日本是世界(jie)先進(jin)的(de)鋼(gang)(gang)(gang)鐵生(sheng)產國(guo)家，其(qi)在煉鋼(gang)(gang)(gang)方(fang)(fang)面(mian)存在的(de)矛盾問題是，一方(fang)(fang)面(mian)采用(yong)大(da)型設備進(jin)行大(da)批量生(sheng)產來提高(gao)(gao)生(sheng)產效率，另一方(fang)(fang)面(mian)為(wei)滿足產品高(gao)(gao)級化、多品種化需求，不(bu)得不(bu)降低生(sheng)產效率和增加能(neng)(neng)源(yuan)消耗。以京(jing)都議(yi)定書為(wei)代表的(de)CO2減(jian)(jian)排(pai)、減(jian)(jian)少(shao)能(neng)(neng)耗、節省資源(yuan)等(deng)全球性(xing)的(de)環(huan)保(bao)要(yao)求不(bu)斷高(gao)(gao)漲，在這種情況下(xia)，鋼(gang)(gang)(gang)鐵業需要(yao)研究根(gen)本性(xing)對策以實現(xian)低環(huan)境負荷生(sheng)產。日本住友金屬(shu)和歌山鋼(gang)(gang)(gang)廠在高(gao)(gao)級鋼(gang)(gang)(gang)冶煉環(huan)保(bao)技術(shu)方(fang)(fang)面(mian)開發出良好工(gong)藝(yi)，現(xian)介(jie)紹如(ru)下(xia)。
1 爐渣、粉(fen)塵的循環利用技術
1.1 爐渣循環利用
在傳統轉(zhuan)爐(lu)(lu)(lu)(lu)精(jing)(jing)煉法(fa)(fa)中(zhong)，由(you)于脫(tuo)磷能(neng)力(li)小(xiao)，所以(yi)要(yao)投入大(da)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)脫(tuo)磷劑(ji)，因此產生大(da)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)爐(lu)(lu)(lu)(lu)渣，排出的(de)(de)(de)(de)爐(lu)(lu)(lu)(lu)渣廢(fei)棄物增(zeng)加了環境負荷(he)。雖然爐(lu)(lu)(lu)(lu)渣可以(yi)在土建工程和路基(ji)建設中(zhong)得(de)到循環利(li)(li)用(yong)(yong)。但是(shi)由(you)于爐(lu)(lu)(lu)(lu)渣的(de)(de)(de)(de)市場需求量(liang)(liang)(liang)不(bu)斷變化，所以(yi)對(dui)爐(lu)(lu)(lu)(lu)渣發(fa)生量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)控制(zhi)就成(cheng)為一(yi)個急需解決(jue)的(de)(de)(de)(de)問題。對(dui)流精(jing)(jing)煉法(fa)(fa)由(you)于利(li)(li)用(yong)(yong)頂底吹轉(zhuan)爐(lu)(lu)(lu)(lu)分別進行脫(tuo)碳和脫(tuo)磷精(jing)(jing)煉，所以(yi)可以(yi)實現脫(tuo)磷處理條(tiao)(tiao)件的(de)(de)(de)(de)最佳化，并且脫(tuo)碳處理使用(yong)(yong)完(wan)的(de)(de)(de)(de)精(jing)(jing)煉劑(ji)可以(yi)在脫(tuo)磷處理中(zhong)進行再利(li)(li)用(yong)(yong)，所以(yi)渣量(liang)(liang)(liang)大(da)幅度減少。對(dui)流精(jing)(jing)煉法(fa)(fa)由(you)于精(jing)(jing)煉劑(ji)再利(li)(li)用(yong)(yong)和脫(tuo)磷處理條(tiao)(tiao)件最佳化，使爐(lu)(lu)(lu)(lu)渣的(de)(de)(de)(de)發(fa)生量(liang)(liang)(liang)從97kg/t鋼下降到52kg/t鋼，渣量(liang)(liang)(liang)約減少了一(yi)半(ban)。
1.2 粉塵循環利(li)用
