Development andProspects of Refining Techniques in Steelmaking Process

煉鋼精煉技術(shù)的發(fā)展與展望

回顧了近60年來(lái)煉鋼技術(shù)的發(fā)展，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。在日本，鐵水預(yù)處理始于上世紀(jì)60年代，其目的是減少精煉成本和改善產(chǎn)品質(zhì)量，其目的現(xiàn)在已過(guò)渡到減少處理時(shí)間、重新使用煉鋼爐渣和使用各種鐵源的新要求。在轉(zhuǎn)爐精細(xì)化中，除了高速脫碳外，現(xiàn)象可視化和傳感建模技術(shù)與數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)的結(jié)合也變得越來(lái)越重要。在鋼包冶金(二次精煉)中，實(shí)現(xiàn)鋼水高速處理和加熱的技術(shù)是關(guān)鍵問(wèn)題。本文還簡(jiǎn)要討論了工藝革命對(duì)可持續(xù)發(fā)展社會(huì)環(huán)境的必要性。

關(guān)鍵詞：鐵水預(yù)處理；轉(zhuǎn)爐，冶煉鋼渣，二次精煉；鋼包冶金；夾雜物

1. 引言

2014年，日本鋼鐵學(xué)會(huì)(Iron and Steel Institute of Japan)發(fā)表了一篇題為《過(guò)去100年的煉鋼技術(shù)：邁向高質(zhì)量鋼材的高效量產(chǎn)系統(tǒng)》(Steelmaking Technology for the Last 100: Toward Highly Efficient massproduction Systems for high quality Steel)的綜述，概述了鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展史。今年，ISIJInternational (原名Transactions of ISIJ)慶祝其成立60周年。在此期間，國(guó)際鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)向其他國(guó)家有關(guān)方面提供了關(guān)于日本鋼鐵生產(chǎn)工藝發(fā)展的資料，并提出了有關(guān)技術(shù)的建議。作為紀(jì)念其成立60周年的特刊的一部分，ISIJ國(guó)際出版了這篇回顧過(guò)去60年精煉工藝發(fā)展的文章，特別是在日本的長(zhǎng)流程鋼鐵廠。表1概述了自1960年以來(lái)精煉技術(shù)改進(jìn)和發(fā)展的歷史。每個(gè)領(lǐng)域的個(gè)別技術(shù)在第2章中進(jìn)行了回顧。 

表1  1960年以后精煉技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展

2.1. 鐵水金屬預(yù)處理的發(fā)展與演變

2.1.1. 鐵水脫硫

鐵水脫硫是爐外精煉開(kāi)始的，在鐵水容器中加入氫氧化鈉或蘇打，隨后，采用了頂部加電石，底吹氮?dú)鈹嚢韬蛽u晃鐵水包工藝，但由于反應(yīng)效率偏差、產(chǎn)生乙炔氣以及難以在大噸位鐵水容器上使用，這些技術(shù)逐步淘汰。在魚(yú)雷車(chē)噴射法中，脫硫劑分散在鐵水中發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)物浮在鐵水上面，脫硫劑采用電石或碳酸鈉粉，由于這種工藝攪拌能力弱，脫硫渣不能重復(fù)使用。川崎鋼鐵(現(xiàn)在的JFE鋼鐵)開(kāi)發(fā)了一種含有表面活性劑的氧化鈣粉，作為電石的替代品。[2] 1965年，富士鋼鐵(現(xiàn)在的新日鐵)開(kāi)發(fā)了一種叫做KR (Kanbara反應(yīng)器)的機(jī)械攪拌方法，在KR工藝過(guò)程中，脫硫劑通過(guò)旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生的渦流進(jìn)入鐵水中，并與鐵水界面發(fā)生反應(yīng)。KR法的反應(yīng)效率高于注射法，在1 400℃下，CaO-10%CaF₂的KR法可以將鐵水中的硫含量降低到5 ppm以下。KR法從20世紀(jì)70年代開(kāi)始成為一種流行的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。另一方面，KR工藝的問(wèn)題是降低脫硫劑的用量，在不含CaF₂的情況下，僅僅使用CaO實(shí)現(xiàn)脫硫至50ppm以下，下面將討論更新的技術(shù)，此外，Mg-CaO鐵水脫硫也在此期間實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。[4]

2.1.2. 鐵水脫磷與各功能差別

雙渣法是利用轉(zhuǎn)爐來(lái)進(jìn)行鐵水除磷的一種技術(shù)，但脫硅脫磷產(chǎn)生的高磷渣需要中間排渣，存在渣量大、噴濺渣、鐵水收得率差、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題。

針對(duì)低磷鋼需求的不斷增長(zhǎng)，為降低轉(zhuǎn)爐脫磷負(fù)擔(dān)，研制了鐵水脫磷工藝。除磷前采用脫硅，以降低除磷劑CaO的單位消耗量。除了作為Ca的氧化劑的氧氣外，還可以使用軋鋼氧化鐵皮、燒結(jié)礦粉和鐵礦粉作為氧源。

在魚(yú)雷車(chē)內(nèi)的脫磷，作為短暫的反應(yīng)而發(fā)生渣料漂浮在鐵水上方，脫硫反應(yīng)發(fā)生在高堿度渣和鐵水之間是一種長(zhǎng)久的反應(yīng)過(guò)程，[5, 6]這種工藝從1980年代初開(kāi)始商業(yè)化，在此過(guò)程中，脫磷渣需要排出，脫磷后的鐵水在轉(zhuǎn)爐內(nèi)進(jìn)行脫碳。

