是完全分開連續處理脫硅、脫磷,各工序發生的渣組成簡單。例如,脫硅渣是以SiO2為主體,可用于緩效性肥料。脫磷渣是以CaO為主體,可用于配加CO2的成型塊用于海洋藻場材料等,是正在推進的高附加值化的材料。

20世紀90年代后半期開始,隨著粗鋼產量的增加,提高生產率和減輕環境負荷變得越來越重要。因此,各鋼鐵廠紛紛進行工藝變革,許多鋼鐵廠從原來的魚雷罐車和鐵水包式鐵水脫磷預處理改為轉爐型鐵水脫磷預處理。

住金和歌山廠配備有轉爐型脫磷專用爐,建設了可以高品質、高效率生產的煉鋼車間。頂底復吹轉爐式的高速鐵水脫磷處理與9min吹煉、20min的高速轉爐脫碳組合,通過合理的轉爐布置使車間內單方向物流和脫磷爐長壽化以及短期修爐的高運轉率,保證工藝高效率化,實現了減少能源損失和生石灰用量。

近幾年,開發了轉爐鐵水脫磷處理高效率化技術,基于排氣信息的氧平衡計算,穩定控制處理中渣的氧化鐵含量的低磷化技術和由頂吹槍噴吹生石灰粉,不使用螢石也可促進生石灰渣化的低磷化技術等的實用化。另一方面,在用魚雷罐車的脫磷處理中,進行了旨在提高生產率和應對環境的改善。在JFE公司,作為穩定處理高Si鐵水也不過多使用石灰的技術,實施了在脫磷處理場設置并利用魚雷罐車的傾動機構,處理從開口部位流出的渣??山脅皇褂糜┦牡圖疃齲–aO/SiO2=1.6)的操作。

此外,為提高氧供給速度,縮短脫磷處理時間,還進行了由2根槍分散供氧化鐵的試驗。確立了魚雷罐車式在鐵水供給充分條件下的大量脫磷處理工藝。由于填埋用地的枯竭和有效利用的限制,降低產生的渣量是近年來的重要課題之一。1997年日本鋼鐵協會“鋼渣極少化研究會”設立之后,各公司也開始研究鋼渣減量化技術。鋼渣在鋼鐵廠內循環利用是降低向社會排放渣量的有效技術。關于向鐵水預處理工序的再利用,脫碳渣循環用于魚雷罐車式鐵水脫磷工序、轉爐式鐵水脫磷工序的渣熱態再利用(SRP法、MURC法)、含氧化鋁的二次精煉渣循環用于轉爐式鐵水脫磷工序促進渣化技術等已用于工業生產。今后將繼續鐵水脫硅、脫磷、脫硫等預處理的高效率化和包括渣循環利用工藝流程的進一步優化。

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