日本鋼鐵礦冶煉中的鐵水預(yù)處理與鐵水三脫工藝

日本鋼鐵礦冶煉中的鐵水預(yù)處理與鐵水三脫工藝

一般來說，磷是鋼鐵產(chǎn)品中的有害雜質(zhì)，因此有必要盡可能少地去除它。鋼中含磷高時,會使鋼的塑性和韌性降低,即出現(xiàn)鋼的脆性現(xiàn)象,低溫時更加嚴(yán)重,通常稱之為冷脆。一般普通鋼中要求w(P)<0.045%,優(yōu)質(zhì)鋼中要求w(P)<0.03%,高級優(yōu)質(zhì)鋼中要求磷低于0.025%。比如為了防止奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的缺陷,鋼中的w(P)必須小于0.005%。只有在個別鋼中,磷才被作為合金元素,在鋼中要求有一定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。1日本鐵水罐或混鐵車鐵水“三脫”技術(shù)從20世紀(jì)70年代后期,鐵水預(yù)處理-轉(zhuǎn)爐-爐外精煉已成為轉(zhuǎn)爐煉鋼的優(yōu)化工藝線路。早在20世紀(jì)70年代末期至80年代初期,為了生產(chǎn)低磷、超低磷鋼種,日本各大鋼鐵公司相繼開發(fā)了鐵水罐或混鐵車鐵水“三脫”技術(shù)(脫硅、脫硫及脫磷),并均已投入了工業(yè)化生產(chǎn)。但是用混鐵車、鐵水罐脫磷工藝存在以下主要問題:鐵水脫磷后至兌入轉(zhuǎn)爐時溫降較大;鐵水所用脫硅脫磷劑消耗量大。鑒于鐵水罐、混鐵車脫硅、脫磷工藝存在的缺點,為了生產(chǎn)純凈鋼、超純凈鋼和提高鋼的質(zhì)量,適當(dāng)提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)率,降低生產(chǎn)成本,日本一些鋼廠于20世紀(jì)90年代中后期開發(fā)了在轉(zhuǎn)爐內(nèi)進行鐵水脫磷的方法和另座轉(zhuǎn)爐的脫碳工藝。1.1轉(zhuǎn)爐裝復(fù)吹工藝技術(shù)住友金屬鹿島廠于1987年4月開始采用簡易精煉工藝來進行鐵水預(yù)處理,稱之為SRP法,其在日本鋼管福山廠、新日鐵君津二煉、住友金屬和歌山廠獲得采用。SRP工藝核心是將轉(zhuǎn)爐冶煉功能分為脫磷和脫碳兩部分,2個轉(zhuǎn)爐分別進行脫磷和脫碳操作。脫碳爐產(chǎn)生的爐渣可作為脫磷爐的脫磷劑,從而減少石灰的消耗,達到穩(wěn)定而快速的精煉效果。1999年3月住友金屬和歌山廠2座210t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐采用SRP工藝,兌入轉(zhuǎn)爐鐵水w(P)為0.1%,經(jīng)脫磷后鐵水中w(P)降至0.01%。當(dāng)冶煉低磷鋼時,一般脫磷后鐵水中w(P)量至0.01%~0.02%。轉(zhuǎn)爐脫磷后出半成品,采用擋渣,因此進入鋼包中渣量減少,不需扒渣。但對冶煉w(P)<0.01%的鋼種需進行扒渣。該廠后建轉(zhuǎn)爐車間配置有帶頂槍并帶噴粉的RH裝置,可將鋼中碳、磷、氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到極低水平,從而實現(xiàn)了超純凈鋼生產(chǎn)的最佳工藝。NKK福山廠第三煉鋼廠于1995年3月將轉(zhuǎn)爐改為脫碳、脫磷兼用爐,工藝參數(shù)見表1。