煉鋼室 史曉容
【摘 要】介紹了鐵水預(yù)處理工藝發(fā)展過程，通過對鐵水預(yù)處理方法和效果的比較與分析，闡明了鐵水預(yù)處理在我國鋼鐵生產(chǎn)中的重要地位，優(yōu)先推薦采用鐵水罐頂噴鎂基鐵水脫硫和采用轉(zhuǎn)爐法鐵水脫磷。
【關(guān)鍵詞】鐵水預(yù)處理 純凈鋼 鎂基脫硫 轉(zhuǎn)爐脫磷
1 前言
我國鋼產(chǎn)量從1996 年起實(shí)現(xiàn)了超億噸的歷史性突破，并躍居世界第一，據(jù)估計(jì)至2002 年仍繼續(xù)保持這一優(yōu)勢，成為名符其實(shí)的鋼鐵生產(chǎn)大國。然而，我國鋼鐵工業(yè)在生產(chǎn)工藝、裝備、鋼材品種、質(zhì)量、成本、高附加值產(chǎn)品方面與發(fā)達(dá)國家相比還存在很大的差距，還不能稱為鋼鐵生產(chǎn)強(qiáng)國。
中國加入WTO 后，鋼鐵工業(yè)成為第一個(gè)全面對外開放的行業(yè)，所面臨的是全球鋼鐵總量過剩、國際市場價(jià)格低于國內(nèi)市場價(jià)格、而市場急需的板材等高附加值產(chǎn)品還需大量進(jìn)口的局面。在世界經(jīng)濟(jì)走向一體化的今天，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展主要取決于產(chǎn)品質(zhì)量的提高、新品種的開發(fā)和綜合成本的降低。據(jù)《美國金屬市場報(bào)》報(bào)道：國際鋼協(xié)技術(shù)調(diào)查中的大部分被調(diào)查者都認(rèn)為加強(qiáng)成本競爭能力和質(zhì)量競爭能力是鋼廠具有競爭力的重要因素，同時(shí)認(rèn)為為了加強(qiáng)成本競爭能力，降低原料成本比減少二次加工成本更為重要。
鐵水預(yù)處理工藝經(jīng)過近四十年的發(fā)展，已成為完善和優(yōu)化整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)工藝流程、確保節(jié)能降耗、達(dá)到優(yōu)質(zhì)高效目標(biāo)的不可缺少的工藝環(huán)節(jié)，是大批量生產(chǎn)高純度鋼、降低普碳鋼生產(chǎn)成本和實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐少渣吹煉的關(guān)鍵性技術(shù)。在一些發(fā)達(dá)國家的鋼鐵廠，幾乎100％的鐵水都進(jìn)行了相應(yīng)的預(yù)處理。
2 鐵水預(yù)處理的主要方法
20 世紀(jì)60 年代，鐵水預(yù)處理的主要內(nèi)容是脫硫。到80 年代初，鐵水脫磷、脫硅開始進(jìn)入實(shí)用化階段。實(shí)施鐵水預(yù)處理，首先可以大幅度地減輕高爐的負(fù)擔(dān)，提高高爐的生產(chǎn)能力，還可相應(yīng)地減輕轉(zhuǎn)爐煉鋼的負(fù)擔(dān)，并能經(jīng)濟(jì)有效地生產(chǎn)出超低硫、低磷的優(yōu)質(zhì)鋼。隨著鐵水預(yù)處理工藝的不斷優(yōu)化與發(fā)展，在日本，鐵水脫硫、脫磷、脫硅已經(jīng)普遍用于生產(chǎn)普通鋼、低磷鋼和合金鋼。鐵水預(yù)處理已被公認(rèn)為是大批量生產(chǎn)高純度鋼、降低普碳鋼生產(chǎn)成本和實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐少渣吹煉的關(guān)鍵性技術(shù)。目前，在日本國內(nèi)各大鋼鐵公司已實(shí)現(xiàn)幾乎100％的鐵水脫磷、脫硫處理。