在鋼(gang)鐵廠的(de)(de)(de)(de)產(chan)品制造過(guo)程中會產(chan)生鍍鋅廢(fei)鋼(gang)，為(wei)在廠內將這(zhe)(zhe)些(xie)被鋅污染的(de)(de)(de)(de)廢(fei)鋼(gang)處(chu)理(li)掉(diao)，就將這(zhe)(zhe)些(xie)廢(fei)鋼(gang)作為(wei)轉(zhuan)爐的(de)(de)(de)(de)鋼(gang)鐵料使用(yong)。因此，轉(zhuan)爐吹煉(lian)中產(chan)生的(de)(de)(de)(de)粉(fen)塵(chen)含Zn。由于(yu)轉(zhuan)爐產(chan)生的(de)(de)(de)(de)粉(fen)塵(chen)量(liang)很大(da)，分離回(hui)收Zn的(de)(de)(de)(de)成本很高，所(suo)以不得(de)不采(cai)用(yong)填埋方法處(chu)理(li)含Zn粉(fen)塵(chen)，但這(zhe)(zhe)種方法增加了環(huan)境負荷。
由(you)于(yu)脫(tuo)(tuo)磷反(fan)應比脫(tuo)(tuo)碳(tan)反(fan)應的溫(wen)度(du)(du)低，供(gong)氧速度(du)(du)小(xiao)，所以(yi)煙塵(chen)(chen)中(zhong)Zn損失小(xiao)。因此，在進(jin)(jin)行(xing)脫(tuo)(tuo)磷處理時(shi)(shi)投入(ru)含Zn廢(fei)鋼，就(jiu)(jiu)可(ke)以(yi)生(sheng)成少量高(gao)(gao)(gao)濃度(du)(du)含Zn粉塵(chen)(chen)。這樣，就(jiu)(jiu)比較容易(yi)從回收粉塵(chen)(chen)中(zhong)分離出(chu)Zn。對(dui)流精(jing)煉法(fa)利(li)用(yong)粉塵(chen)(chen)集塵(chen)(chen)裝置(zhi)回收少量高(gao)(gao)(gao)濃度(du)(du)含Zn粉塵(chen)(chen)，再利(li)用(yong)回轉窯將粗鋅和鐵(tie)粉進(jin)(jin)行(xing)分離，將粗鋅銷(xiao)售給鋅精(jing)煉廠做原料(liao)，鐵(tie)粉用(yong)作(zuo)廠內高(gao)(gao)(gao)爐的煉鐵(tie)原料(liao)。經過(guo)這樣的處理，在脫(tuo)(tuo)碳(tan)時(shi)(shi)就(jiu)(jiu)可(ke)以(yi)不使用(yong)含Zn廢(fei)鋼，產生(sheng)的全部粉塵(chen)(chen)都(dou)被高(gao)(gao)(gao)爐作(zuo)為(wei)煉鐵(tie)原料(liao)再利(li)用(yong)。 因此，本開發(fa)工藝(yi)將過(guo)去作(zuo)為(wei)廢(fei)棄(qi)物處理的粉塵(chen)(chen)進(jin)(jin)行(xing)資源化循環利(li)用(yong)。過(guo)去的傳統工藝(yi)生(sheng)產1噸(dun)鋼要填埋(mai)11kg的含Zn粉塵(chen)(chen)，現在粉塵(chen)(chen)廢(fei)棄(qi)量變(bian)為(wei)零。
2 快速脫碳吹煉技術
2.1 高速供(gong)氧(yang)技術(shu)
轉爐(lu)脫碳(tan)處理對轉爐(lu)的生(sheng)產能力有(you)很大(da)影(ying)響。因此，有(you)必要提(ti)高脫碳(tan)處理所(suo)需氧(yang)氣的供(gong)氧(yang)速(su)度(du)。以前，轉爐(lu)冶煉前的鐵水預處理能力小，需要在轉爐(lu)上進行脫磷，由(you)于考(kao)慮到熔渣飛濺等問題，提(ti)高供(gong)氧(yang)速(su)度(du)有(you)很大(da)困難。
對(dui)流精(jing)(jing)煉法(fa)采(cai)用(yong)專用(yong)轉(zhuan)爐進(jin)行脫磷處理，脫碳爐不進(jin)行脫磷處理，因此脫碳爐精(jing)(jing)煉劑用(yong)量達到(dao)最小化程度，供(gong)氧(yang)速(su)度就可以提高。但(dan)是又出現(xian)了一個新(xin)問題，由于脫碳爐精(jing)(jing)煉劑用(yong)量少，吹(chui)(chui)入轉(zhuan)爐內(nei)的(de)(de)(de)高速(su)氧(yang)氣(qi)射流沖擊到(dao)鐵水表面產生大(da)(da)量鐵粒飛濺，即(ji)發(fa)生嚴重的(de)(de)(de)噴(pen)濺現(xian)象(xiang)。