独家！日本转炉炼钢工艺的发展历史和先进技术

日本是仅次于中国的世界第二大钢铁生产国，粗钢年产量约为1亿吨。由于电价高，转炉工艺的生产率达到75％以上。二次世界大战期间，日本钢铁工业被彻底摧毁，1946年的粗钢年产量仅为55.7万吨。但到了1956年，粗钢年产量达到1000万吨，1973年超过了1亿吨，LD转炉（顶吹式转炉）在其中发挥了重要作用。为快速重建钢铁业，日本钢铁公司开始关注这一工艺，该工艺始于1952年的奥地利。经过政府深入讨论和慎重决定，日本于1957年研制了第一座LD转炉。为了提高生产率、降低生产成本和提高钢材质量，又进行了相关技术的研究和开发。在经过钢铁生产的快速增长阶段后，过去40年的粗钢年产量几乎保持不变，但是钢材的性能却越来越好。当今日本钢铁业的基本战略是开发难以模仿的高级别钢种技术，因此，转炉工艺的创新仍然发挥着重要作用。本文总结了日本炼钢转炉工艺的发展历史和先进技术。

2.1 LD转炉简介

第二次世界大战期间，日本钢厂被轰炸摧毁，粗钢年产量从1943年的765万吨减少到1946年的55.7万吨，仅4个平底炉在维系生产。为了恢复日本经济，钢铁业的重建是当务之急。1953年，粗钢产量恢复到战前水平，并建造了许多平底炉。但是，由于日本国内废钢供应不足，从美国进口又受到限制，平底炉炼钢法无法满足日本国内市场不断增长的需求。

LD转炉法是由V？est和Alpine开发的，1952年开始在奥地利的林茨和多纳维茨钢铁厂投入使用。在日本的几家综合钢铁公司中，Yawata钢铁公司和Nippon Kokan （NK）对这项刚刚诞生的技术很感兴趣，经国际贸易工业部（Ministry of International Trade and Industry，MITI）协调，NK在1956年购买了独家许可证，Yawata和其他公司获得了分许可证。1957年，第一座LD转炉在Yawata投入生产，1958年NK的LD转炉也投入生产。该技术满足了日本钢铁业低废钢消耗、低磷铁矿石、高能效、高生产率的要求。在MITI的资金支持下，LD转炉法的引进加速了众多相关钢铁企业的发展，到1965年，LD转炉的生产率已经超过平底炉，1977年终止平底炉炼钢法。在此期间，日本钢铁公司为了便于企业间交流经营成果，于1958年成立了转炉委员会，委员会对加快LD转炉的技术发展起到了重要推动作用。LD转炉生产粗钢比例的变化及与其他国家对比如图1所示。日本钢铁公司在世界范围内率先推广了LD转炉技术。此外，LD转炉对钢铁生产的快速增长作出了很大贡献，直接促进了日本经济快速增长。

2.2 LD转炉原始技术开发

为了提高生产效率，扩大不同等级钢材的生产，开发了几种LD转炉原创技术。世界上第一座转炉产能为50t，但钢铁需求的快速增长要求更高的生产率，这导致转炉规模扩大。1970年，转炉最大产能达到了300t。

在LD转炉中，高纯度氧气从氧枪中的拉瓦尔喷嘴射出。随着产能增加,氧气的流量也随之增加，导致炉底部的耐火材料损坏严重，同时，转炉散射的细金属液滴或含有气体的炉渣喷溅也会导致铁元素收得率下降。为了解决这一问题，1962年研制出多孔顶枪并应用在工业转炉上。通过使用3孔氧枪，减少了炉口形成的结渣，提高了铁的收得率。

在炼钢过程中，由于发生脱碳反应，在炉中生成具有细粉尘的高温CO气体，必须对其进行处理。在小型转炉中，CO气体可在空气中完全燃烧。然而，随着转炉容量的增加，废气量随之增加，气体处理系统的投资成本也随之增加。为了克服这个问题，开发了一种无需燃烧即可回收CO气体的方法。通过工厂试验，设计了防爆系统，命名为“OG系统”，即氧气转炉气体回收系统。该系统于1962年第一次安装在130t LD转炉上。在此过程中，废气热量回收率约为60％，当一部分显热以锅炉蒸汽形式回收时，能量回收率提高至约70％。 

此外，Emi还提出了几项支持日本LD转炉发展的技术：（1）安装热电偶测量温度，用液相线温度测定碳含量的副枪系统；（2）耐火材料的改进；（3）动态控制系统，以提高碳的命中率和吹炼终点温度；（4）中/高碳钢单渣留碳出钢吹炼方法等。