2座轉(zhuǎn)爐分別在爐役前半期進行脫碳煉鋼(大約4000爐),爐役后半期作為脫磷爐,2座轉(zhuǎn)爐交替使用,爐襯壽命約為8000爐。由于采用低磷鐵水使轉(zhuǎn)爐吹煉時間縮短約3min。此外,通過NKK福山廠的少渣冶煉技術(shù),使轉(zhuǎn)爐終點控制得到改善,幾乎可實現(xiàn)無取樣直接出鋼,從而提高了單座轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)能力;金屬收得率、轉(zhuǎn)爐爐襯壽命均有所提高;降低了生產(chǎn)成本。在高爐經(jīng)過脫硅的鐵水被送入轉(zhuǎn)爐型的脫磷爐后,加入塊狀的渣料,在復(fù)吹的條件下進行脫磷操作。加入的鐵水經(jīng)12min處理,磷可從最初的0.106%降為0.025%。NKK福山廠轉(zhuǎn)爐進行鐵水脫磷處理的操作條件如表2所示。進一步的研究表明,低硅鐵水脫磷時隨爐渣堿度的上升化渣情況不穩(wěn)定,處理后磷的波動較大。采用改進添加石灰的方法促進化渣,可使處理后w(P)<0.02%。脫磷處理特有的泡沫渣現(xiàn)象要求出鋼及排渣時需要一定的鎮(zhèn)靜時間。由于用低硅鐵水后渣量少,采取促進化渣的措施后脫磷處理的周期大幅度縮短,可擴大處理的鐵水量,減少煉鋼產(chǎn)生的渣量。新日鐵君津二煉鋼采用了轉(zhuǎn)爐脫磷工藝,轉(zhuǎn)爐排渣后進行脫碳,轉(zhuǎn)爐冶煉渣量可降低至30kg/t左右,石灰消耗量大幅度降低,同時也對鋼質(zhì)量亦有所提高并降低了生產(chǎn)成本。川崎制鐵采用的脫磷工藝中,氧槍槍位不變,頂?shù)籽鯕饬髁靠刂圃?00~700m3/min。在吹煉末期把供氧量降到很低,以使渣中w(TFe)保持較高值,碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低些;底部攪拌氣體控制在15m3/min。在造渣劑中加入石灰、螢石,轉(zhuǎn)爐脫碳渣經(jīng)處理后達到合格粒度供脫磷使用,提高了單座轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能力和鋼的質(zhì)量。韓國浦項公司技術(shù)研究所也在300t和100t的復(fù)吹轉(zhuǎn)爐上進行了鐵水脫磷預(yù)處理試驗,研究了該過程中鐵水成分的變化。認(rèn)為在浦項第二煉鋼廠采用TDS脫硫預(yù)處理的情況下,適于在轉(zhuǎn)爐內(nèi)鐵水脫磷預(yù)處理。經(jīng)脫磷后的鐵水可用來生產(chǎn)w(P)小于0.004%的超低磷鋼。SRP工藝的主要特點如下。(1)提高渣、鐵水脫磷能力其轉(zhuǎn)爐容量大,形狀好,有充分的反應(yīng)空間,強烈的熔池攪拌可加快爐渣與鐵水的反應(yīng)速度,并可消除鐵水和爐渣間的溫度差(30~50℃),使脫磷能力得到增強。且復(fù)吹的脫磷爐可用廉價的脫磷劑進行快速處理,在10min的處理時間內(nèi),可得到w(P)<0.02%的低磷鐵水。(2)提高爐渣用量,減輕爐渣用量,提高爐渣用量,減少爐渣用量,減輕爐渣量減少,提高爐渣用量,減少爐渣用量,減輕爐渣量減少,提高爐渣用量,減輕爐渣量減少,降低爐渣量減少,減少轉(zhuǎn)爐渣量減少,減輕爐渣量由于鐵水分別在兩轉(zhuǎn)爐進行脫磷和脫碳,所以只有脫磷轉(zhuǎn)爐需要合適的爐渣用于脫磷,脫碳爐可無渣或少渣冶煉。脫磷爐在低溫階段的單一脫磷效率高,爐渣用量也比常規(guī)冶煉的要低。