為(wei)解(jie)決這(zhe)個問題開發(fa)出可以抑制(zhi)噴(pen)濺現(xian)象(xiang)的(de)(de)(de)新(xin)型氧(yang)槍(qiang)(qiang)(qiang)。傳統(tong)氧(yang)槍(qiang)(qiang)(qiang)槍(qiang)(qiang)(qiang)頭有(you)排列(lie)成與(yu)槍(qiang)(qiang)(qiang)頭圓(yuan)周成同心圓(yuan)的(de)(de)(de)4-6個直徑相同、傾(qing)角相同的(de)(de)(de)噴(pen)嘴(zui)，這(zhe)種氧(yang)槍(qiang)(qiang)(qiang)吹(chui)(chui)入的(de)(de)(de)氧(yang)氣(qi)射流會發(fa)生相互干擾(rao)，導致大(da)(da)量鐵水顆粒飛濺。基于對(dui)傳統(tong)氧(yang)槍(qiang)(qiang)(qiang)問題的(de)(de)(de)分析，新(xin)開發(fa)的(de)(de)(de)氧(yang)槍(qiang)(qiang)(qiang)槍(qiang)(qiang)(qiang)頭是由不同直徑、不同傾(qing)角呈插(cha)花式排列(lie)的(de)(de)(de)噴(pen)嘴(zui)構成的(de)(de)(de)。這(zhe)種噴(pen)嘴(zui)的(de)(de)(de)配置避免了氧(yang)氣(qi)射流的(de)(de)(de)互相干擾(rao)，最大(da)(da)限度地降低(di)了鐵水的(de)(de)(de)噴(pen)濺量。
隨著鐵水液面上射流重疊(die)率的(de)(de)(de)減少，噴(pen)濺量以(yi)指(zhi)數關(guan)系(xi)下降。此外，還(huan)對新型(xing)氧槍高(gao)、低(di)傾角噴(pen)嘴(zui)的(de)(de)(de)直(zhi)徑(jing)比與噴(pen)濺量的(de)(de)(de)關(guan)系(xi)進(jin)行了(le)研究，實驗(yan)是在(zai)水力模(mo)型(xing)裝置和(he)2t實驗(yan)轉爐(lu)中進(jin)行的(de)(de)(de)。高(gao)傾角噴(pen)嘴(zui)直(zhi)徑(jing)和(he)低(di)傾角噴(pen)嘴(zui)直(zhi)徑(jing)，并將(jiang)D2/D1=1時(shi)的(de)(de)(de)噴(pen)濺量作(zuo)為基準值，對噴(pen)濺量進(jin)行了(le)指(zhi)數化(hua)處理。
上述的(de)實驗(yan)結果(guo)在(zai)實驗(yan)轉(zhuan)(zhuan)爐(lu)(lu)上也得到了驗(yan)證，隨(sui)后這(zhe)種(zhong)新(xin)(xin)型(xing)氧槍(qiang)(qiang)很快在(zai)轉(zhuan)(zhuan)爐(lu)(lu)生產上得到應用(yong)。結果(guo)表明，即使在(zai)5.0Nm3/min的(de)高速供氧條件下，也未出現(xian)鐵水(shui)顆粒(li)附著在(zai)氧槍(qiang)(qiang)和爐(lu)(lu)體引起的(de)操作故(gu)障(zhang)。傳統轉(zhuan)(zhuan)爐(lu)(lu)法的(de)脫碳吹煉時間(jian)約(yue)為20min，和歌山新(xin)(xin)鋼廠脫碳爐(lu)(lu)的(de)吹煉時間(jian)縮(suo)短到9min。
2.2 高速吹煉控制技術
由(you)于(yu)提(ti)高供氧速(su)度縮短了(le)吹煉(lian)時間，相應地(di)要求縮短吹煉(lian)終(zhong)點溫度和(he)終(zhong)點碳含量的控制時間。