2.3 复合吹炼及铁水脱磷

1977年，川崎钢铁在日本首次引进了氧气底吹转炉（Q-BOP），运行结果很快在ISIJ的年度会议上展示出来，其出色的性能让与会人员深表惊讶并认可。这一结果加速了顶底复吹转炉的研发（复合式吹炼转炉）。此时，距LD转炉的引进已经过去了20余年。在此过程中，人们逐渐认识到LD转炉的局限性，也认识到增加搅拌的必要性。1990年，Tetsu-to-Hagané 介绍了这一时期各公司的情况。底吹转炉的缺点是风口周围的耐火材料寿命短，气体冷却剂会产生氢气，高碳钢的留碳出钢操作困难；另一方面，对于低碳钢来说，低铁（TFe）含量的炉渣是人们关注的焦点。根据炼钢车间的产品结构，开发了各种底吹工艺，总结于图2中。一般情况下，对于以低碳钢为主的转炉，采用高强度的氧气底吹搅拌系统是有利的。对于需要生产中/高碳钢的转炉，则需安装供气系统为惰性气体且搅拌强度低的底吹搅拌装置。在炼钢过程中，除脱碳外，还需要脱磷。在吹炼至转炉终点温度时，必须形成高铁（TFe）含量和高碱度（CaO/SiO₂）的炉渣来脱磷。这种情况导致铁元素收得率低，石灰消耗量高。由于低温有利于脱磷反应，因此，开发了脱碳前的预处理工艺（铁水脱磷）。

铁水脱磷工艺于1982年首次实施。石灰、氧化铁和氟石等熔剂通过可浸入铁水的喷枪，被注入到鱼雷罐或钢包中的铁水中。另一方面，通过对LD转炉双渣工艺的改进，开发出了使用复合吹炼转炉的铁水脱磷工艺。与双渣工艺相比，该工艺在底吹惰性气体时，钢水处于较高含碳量和较低温度的状态。在脱碳反应时，加入渣料继续脱磷，该工艺在降低石灰消耗量和渣处理量上具有较高的潜力。

2.4 熔融还原和废钢熔炼

利用复合吹炼转炉进行熔融还原是另一种独特的技术。由于日本电力价格昂贵，难以维持使用电弧炉生产铁合金。为解决这一问题，开发了复合吹炼转炉进行熔融还原。首先，利用中试炉对铬铁生产进行了研究。在此过程中，炉渣表面碳的燃烧可以提供热量，且熔融状炉渣中的碳元素也可以降低炉渣中的氧化铬。利用这个原理，此工艺可用于生产不锈钢。

此外，在废钢熔炼过程中使用了复合吹炼转炉。如图4所示，从底吹风口吹入混有粉末状碳质材料的惰性气体，与顶吹氧气进行碳氧反应。通过该工艺，可以生产与高炉工艺质量相似的铁水。

3.1 转炉炼钢脱磷工艺

随着市场对低磷钢（例如管线钢、船板钢和汽车板钢等）的需求不断增加，自1980年以来，日本已经开发出不同类型的铁水预处理工艺。1980年到1990年初，大多数铁水预处理过程均包括多个精炼阶段。例如，首先将含CaF₂的高碱度（[%CaO]/[%SiO₂]）助熔剂注入鱼雷罐或钢包等容器中进行脱硅，同时脱硫和脱磷，之后再对预处理过的铁水使用转炉脱碳。因此，低磷钢在转炉中生产具有减少助熔剂和废渣、节省锰合金和锰矿石的优点。但上述工艺存在着因使用鱼雷罐或钢包等容器导致的生产率低，热损大导致的废钢消耗量低等缺点。此外，自1990年末以来，由于商业环境的变化而产生了新的需求，例如加强了有关氟化物的环境法规，以及由于高质量原材料的消耗而导致磷含量增加。为满足这些需求，并在生产率、能源和资源方面建立一种更有效的工艺，日本广泛采用并不断改进转炉脱磷工艺。

通过有效利用转炉的优点（高炉容比、高速供氧和高强度搅拌），生产率显著提高。高速供氧还能通过增加炉渣中FeO含量实现无氟操作，这有助于炉渣在没有CaF₂的情况下熔解，甚至可以在低碱度的炉渣条件下促进脱磷。例如，1987年在鹿岛（SRP：简单精炼工艺）和1989年在名古屋（LD-ORP：LD转炉优化精炼工艺）实施了该工艺。在这个过程中，铁水倒入转炉，吹炼初期进行脱硅和脱磷（步骤①）；接下来，将铁水和炉渣排出，再将铁水倒入转炉进行脱碳，再次吹炼（步骤②）。从步骤②排出的低磷渣可回收作为步骤①脱硅除磷的助熔剂，因此可以减少助熔剂和废渣消耗量。但该工艺需要两座转炉，只有在钢厂有一座备用转炉或新转炉的投资回报率高的情况下，才能采用。

为了克服上述缺点，日本开发了多功能精炼转炉（MURC），并于1994年在室兰市和1998年在大分市进行了生产实践。在MURC工艺中， 进行步骤①后，炉渣通过转炉倾斜从转炉口排出，无需出钢（中间除渣），有效地利用了炉渣发泡来增加炉渣体积。在步骤②后，部分炉渣被留在转炉内，并以热态形式被回收到下一炉作为步骤①的炉料，这有助于回收炉渣的显热。与SRP和LD-ORP相比，MURC只需要一座转炉，并且由于转炉具有很高的生产率，热量损失低而无需对铁水进行加热，从而实现了废钢高比例使用。

