煉鋼室 史曉容
【摘 要】介紹了鐵水預處理工藝發展過程，通過對鐵水預處理方法和效果的比較與分析，闡明了鐵水預處理在我國鋼鐵生產中的重要地位，優先推薦采用鐵水罐頂噴鎂基鐵水脫硫和采用轉爐法鐵水脫磷。
【關鍵詞】鐵水預處理 純凈鋼 鎂基脫硫 轉爐脫磷
1 前言
我國鋼產量從1996 年起實現了超億噸的歷史性突破，并躍居世界第一，據估計至2002 年仍繼續保持這一優勢，成為名符其實的鋼鐵生產大國。然而，我國鋼鐵工業在生產工藝、裝備、鋼材品種、質量、成本、高附加值產品方面與發達國家相比還存在很大的差距，還不能稱為鋼鐵生產強國。
中國加入WTO 后，鋼鐵工業成為第一個全面對外開放的行業，所面臨的是全球鋼鐵總量過剩、國際市場價格低于國內市場價格、而市場急需的板材等高附加值產品還需大量進口的局面。在世界經濟走向一體化的今天，鋼鐵工業的發展主要取決于產品質量的提高、新品種的開發和綜合成本的降低。據《美國金屬市場報》報道：國際鋼協技術調查中的大部分被調查者都認為加強成本競爭能力和質量競爭能力是鋼廠具有競爭力的重要因素，同時認為為了加強成本競爭能力，降低原料成本比減少二次加工成本更為重要。
鐵水預處理工藝經過近四十年的發展，已成為完善和優化整個鋼鐵生產工藝流程、確保節能降耗、達到優質高效目標的不可缺少的工藝環節，是大批量生產高純度鋼、降低普碳鋼生產成本和實現轉爐少渣吹煉的關鍵性技術。在一些發達國家的鋼鐵廠，幾乎100％的鐵水都進行了相應的預處理。
2 鐵水預處理的主要方法
20 世紀60 年代，鐵水預處理的主要內容是脫硫。到80 年代初，鐵水脫磷、脫硅開始進入實用化階段。實施鐵水預處理，首先可以大幅度地減輕高爐的負擔，提高高爐的生產能力，還可相應地減輕轉爐煉鋼的負擔，并能經濟有效地生產出超低硫、低磷的優質鋼。隨著鐵水預處理工藝的不斷優化與發展，在日本，鐵水脫硫、脫磷、脫硅已經普遍用于生產普通鋼、低磷鋼和合金鋼。鐵水預處理已被公認為是大批量生產高純度鋼、降低普碳鋼生產成本和實現轉爐少渣吹煉的關鍵性技術。目前，在日本國內各大鋼鐵公司已實現幾乎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得多，鐵水脫磷前需先脫硅，因此現代的鐵水預處理技術已經發展成為常說的“鐵水三脫”，即脫硅、脫磷、脫硫技術。
2.1 鐵水脫硅
鐵水爐外脫硅的目的之一是為了減少轉爐渣量，目的之二是為鐵水爐外脫磷創造有利條件。日本的有關研究表明，為了化渣和保障出鋼溫度，轉爐冶煉過程中有0.3％的Si就足夠了。超出的Si含量則是有害的，會導致轉爐技術經濟指標的惡化。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鐵水預脫硅技術。
目前比較成熟并廣泛應用于工業生產中的預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脫硅只是作為在出鐵場達不到目標硅條件下的補充手段。
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，同時因低硫原料的日益匱乏及價格的不利變化，使得高爐脫硫在經濟上的優勢已蕩然無存。轉爐煉鋼過程是個氧化過程，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的迅速發展，使得目前大多數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％。靠傳統的高爐、轉爐脫硫已難以滿足用戶對鋼的含硫量日趨嚴格的要求。另一方面，為適當放寬高爐生產的鐵水含硫量和轉爐的少渣吹煉，提高生產能力、降低鋼鐵生產的綜合成本，使爐外脫硫工藝得到迅速發展。