由于在鐵水中硅與氧的親和力比磷與氧的親和力強(qiáng)得多，鐵水脫磷前需先脫硅，因此現(xiàn)代的鐵水預(yù)處理技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為常說的“鐵水三脫”，即脫硅、脫磷、脫硫技術(shù)。
2.1 鐵水脫硅
鐵水爐外脫硅的目的之一是為了減少轉(zhuǎn)爐渣量，目的之二是為鐵水爐外脫磷創(chuàng)造有利條件。日本的有關(guān)研究表明，為了化渣和保障出鋼溫度，轉(zhuǎn)爐冶煉過程中有0.3％的Si就足夠了。超出的Si含量則是有害的，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的惡化。此外，為了提高脫磷效率，一般要求鐵水中的Si 含量≤0.15％。因此，各國特別是日本均在大力開發(fā)鐵水預(yù)脫硅技術(shù)。
目前比較成熟并廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的預(yù)脫硅方法為高爐出鐵場脫硅。而脫磷之前的混鐵車和鐵水罐內(nèi)脫硅只是作為在出鐵場達(dá)不到目標(biāo)硅條件下的補(bǔ)充手段。
2.2 鐵水脫硫
硫除了在易切鋼中能起到積極作用外，作為有害元素必須在冶煉過程中去除。高爐脫硫比轉(zhuǎn)爐脫硫容易，但高爐脫硫必須提高渣堿度，從而增加焦比，同時(shí)因低硫原料的日益匱乏及價(jià)格的不利變化，使得高爐脫硫在經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢已蕩然無存。轉(zhuǎn)爐煉鋼過程是個(gè)氧化過程，脫硫率低，一般僅為30％左右。
要求以低硫含量鋼水為條件的連鑄技術(shù)的迅速發(fā)展，使得目前大多數(shù)鋼種都要求平均含硫量在0.015％以下，對某些超純凈鋼硫的含量要求降到0.001％?？總鹘y(tǒng)的高爐、轉(zhuǎn)爐脫硫已難以滿足用戶對鋼的含硫量日趨嚴(yán)格的要求。另一方面，為適當(dāng)放寬高爐生產(chǎn)的鐵水含硫量和轉(zhuǎn)爐的少渣吹煉，提高生產(chǎn)能力、降低鋼鐵生產(chǎn)的綜合成本，使?fàn)t外脫硫工藝得到迅速發(fā)展。
鐵水爐外脫硫方法種類繁多，先后開發(fā)的工藝有搖包法、攪拌法、噴射法、吹入氣體攪拌法、鎂脫硫法和氣體提升法。目前廣泛用于生產(chǎn)的是噴吹法和機(jī)械攪拌法。噴吹法根據(jù)脫硫容器不同分為鐵水罐頂噴法和混鐵車噴吹法兩種。根據(jù)脫硫劑不同又分為石灰基和鎂基脫硫兩種方法。鎂基脫硫因其低成本和突出的脫硫效果，有取代石灰基脫硫的趨勢?；扈F車脫硫因其動(dòng)力學(xué)條件不如鐵水罐好，因此其脫硫效果相對較差。目前在我國（除寶鋼、武鋼三煉鋼外）普遍采用的脫硫方法是鐵水罐頂噴石灰基、鎂基脫硫法和KR 機(jī)械攪拌法。KR 法經(jīng)過多年的攻關(guān)、發(fā)展，隨著攪拌器的壽命和維修問題得到解決，目前也有推廣之勢。
由于鎂基脫硫可以將鐵水中的硫脫至任何需要的水平，如在極端情況下，將鐵水中的硫從0.07％ 脫至0.001％。當(dāng)Mg/CaO 的比例為1:4、脫硫處理的再現(xiàn)率為85％ ～95％時(shí)，其脫硫噴吹時(shí)間為12～ 15 分鐘，若采用Mg/CaC2 的鎂基復(fù)合脫硫劑處理，噴吹時(shí)間更短，完全能夠滿足轉(zhuǎn)爐車間的生產(chǎn)節(jié)奏要求。經(jīng)國內(nèi)外生產(chǎn)廠家的實(shí)踐證明， 目前鎂基（Mg/CaO 或Mg/CaC2）脫硫是優(yōu)選的脫硫方法。