由于很难通过MURC的中间排渣来完全去除炉渣，因此MURC主要用于生产低磷钢和普碳钢，而SRP和LD-ORP更适合生产超低磷钢。根据所需的磷含量来适当选择工艺。使用转炉进行脱磷处理的一般流程如图5所示。

为了促进步骤①的脱磷反应，开发了粉末CaO顶吹法，并已应用于多家钢厂。该工艺将一部分CaO（脱磷用量）从氧枪喷射到氧气与钢水反应的热点区域（温度>2000℃）。在热点区域会生成高温FeO熔体。因此，CaO粉末立即熔解并形成CaO-FeO熔体。CaO-FeO熔体的脱磷能力极高，可提高脱磷效率。

此外，还开发了钢包渣循环脱磷技术。二次精炼产生的钢包渣中含有化合物CaO和Al₂O₃，其熔点明显低于转炉渣、纯CaO和纯Al₂O₃。由于钢包渣在脱磷过程中，即使在低温条件下也容易熔解，因此所含的CaO可作为脱磷剂，Al₂O₃促进助熔剂熔解。粉末CaO顶吹和钢包渣循环的结合，提高了脱磷效率，降低了未熔解CaO的含量。该工艺流程如图6所示。

3.2 转炉冶炼还原铬矿石的研究进展

由于铬的原料价格占不锈钢生产成本的很大一部分，因此需要开发利用廉价铬原料的炼钢技术。另外，由于日本的电力成本远高于其他国家，因此，自20世纪80年代以来，日本一直进行利用转炉冶炼还原铬矿石的技术研究。

JFE钢铁公司采用顶底复吹转炉工艺，并已应用于工业生产中。在熔化还原期间，碳质材料和铬矿石被连续加入转炉。为了防止粉状铬矿石散落在转炉外，铬粉矿通过铬质氧枪喷入转炉。由于碳质材料还原铬矿石中的氧化铬是吸热反应，必须额外为转炉供热来还原铬矿石。因此，熔融还原过程中也会消耗大量的碳质材料，通过顶部和底部吹氧的燃烧反应来供热。为了增加热量的供应，已经研究了各种各样的技术，包括用于提高氧气含量和增强二次燃烧的技术。然而，增加氧气含量会增加铁水产生的粉尘量，从而降低铬和铁的收得率。此外，二次燃烧操作技术增加了转炉耐火材料的热负荷，存在耐火材料寿命降低的问题。因为铬矿石还原反应发生区域的传热效率很低，为了降低碳质材料作为热源的消耗，实现节能，开发了利用燃烧器燃烧热作为新型高效热源的技术。在这项新技术中，所有的粉状铬矿石，通过加热器火焰加热并送入转炉。

图7为顶底复吹转炉和用于加热铬矿石的加热器喷枪的示意。该加热器喷枪具有能够从中心孔供给铬矿石，同时从围绕中心孔的喷嘴供给丙烷气体并促进与氧气燃烧的结构。

5t转炉和185t转炉中加热铬矿石进料速率和加热器热功率之比与加热器燃烧热传导率之间的关系：有效的热传递量随着加热的铬矿石进料速率的增加而增加。该结果证实，加热的铬矿石颗粒用作加热器燃烧热的传热介质，可以通过加热和进料，将加热器燃烧热有效地转移到铬矿石发生还原反应的区域，形成有效转换。铬矿石通过加热器燃烧后进入转炉。

在引入用于将加热的铬矿石送入实际转炉的喷枪前后铬矿石的量与所供应的热能之间的关系：铬矿石的量增加，所供应的热能也增加。所提供的热能是碳氧反应和顶底复吹氧燃烧总能量，以及使用加热器放出的热量。与引入加热器之前的系统相比，通过使用加热器喷枪输送加热的铬矿石，可以将相同量铬矿石的供应热量减少17％。证实了该方法可以有效利用供应的热量，并且达到大幅减少热量消耗的效果。

在传统的方法中，只使用碳质材料作为能源。但随着技术的发展，使用加热器时，氢基燃料取代了部分能源，而且将燃烧的热量更有效地转移到铁水和炉渣中。结果显示，与常规方法相比，同量的铬矿石供热量减少，碳质材料的用量也减少了26%。在铬矿石冶炼还原炉中使用氢基燃料的加热器加热和进料技术，不仅提高了包括铬矿石在内的主要原材料选择的灵活性，而且与传统方法相比，还减少了能源供应量，从而实现了熔融还原过程的节能减排。

本文总结了日本转炉炼钢工艺的发展历史和先进技术。

第二次世界大战后，日本钢铁企业推出了LD转炉炼钢法，此后开发了各种转炉炼钢原创技术以提高生产率、降低生产成本及提高钢材质量。典型原创技术包括OG工艺废气回收技术、多孔顶枪技术及副枪动态控制技术。

LD转炉炼钢自推出约20年后，人们逐渐了解其局限性，并认识到增强钢水搅拌的重要性，随后开发了各种顶底复吹转炉技术。通过使用该类技术，开发了铁水脱磷和熔融还原技术。