在傳(chuan)統方法中，用副槍(qiang)(qiang)測定(ding)(ding)吹(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)煉(lian)終點(dian)溫度(du)和(he)(he)終點(dian)碳(tan)含量，因此要(yao)進行(xing)取(qu)(qu)(qu)樣，然后(hou)根(gen)據取(qu)(qu)(qu)樣測定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)溫度(du)和(he)(he)［C］進行(xing)數學模型(xing)計(ji)算(suan)(suan)，根(gen)據計(ji)算(suan)(suan)結(jie)果停(ting)止吹(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)煉(lian)。吹(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)煉(lian)停(ting)止后(hou)再次用副槍(qiang)(qiang)測定(ding)(ding)溫度(du)和(he)(he)［C］，合格后(hou)出鋼(gang)。在出鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)最初階段要(yao)根(gen)據吹(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)煉(lian)時取(qu)(qu)(qu)樣分析(xi)的(de)(de)(de)(de)［P］分析(xi)值(zhi)，進行(xing)是(shi)否(fou)繼續(xu)出鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)判斷。為(wei)完(wan)成這些操作(zuo)，必須在吹(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)煉(lian)結(jie)束前(qian)約(yue)120s，進行(xing)吹(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)煉(lian)末期(qi)的(de)(de)(de)(de)副槍(qiang)(qiang)取(qu)(qu)(qu)樣測定(ding)(ding)。吹(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)煉(lian)結(jie)束前(qian)約(yue)120s，對于吹(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)煉(lian)時間為(wei)20min的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)統吹(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)煉(lian)來說(shuo)相當于完(wan)成了90%的(de)(de)(de)(de)吹(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)煉(lian)過(guo)程，而對于吹(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)煉(lian)時間為(wei)9min的(de)(de)(de)(de)高速(su)吹(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)煉(lian)來說(shuo)相當于完(wan)成78%的(de)(de)(de)(de)吹(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)煉(lian)過(guo)程。因此，在高速(su)吹(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)(chui)煉(lian)情(qing)況(kuang)下，采用傳(chuan)統控制方法必然會大大增加脫碳(tan)量模型(xing)預測值(zhi)的(de)(de)(de)(de)誤差。
基于(yu)這(zhe)種分(fen)析，開(kai)發出適用于(yu)高(gao)速(su)吹(chui)(chui)煉的(de)改進型控制(zhi)方法(fa)(fa)。在改進型控制(zhi)方法(fa)(fa)中，由于(yu)采用［C］和(he)溫(wen)度預測的(de)動態模型，提(ti)高(gao)了預測的(de)準確性，可以(yi)(yi)省略吹(chui)(chui)煉結束時［C］和(he)溫(wen)度的(de)測定(ding)。此(ci)外，由于(yu)鐵水脫磷的(de)穩定(ding)性，不必(bi)通過取(qu)樣分(fen)析判(pan)斷(duan)是否繼續出鋼，可以(yi)(yi)使吹(chui)(chui)煉中副(fu)槍的(de)動態測定(ding)時間接近吹(chui)(chui)煉過程的(de)90%，即在吹(chui)(chui)煉結束前(qian)約60s完成。