2.3 鐵水脫磷
鐵水爐外脫磷始于80 年代初，是從冶煉低磷鋼（P≤0.01％）和復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉高碳鋼的需要發(fā)展起來的。隨著用戶對鋼質(zhì)量要求的不斷提高，鐵水爐外脫磷已成為大批量生產(chǎn)高純度鋼、降低普碳鋼生產(chǎn)成本和實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐少渣吹煉的必要手段，特別在日本，五大鋼鐵公司已接近實(shí)現(xiàn)100％的鐵水采用了爐外預(yù)脫磷處理的冶煉工藝。
鐵水爐外脫磷根據(jù)脫磷容器不同分為混鐵車脫磷、鐵水罐脫磷和轉(zhuǎn)爐法脫磷三種方法。
混鐵車脫磷在日本相當(dāng)普遍。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明：1)因動(dòng)力學(xué)條件不好，效果不如鐵水罐；2)噴吹過程車體震動(dòng)比較嚴(yán)重，需用傾斜噴槍或倒T形、十字形出口的特殊噴槍；3)罐口粘鐵嚴(yán)重，裝鐵量只有70％；4)倒渣時(shí)會(huì)同時(shí)倒出較多的鐵水。因此，這種方法一般很少采用。
鐵水罐脫磷與混鐵車相比，具有較好的動(dòng)力學(xué)條件，且排渣容易，不需要特殊的扒渣器，容量配備上可與轉(zhuǎn)爐一對一，還可與轉(zhuǎn)爐冶煉鋼種相對應(yīng)。在相同粉劑消耗下，鐵水罐脫磷的脫除率比混鐵車脫磷高5％左右，而且防濺問題也較好解決。因此鐵水罐脫磷逐漸取代了混鐵車脫磷。
采用混鐵車脫磷和鐵水罐脫磷，大多因容器形狀和容量的限制，脫磷周期往往較長，效果不太理想，設(shè)備維護(hù)工作量大，且環(huán)保問題不好解決。轉(zhuǎn)爐法脫磷因具有比較大的反應(yīng)空間，動(dòng)力學(xué)條件好，而且可以不用噴吹技術(shù)，可不進(jìn)行鐵水預(yù)脫硅（可放寬鐵水含Si 至0.4％），可在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)脫硅、磷、硫。轉(zhuǎn)爐法脫磷在日本用得非常普遍，目前日本五大鋼鐵公司在一些有條件的轉(zhuǎn)爐鋼廠多采用轉(zhuǎn)爐脫磷工藝。
新日鐵公司開發(fā)的轉(zhuǎn)爐脫磷工藝見圖1。
在ORP工藝中，根據(jù)生產(chǎn)條件和鋼種要求，吹I（脫磷）和吹II（脫碳）可在同一座轉(zhuǎn)爐內(nèi)完成，也可分別在兩座轉(zhuǎn)爐內(nèi)完成。當(dāng)吹I 和吹II 在同一座轉(zhuǎn)爐內(nèi)完成時(shí)，脫碳爐渣可回收利用作為下一爐的脫磷劑，以降低生產(chǎn)成本。用一座轉(zhuǎn)爐的方法主要用于生產(chǎn)普通鋼，用兩座轉(zhuǎn)爐的方法主要用于生產(chǎn)磷含量小于0.005％～0.01％的優(yōu)質(zhì)鋼。該工藝除了可回收利用脫碳爐渣，降低溶劑消耗外，同時(shí)還可增加約6％的廢鋼比。
圖2 為川崎公司開發(fā)的轉(zhuǎn)爐脫磷工藝。
轉(zhuǎn)爐脫磷（De-P）和脫碳（De-C）分別在兩座轉(zhuǎn)爐內(nèi)完成。脫碳爐渣經(jīng)冷卻處理后可返回脫磷爐作為脫磷劑回收利用。該工藝除了可回收利用脫碳爐渣，降低溶劑消耗外，同時(shí)還可加入約6.5％的廢鋼。