鐵水爐外脫硫方法種類繁多，先后開發的工藝有搖包法、攪拌法、噴射法、吹入氣體攪拌法、鎂脫硫法和氣體提升法。目前廣泛用于生產的是噴吹法和機械攪拌法。噴吹法根據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。混鐵車脫硫因其動力學條件不如鐵水罐好，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 機械攪拌法。KR 法經過多年的攻關、發展，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Mg/CaO 的比例為1:4、脫硫處理的再現率為85％ ～95％時，其脫硫噴吹時間為12～ 15 分鐘，若采用Mg/CaC2 的鎂基復合脫硫劑處理，噴吹時間更短，完全能夠滿足轉爐車間的生產節奏要求。經國內外生產廠家的實踐證明， 目前鎂基（Mg/CaO 或Mg/CaC2）脫硫是優選的脫硫方法。
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％）和復吹轉爐冶煉高碳鋼的需要發展起來的。隨著用戶對鋼質量要求的不斷提高，鐵水爐外脫磷已成為大批量生產高純度鋼、降低普碳鋼生產成本和實現轉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現100％的鐵水采用了爐外預脫磷處理的冶煉工藝。
鐵水爐外脫磷根據脫磷容器不同分為混鐵車脫磷、鐵水罐脫磷和轉爐法脫磷三種方法。
混鐵車脫磷在日本相當普遍。經生產實踐證明：1)因動力學條件不好，效果不如鐵水罐；2)噴吹過程車體震動比較嚴重，需用傾斜噴槍或倒T形、十字形出口的特殊噴槍；3)罐口粘鐵嚴重，裝鐵量只有70％；4)倒渣時會同時倒出較多的鐵水。因此，這種方法一般很少采用。
鐵水罐脫磷與混鐵車相比，具有較好的動力學條件，且排渣容易，不需要特殊的扒渣器，容量配備上可與轉爐一對一，還可與轉爐冶煉鋼種相對應。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，設備維護工作量大，且環保問題不好解決。轉爐法脫磷因具有比較大的反應空間，動力學條件好，而且可以不用噴吹技術，可不進行鐵水預脫硅（可放寬鐵水含Si 至0.4％），可在短期內實現脫硅、磷、硫。轉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爐鋼廠多采用轉爐脫磷工藝。
新日鐵公司開發的轉爐脫磷工藝見圖1。
在ORP工藝中，根據生產條件和鋼種要求，吹I（脫磷）和吹II（脫碳）可在同一座轉爐內完成，也可分別在兩座轉爐內完成。當吹I 和吹II 在同一座轉爐內完成時，脫碳爐渣可回收利用作為下一爐的脫磷劑，以降低生產成本。用一座轉爐的方法主要用于生產普通鋼，用兩座轉爐的方法主要用于生產磷含量小于0.005％～0.01％的優質鋼。該工藝除了可回收利用脫碳爐渣，降低溶劑消耗外，同時還可增加約6％的廢鋼比。
圖2 為川崎公司開發的轉爐脫磷工藝。
轉爐脫磷（De-P）和脫碳（De-C）分別在兩座轉爐內完成。脫碳爐渣經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，同時還可加入約6.5％的廢鋼。
日本住友金屬公司在頂底復吹轉爐中開發的鐵水脫磷工藝（SRP）允許用塊狀的轉爐渣（脫碳渣）作為鐵水的脫磷劑，以降低石灰消耗，同時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，同時在處理過程中還可加入一定量的廢鋼。該公司通過在2t 實驗爐和160 t、250 t 工業生產轉爐上操作，取得了以下效果：
1)在鐵水脫磷過程中，10 分鐘內將磷降至0.011％，并同時可加約7％的廢鋼；
2)利用脫磷后的鐵水， 極易生產磷小于0.010％的超低磷鋼；