在傳統模型(xing)中，吹煉末期過氧化渣(zha)中的(de)(de)(de)(de)［O］含(han)量(liang)(liang)和(he)鋼(gang)(gang)水(shui)中的(de)(de)(de)(de)［C］含(han)量(liang)(liang)，是沒有(you)考慮出鋼(gang)(gang)結(jie)束之前脫碳量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)值，因(yin)(yin)此(ci)，出鋼(gang)(gang)后(hou)鋼(gang)(gang)中［C］含(han)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)預測值有(you)波動。在新開發方(fang)法的(de)(de)(de)(de)副槍測定時(shi)，除了(le)進行傳統的(de)(de)(de)(de)碳濃(nong)度(du)和(he)溫度(du)測定，還(huan)可(ke)以測定熔(rong)渣(zha)中的(de)(de)(de)(de)氧濃(nong)度(du)，并將熔(rong)渣(zha)氧濃(nong)度(du)輸送給動態(tai)模型(xing)，因(yin)(yin)此(ci)，提高了(le)出鋼(gang)(gang)結(jie)束時(shi)鋼(gang)(gang)中［C］含(han)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)預測準確(que)性。
2.3 脫碳爐的處理(li)周期時間
由于采用(yong)了上(shang)述的高速(su)供(gong)氧技術和高速(su)吹煉技術，和歌山新煉鋼廠脫碳(tan)爐的處理周期時間為(wei)20min，其中，送入鐵水4min、吹煉9min、出(chu)鋼5min、放渣和補爐2min。
3 多功能二次精(jing)煉法
轉(zhuan)爐(lu)(lu)脫(tuo)(tuo)(tuo)碳吹煉后(hou)(hou)鋼(gang)水(shui)(shui)的(de)硫(liu)(liu)含量(liang)雖然已經降到30ppm，但是(shi)(shi)(shi)高(gao)(gao)純度(du)鋼(gang)（高(gao)(gao)性能(neng)油井管）對硫(liu)(liu)含量(liang)的(de)要(yao)求(qiu)是(shi)(shi)(shi)10ppm以(yi)下，最(zui)好是(shi)(shi)(shi)5ppm以(yi)下。為(wei)達到這(zhe)(zhe)(zhe)種要(yao)求(qiu)，傳統的(de)做(zuo)法(fa)(fa)是(shi)(shi)(shi)，轉(zhuan)爐(lu)(lu)出鋼(gang)后(hou)(hou)在(zai)鋼(gang)包內(nei)進行脫(tuo)(tuo)(tuo)硫(liu)(liu)處(chu)理(li)。處(chu)理(li)方法(fa)(fa)是(shi)(shi)(shi)，將噴槍(qiang)深入(ru)(ru)鋼(gang)水(shui)(shui)中(zhong)(zhong)(zhong)，利(li)用Ar氣(qi)(qi)從噴槍(qiang)口(kou)將脫(tuo)(tuo)(tuo)硫(liu)(liu)劑(ji)吹入(ru)(ru)鋼(gang)水(shui)(shui)進行脫(tuo)(tuo)(tuo)硫(liu)(liu)。由于(yu)(yu)粉狀脫(tuo)(tuo)(tuo)硫(liu)(liu)劑(ji)陷入(ru)(ru)Ar氣(qi)(qi)氣(qi)(qi)泡內(nei)，所(suo)以(yi)不能(neng)保證(zheng)鋼(gang)水(shui)(shui)和(he)脫(tuo)(tuo)(tuo)硫(liu)(liu)劑(ji)之間有足夠的(de)脫(tuo)(tuo)(tuo)硫(liu)(liu)反應面(mian)積，影(ying)響了脫(tuo)(tuo)(tuo)硫(liu)(liu)速度(du)的(de)提(ti)高(gao)(gao)，因此要(yao)投入(ru)(ru)大(da)量(liang)脫(tuo)(tuo)(tuo)硫(liu)(liu)劑(ji)。