日本住友金屬公司在頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐中開發(fā)的鐵水脫磷工藝（SRP）允許用塊狀的轉(zhuǎn)爐渣（脫碳渣）作為鐵水的脫磷劑，以降低石灰消耗，同時(shí)也能有效地熔化還原錳礦石。不但處理周期短、溫度損失小，脫磷效果好，同時(shí)在處理過程中還可加入一定量的廢鋼。該公司通過在2t 實(shí)驗(yàn)爐和160 t、250 t 工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)爐上操作，取得了以下效果：
1)在鐵水脫磷過程中，10 分鐘內(nèi)將磷降至0.011％，并同時(shí)可加約7％的廢鋼；
2)利用脫磷后的鐵水， 極易生產(chǎn)磷小于0.010％的超低磷鋼；
3) 生產(chǎn)普通含磷鋼石灰消耗可降至10kg/t～18 kg/t；
4)在該工藝中，通過有效的熔化還原錳礦，可將鋼水的終點(diǎn)錳含量提高到1.5％。這使煉鋼中不加錳鐵的操作成為可能。
德國蒂森鋼鐵公司發(fā)明的轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉工藝（TBM），底吹透氣元件采用特殊的超音速噴嘴，具有較好的脫磷能力。經(jīng)在印度TATA鋼鐵廠130 t 轉(zhuǎn)爐上的生產(chǎn)實(shí)踐證明，在不改變常規(guī)轉(zhuǎn)爐吹煉工藝的條件下操作，可將鐵水中的磷從處理前的0.24％降到處理后的0.006％～0.01％。
綜上所述，轉(zhuǎn)爐脫磷無論在操作、消耗、效果方面都優(yōu)于混鐵車和鐵水罐脫磷。表1 為三種脫磷方法的比較。
3 鐵水預(yù)處理效果
隨著用戶對鋼質(zhì)量要求的日益提高，潔凈鋼的生產(chǎn)已成為國際上的發(fā)展趨勢。表2 為一些高潔凈鋼對硫、磷元素含量的要求。
要達(dá)到表2 所示的硫、磷含量，靠傳統(tǒng)的在高爐、轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過程中去除硫、磷是難以實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)上也是不合算的。必須采用經(jīng)濟(jì)有效的爐外處理方法來解決。
高爐因其還原工藝有較好的脫硫能力，但高爐采用高堿度生產(chǎn)低硫鐵水存在以下缺點(diǎn)：
1)高爐中高堿度要求加入更多的石灰，會(huì)使焦比增加；
2)爐缸內(nèi)大量的渣對高爐生產(chǎn)率帶來負(fù)面效應(yīng)；
3)高濃度的硅含量會(huì)消耗高爐中額外的能量，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致在煉鋼工序中增加溶劑消耗，降低鋼水收得率。
根據(jù)國外鋼廠的經(jīng)驗(yàn)，高爐采用低堿度生產(chǎn)不僅可避免上述問題，還可取得更多的效益。如高爐內(nèi)渣堿度降低0.2，將顯著降低焦比，減少渣量，降低鐵水溫度和硅含量，從而增加高爐產(chǎn)量；此外，高爐運(yùn)行平穩(wěn)，休風(fēng)率下降；結(jié)果使高爐的生產(chǎn)成本降低，節(jié)省4.5 美元/t鐵水。但鐵水含硫量增加了，需通過鐵水爐外脫硫工藝將其降低至煉鋼所需要的水平，采用鎂基脫硫?qū)㈣F水中的硫從0.07％脫至0.015％所需費(fèi)用為3.65 美元/t 鐵水。因此經(jīng)預(yù)處理后的鐵水成本比傳統(tǒng)高爐生產(chǎn)的鐵水低。大高爐長期生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)核算表明，鐵水爐外處理的費(fèi)用僅占高爐采用低堿度運(yùn)行所節(jié)省費(fèi)用的83％左右。