3) 生產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明的轉爐頂底復合吹煉工藝（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。經在印度TATA鋼鐵廠130 t 轉爐上的生產實踐證明，在不改變常規轉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，轉爐脫磷無論在操作、消耗、效果方面都優于混鐵車和鐵水罐脫磷。表1 為三種脫磷方法的比較。
3 鐵水預處理效果
隨著用戶對鋼質量要求的日益提高，潔凈鋼的生產已成為國際上的發展趨勢。表2 為一些高潔凈鋼對硫、磷元素含量的要求。
要達到表2 所示的硫、磷含量，靠傳統的在高爐、轉爐生產過程中去除硫、磷是難以實現的，同時在經濟上也是不合算的。必須采用經濟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低硫鐵水存在以下缺點：
1)高爐中高堿度要求加入更多的石灰，會使焦比增加；
2)爐缸內大量的渣對高爐生產率帶來負面效應；
3)高濃度的硅含量會消耗高爐中額外的能量，同時也會導致在煉鋼工序中增加溶劑消耗，降低鋼水收得率。
根據國外鋼廠的經驗，高爐采用低堿度生產不僅可避免上述問題，還可取得更多的效益。如高爐內渣堿度降低0.2，將顯著降低焦比，減少渣量，降低鐵水溫度和硅含量，從而增加高爐產量；此外，高爐運行平穩，休風率下降；結果使高爐的生產成本降低，節省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，采用鎂基脫硫將鐵水中的硫從0.07％脫至0.015％所需費用為3.65 美元/t 鐵水。因此經預處理后的鐵水成本比傳統高爐生產的鐵水低。大高爐長期生產的經濟核算表明，鐵水爐外處理的費用僅占高爐采用低堿度運行所節省費用的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，而且還可獲得平穩的吹氧操作。煉鋼生產表明，金屬收得率的增加，溶劑消耗及其它方面的節省降低煉鋼生產成本3.41 美元/t 鋼。
因此，采用低堿度渣高爐操作結合鐵水爐外脫硫處理，其綜合效益是巨大的。據有關資料報道，與傳統煉鋼操作相比，可以達到噸鋼節省4.21 美元。
由于轉爐冶煉后期回磷，靠傳統的轉爐冶煉達到純凈鋼對磷含量的要求已很困難。此外轉爐采用低磷鐵水冶煉具有以下優點：
1)降低溶劑消耗30％；
2)轉爐采用少渣操作，鋼水回磷減少，容易生產低磷鋼；
3)提高高碳鋼吹煉的終點命中率；
4)通過有效的熔化還原錳礦，轉爐終點錳含量可提高到1.5％。使在煉鋼中加錳鐵的操作成為可能，降低生產成本；
5)最終部分轉爐渣可返回作為脫磷劑，既降低成本，又減少對環境的污染。
因此可以斷定，經濟有效的鐵水預處理工藝，不僅是鋼鐵企業提高質量競爭力的重要基礎，也是加強成本競爭力的重要手段，是鋼鐵企業整個生產流程優質、高效、順行的保證。
4 結語
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施轉爐脫磷工程，鐵水預處理比率低，這與我國超億噸的鋼產量生產能力不相適應。可以看出，與一些發達國家近100％的鐵水預處理相比，差距還很大。加入WTO 后，在競爭激烈、產能過剩、世界范圍的市場中，我國的鋼鐵工業要想占有一席之地，必須盡快推廣、發展鐵水預處理工藝，以提高產品質量、降低生產成本、滿足消費者的要求，增加高附加值產品如超低碳，低磷硫，超深沖鋼的生產。
鐵水罐頂噴鎂基脫硫法和轉爐脫磷工藝因其在處理效果、成本上的優勢，在條件允許的情況下，應擇優選用，特別是在已有轉爐煉鋼廠，由于濺渣護爐等新技術的推廣應用，使轉爐的生產潛力得到充分發揮，在轉爐生產能力有富裕的條件下，可酌情考慮采用轉爐脫磷工藝來降低企業的綜合生產成本。