由于(yu)(yu)脫(tuo)(tuo)(tuo)硫(liu)(liu)后(hou)(hou)要(yao)進行脫(tuo)(tuo)(tuo)氣(qi)(qi)處(chu)理(li)，所(suo)以(yi)，必須在(zai)脫(tuo)(tuo)(tuo)硫(liu)(liu)后(hou)(hou)將大(da)量(liang)的(de)脫(tuo)(tuo)(tuo)硫(liu)(liu)渣排出。這(zhe)(zhe)(zhe)樣(yang)就增加了脫(tuo)(tuo)(tuo)硫(liu)(liu)時間，并(bing)且鋼(gang)水(shui)(shui)溫度(du)降低造成(cheng)能(neng)量(liang)的(de)損失(shi)。此外，由于(yu)(yu)是(shi)(shi)(shi)在(zai)大(da)氣(qi)(qi)壓條(tiao)件下進行攪(jiao)拌操作，大(da)氣(qi)(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)氮會(hui)溶入(ru)(ru)鋼(gang)中(zhong)(zhong)(zhong)，這(zhe)(zhe)(zhe)樣(yang)，也(ye)會(hui)對鋼(gang)材性能(neng)產(chan)(chan)生不利(li)影(ying)響。為(wei)解決傳統方法(fa)(fa)中(zhong)(zhong)(zhong)存(cun)在(zai)的(de)這(zhe)(zhe)(zhe)些問(wen)題，實現(xian)高(gao)(gao)效率生產(chan)(chan)低氮低硫(liu)(liu)鋼(gang)，開發出多功(gong)能(neng)二次精煉法(fa)(fa)。這(zhe)(zhe)(zhe)種精煉法(fa)(fa)是(shi)(shi)(shi)在(zai)真空條(tiao)件下進行，對鋼(gang)水(shui)(shui)處(chu)理(li)的(de)主工(gong)序RH爐(lu)(lu)附加了脫(tuo)(tuo)(tuo)硫(liu)(liu)功(gong)能(neng)，使脫(tuo)(tuo)(tuo)氣(qi)(qi)和(he)脫(tuo)(tuo)(tuo)硫(liu)(liu)在(zai)同一個(ge)工(gong)序完(wan)成(cheng)，實現(xian)工(gong)藝流(liu)程的(de)緊湊化。
RH附加脫硫(liu)(liu)(liu)(liu)功能(neng)采用(yong)的(de)不(bu)是(shi)從鋼(gang)水(shui)內(nei)部輸入，而是(shi)從爐子(zi)上面(mian)將脫硫(liu)(liu)(liu)(liu)劑(ji)吹入鋼(gang)水(shui)表面(mian)的(de)方法(fa)。被吹入的(de)脫硫(liu)(liu)(liu)(liu)劑(ji)接觸到真空條(tiao)件下(xia)的(de)鋼(gang)水(shui)面(mian)后(hou)在進入鋼(gang)水(shui)內(nei)部時，不(bu)會陷入Ar氣氣泡內(nei)，從而保證了足夠的(de)脫硫(liu)(liu)(liu)(liu)反應面(mian)積，大(da)大(da)提高了脫硫(liu)(liu)(liu)(liu)速(su)度，可以實(shi)現很低的(de)終點硫(liu)(liu)(liu)(liu)含(han)量。由于脫硫(liu)(liu)(liu)(liu)劑(ji)用(yong)量很少，所以脫硫(liu)(liu)(liu)(liu)后(hou)不(bu)需要(yao)進行物理除渣操作，因此(ci)溫度下(xia)降(jiang)少，熱能(neng)損失小。
過去(qu)曾認為，在真(zhen)空條件(jian)下頂吹粉(fen)劑(ji)會被真(zhen)空排氣泵吸走，不能發揮有效的(de)(de)作(zuo)用。但RH附加脫硫法(fa)開發的(de)(de)噴(pen)粉(fen)技(ji)術對噴(pen)槍的(de)(de)噴(pen)嘴形狀進(jin)行(xing)了改造，使粉(fen)劑(ji)和粉(fen)劑(ji)載體形成強(qiang)力射流，可以無損失地(di)將粉(fen)劑(ji)吹到鋼(gang)水表面。實(shi)驗證明(ming)，頂吹粉(fen)劑(ji)的(de)(de)方法(fa)可以達到高純度鋼(gang)的(de)(de)硫、氮含(han)量(liang)要求，從而(er)可以冶(ye)煉高級鋼(gang)，且熱能損失也(ye)降(jiang)低到傳統方法(fa)的(de)(de)1/2。