如NKK福山三煉鋼300t轉(zhuǎn)爐采用雙聯(lián)法冶煉工藝,即1個轉(zhuǎn)爐脫磷,1個轉(zhuǎn)爐脫碳,爐渣量減少效果明顯,轉(zhuǎn)爐脫磷渣量噸鐵20kg,轉(zhuǎn)爐脫碳渣量噸鋼8kg,與常規(guī)工藝相比,此工藝冶煉一般鋼種時,石灰的用量可減少一半。且脫碳爐的爐渣可直接返回給脫磷爐使用,這對綜合利用爐渣、改善環(huán)境和降低成本是很有益的。(3)脫磷吹氧時間由于轉(zhuǎn)爐的功能專一化,使每爐吹氧時間大大縮短。如NKK福山三煉鋼300t轉(zhuǎn)爐脫磷吹氧時間8~10min,脫碳吹氧時間11~13min,同傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐法煉鋼相比,時間縮短3~4min。通過降低爐渣生成量,改善了吹煉終點的控制,使每一爐取樣次數(shù)減少,同樣也直接縮短了出鋼時間。(4)提高換爐的槽齡由于SRP工藝生產(chǎn)節(jié)奏快,冶煉時間縮短,使熱循環(huán)得到改善,轉(zhuǎn)爐爐底部位剝落減輕,大大提高轉(zhuǎn)爐的爐齡。(5)錳礦作鋼合金脫磷轉(zhuǎn)爐的少渣冶煉,有利于錳的還原,提高錳的利用率,所以可用錳礦來替代錳鐵合金,對高錳鋼、超低磷鋼、純凈鋼等的冶煉優(yōu)越性尤為突出。(6)與傳統(tǒng)路線相比，srp的生產(chǎn)路線非常復(fù)雜但是轉(zhuǎn)爐脫磷工藝操作時間縮短,設(shè)備費用和人員費用大大降低。充分利用鐵水熱能,使成本下降,經(jīng)濟效益突出。1.2處理條件及水質(zhì)新日鐵名古屋廠于1989年12月開始在轉(zhuǎn)爐內(nèi)進行鐵水的脫硅、脫磷、脫硫處理,處理鐵水的比例達98%以上。采用在鐵水包內(nèi)脫硫、在轉(zhuǎn)爐內(nèi)脫磷,脫磷處理時間約10min,排渣后進行脫碳的工藝,和原用的鐵水預(yù)處理工藝相比,該工藝可提高廢鋼比、減少渣量和石灰消耗量,大幅度降低生產(chǎn)成本。該廠的處理條件如下:爐容量為290t;頂吹氣體流量為25000m3/h;鐵水比為86%~100%;脫磷處理氧單耗為8~12m3/t,氣氧比為60%~95%,頂吹氧強度為0.05~0.1m3/(t·min),底吹粉為渣料CaCO370~300kg/min,N2為0.05~0.1m3/(t·min),頂加渣料CaO為6~10kg/t,CaF2為0~2kg/t;脫硫處理底吹的渣料CaO+Na2CO3為300~700kg/min,N2為0.05~0.1m3/(t·min)。1.3f-msrc工藝的脫硅及脫磷能力日本新日鐵公司室蘭廠為了充分利用轉(zhuǎn)爐富余的生產(chǎn)能力開發(fā)了多功能轉(zhuǎn)爐法(MURC),即轉(zhuǎn)爐裝入鐵水后,頂吹氧氣進行高速的脫硅、脫磷操作,然后進行中間排渣,將脫硅、脫磷過程中生成的爐渣從轉(zhuǎn)爐中倒掉,最后對爐內(nèi)留下的鐵水直接進行脫碳吹煉。采用MURC工藝,脫硅、脫磷時間大幅度縮短,要求在10~15min達到與魚雷車相同的處理能力,與其他工藝流程比較如表3所示。為進一步的加強MURC工藝的脫磷能力,該廠又開發(fā)了名為F-MURC(FlexibleMURC)的工藝,即全部鐵水在脫磷后倒入鋼包,以排出爐內(nèi)的爐渣,最后將鐵水返回轉(zhuǎn)爐內(nèi)進行脫磷的方法。