爐外脫硫可以將鐵水中的硫降低至任何需要的水平，可到0.001％。轉(zhuǎn)爐采用低硫鐵水冶煉，不僅可降低溶劑消耗，減少鐵損，提高金屬收得率，而且還可獲得平穩(wěn)的吹氧操作。煉鋼生產(chǎn)表明，金屬收得率的增加，溶劑消耗及其它方面的節(jié)省降低煉鋼生產(chǎn)成本3.41 美元/t 鋼。
因此，采用低堿度渣高爐操作結(jié)合鐵水爐外脫硫處理，其綜合效益是巨大的。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，與傳統(tǒng)煉鋼操作相比，可以達(dá)到噸鋼節(jié)省4.21 美元。
由于轉(zhuǎn)爐冶煉后期回磷，靠傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐冶煉達(dá)到純凈鋼對磷含量的要求已很困難。此外轉(zhuǎn)爐采用低磷鐵水冶煉具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1)降低溶劑消耗30％；
2)轉(zhuǎn)爐采用少渣操作，鋼水回磷減少，容易生產(chǎn)低磷鋼；
3)提高高碳鋼吹煉的終點(diǎn)命中率；
4)通過有效的熔化還原錳礦，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)錳含量可提高到1.5％。使在煉鋼中加錳鐵的操作成為可能，降低生產(chǎn)成本；
5)最終部分轉(zhuǎn)爐渣可返回作為脫磷劑，既降低成本，又減少對環(huán)境的污染。
因此可以斷定，經(jīng)濟(jì)有效的鐵水預(yù)處理工藝，不僅是鋼鐵企業(yè)提高質(zhì)量競爭力的重要基礎(chǔ)，也是加強(qiáng)成本競爭力的重要手段，是鋼鐵企業(yè)整個(gè)生產(chǎn)流程優(yōu)質(zhì)、高效、順行的保證。
4 結(jié)語
我國的爐外鐵水脫硫比1990 年為2％，1998 年為21％。鐵水脫磷僅寶鋼有混鐵車脫磷、太鋼有鐵水罐脫磷，梅山鋼鐵公司目前正在實(shí)施轉(zhuǎn)爐脫磷工程，鐵水預(yù)處理比率低，這與我國超億噸的鋼產(chǎn)量生產(chǎn)能力不相適應(yīng)。可以看出，與一些發(fā)達(dá)國家近100％的鐵水預(yù)處理相比，差距還很大。加入WTO 后，在競爭激烈、產(chǎn)能過剩、世界范圍的市場中，我國的鋼鐵工業(yè)要想占有一席之地，必須盡快推廣、發(fā)展鐵水預(yù)處理工藝，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、滿足消費(fèi)者的要求，增加高附加值產(chǎn)品如超低碳，低磷硫，超深沖鋼的生產(chǎn)。
鐵水罐頂噴鎂基脫硫法和轉(zhuǎn)爐脫磷工藝因其在處理效果、成本上的優(yōu)勢，在條件允許的情況下，應(yīng)擇優(yōu)選用，特別是在已有轉(zhuǎn)爐煉鋼廠，由于濺渣護(hù)爐等新技術(shù)的推廣應(yīng)用，使轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)潛力得到充分發(fā)揮，在轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能力有富裕的條件下，可酌情考慮采用轉(zhuǎn)爐脫磷工藝來降低企業(yè)的綜合生產(chǎn)成本。