用F-MURC法時,雖然延長了轉(zhuǎn)爐內(nèi)的周期時間,由于全部脫磷渣都已排除,減少了脫碳時爐內(nèi)的w(P),脫磷能力也得到了提高。以該廠為例,使用MURC生產(chǎn),當(dāng)停吹w(C)>0.5%時,平均w(P)為0.01%,最大w(P)達到0.014%;而當(dāng)采用F-MURC時,即使停吹w(C)>0.5%,脫碳后停吹時鋼中平均w(P)僅為0.007%,最大w(P)≤0.01%,同時渣量減少了約15%。2轉(zhuǎn)爐預(yù)處理雙渣法在鋼鐵業(yè)上的應(yīng)用效果經(jīng)過幾十年的發(fā)展,轉(zhuǎn)爐脫磷工藝已經(jīng)取得了較大的技術(shù)進步。轉(zhuǎn)爐脫磷工藝具有轉(zhuǎn)爐容積大、反應(yīng)速度快、效率高、可節(jié)省造渣劑的用量、并且吹氧量較大時也不易發(fā)生嚴(yán)重的噴濺等優(yōu)點,有利于生產(chǎn)超低磷鋼,尤其是中高碳的超低磷鋼?，F(xiàn)在常見的轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷技術(shù)有:轉(zhuǎn)爐大渣量、雙渣脫磷、轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)脫磷及轉(zhuǎn)爐預(yù)脫磷等,這些技術(shù)紛紛在生產(chǎn)應(yīng)用中取得了良好的效果,但是單對脫磷而言,雙渣法效果明顯優(yōu)于單渣法,轉(zhuǎn)爐預(yù)處理雙渣法脫磷高達90%左右,但另一方面又存在著轉(zhuǎn)爐熱量損失和冶煉周期延長等缺點。日本的一些鋼鐵企業(yè)利用轉(zhuǎn)爐進行預(yù)處理脫磷,達到了較好的效果,對我國鋼鐵業(yè)的發(fā)展和前進方向具有一定的借鑒和啟發(fā)作用。我國各地鋼鐵企業(yè)發(fā)展情況不盡相同,應(yīng)根據(jù)各自的客觀條件和目標(biāo)要求綜合分析確定。2002年,寶鋼一煉鋼2號300t轉(zhuǎn)爐應(yīng)用轉(zhuǎn)爐脫磷工藝、少渣冶煉技術(shù)成功冶煉出第一爐成分合格的超低磷鋼。攀鋼提出的在轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)加入復(fù)合脫磷劑的新型轉(zhuǎn)爐預(yù)處理單渣法使用后脫磷率達到89.40%,且能夠?qū)崿F(xiàn)成品w(P)≤0.015%,同時無需二次造渣和加大渣量,既有利于降低轉(zhuǎn)爐熱損,又縮短了低磷鋼的冶煉周期。已經(jīng)成功投入生產(chǎn)的寶鋼一煉鋼300t轉(zhuǎn)爐采用轉(zhuǎn)爐脫磷、少渣冶煉工藝,與混鐵車脫磷相比,具有工藝合理、技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)好等優(yōu)點,而且工程投資僅為混鐵車脫磷的八分之一,為今后寶鋼生產(chǎn)超低磷鋼、管線鋼及生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)寬厚板連鑄坯提供了有利的技術(shù)裝備條件?；谵D(zhuǎn)爐脫磷工藝的優(yōu)點,包鋼、太鋼二鋼等廠也開展了轉(zhuǎn)爐脫磷的工業(yè)試驗,取得了一定的成效。3轉(zhuǎn)爐鋼板單一化技術(shù)的發(fā)展轉(zhuǎn)爐脫磷工藝在各國冶