采用蘇打粉脫磷也進(jìn)行了調(diào)研，[7~9]蘇打粉除磷效果較好，但Na₂O對(duì)耐材侵蝕重、Na₂O渣的處理難、Na (g)的蒸發(fā)和精煉成本等方面存在問(wèn)題。鑒于這些問(wèn)題，蘇打粉的應(yīng)用受到了限制，而CaO基助熔劑得到了廣泛的應(yīng)用。

還研究了用Ca-CaF₂或CaC₂ - CaF₂助熔劑進(jìn)行還原脫磷，[10,11]但由于需要對(duì)還原產(chǎn)物Ca₃P₂進(jìn)行穩(wěn)定處理以及其它一些問(wèn)題，這種工藝尚未商業(yè)化。

2.2. 機(jī)械攪拌(KR)法在鐵水脫硫中的發(fā)展

2.2.1. 機(jī)械攪拌(KR)法在日本的推廣

KR機(jī)械攪拌法于1965年商業(yè)化。與噴射方法相比，脫硫劑消耗高于噴射法的，因?yàn)橹蹌┦嵌啻喂敕稚⑦M(jìn)入到鐵水中，由于其較高的攪拌能量，實(shí)現(xiàn)高速脫硫下達(dá)到低硫含量的鐵水，可以滿(mǎn)足低硫和超低硫鋼的需求。由于這一優(yōu)勢(shì)，從2000年代開(kāi)始，注入噴射法大部分被KR法所取代，見(jiàn)表2。[12]

表2  各公司鐵水脫硫工藝(TPC：魚(yú)雷車(chē)噴射法，KR：機(jī)械攪拌法)

注：投入年代一欄中下畫(huà)線的是指從噴射改為KR

采用純堿和CaO-CaF₂兩種脫硫劑進(jìn)行魚(yú)雷車(chē)噴射脫硫，但由于脫硫渣回收使用時(shí)Na和F會(huì)造成環(huán)境污染，禁止使用，這也是從噴射法到機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)變的主要原因。

2.2.2. 開(kāi)發(fā)高效率鐵水

Y. Nakai 團(tuán)隊(duì)和N. Kikuchi團(tuán)隊(duì)研發(fā)機(jī)械攪拌脫硫(KR)方法，使用丙烷氣注入和氧氣頂吹法技術(shù)來(lái)減少氧勢(shì)，在此氧勢(shì)低的地點(diǎn)將助劑帶入到鐵水中，導(dǎo)致提高脫硫效率，降低脫硫劑的使用量。

在KR工藝中，從頂部加入小于1mm的細(xì)CaO粉，由于氧化鈣在鐵水脫硫條件下以固態(tài)為主，添加的氧化鈣粉會(huì)結(jié)塊形成較大的球形顆粒，粒徑在幾毫米到幾十毫米之間，這是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)榇蟛糠志蹐F(tuán)的CaO脫硫劑不會(huì)與硫發(fā)生反應(yīng)的。[15]

為了解決這一問(wèn)題，Y. Nakai等人[16]開(kāi)發(fā)了脫硫劑噴吹技術(shù)，見(jiàn)圖117所示，顯示了該技術(shù)的結(jié)果(300t /爐， N₂= 6 ~ 20Nm³ /min， CaO =100 ~ 400kg /min，噴槍與鐵水表面的距離為0.3 ~ 1.4 m，鐵水溫度為1523 ~ 1663 K)，抑制了CaO粉末的聚團(tuán)和長(zhǎng)大。在CaO與鐵水潤(rùn)濕條件下，當(dāng)CaO粉的速度大于夾帶臨界速度時(shí)，粉末以細(xì)微顆粒的形式夾帶入鐵水中，如圖2所示。氧化鈣的脫硫效率提高1.3倍，脫硫渣用量減少20%。Nakai團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬固體CaO在鐵水中的團(tuán)聚行為，定量分析了CaO爆破的效果。氧化鈣噴射技術(shù)已在JFE鋼鐵公司的所有的鋼廠。脫硫后，爐渣可以在熱狀態(tài)下循環(huán)使用，利用未反應(yīng)的CaO進(jìn)行脫硫。

圖1  鐵水溫度與CaO脫硫效率的關(guān)系[16] 

圖2  研發(fā)的機(jī)械攪拌鐵水脫硫傳統(tǒng)方法的比較。[17]

2.3. 鐵水脫磷

2.3.1. 鐵水脫磷的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展

氟石(CaF₂)在生產(chǎn)低磷鐵水時(shí)被廣泛用于提高脫磷效率，已有這方面的報(bào)道。[18]盡管CaF₂促進(jìn)CaO熔化，增加氧勢(shì)和Ca²⁺活度，但土壤中環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，從20世紀(jì)90年代末開(kāi)始，不含CaF₂的脫磷技術(shù)變得重要起來(lái)。在鐵水預(yù)處理反應(yīng)速率的分析中，S.Ohguchi等[19]建立了考慮鐵水預(yù)處理中同時(shí)進(jìn)行的多組分反應(yīng)的耦合反應(yīng)模型。S.Kitamura等[20]采用耦合反應(yīng)模型分析了攪拌能量、鐵水溫度和熔劑組成對(duì)鐵水除磷的影響。耦合反應(yīng)模型是分析鐵水脫磷速率的重要工具。S. Kitamura等人擴(kuò)展了模型，考慮了在鐵水脫磷過(guò)程中伴隨爐渣成分變化的固相結(jié)晶，擴(kuò)展模型考慮固體渣(2CaO·SiO₂)、液態(tài)渣和鐵水三相之間的傳質(zhì)。

X. Guo等人[22]報(bào)道了CaO顆粒熔化成渣的觀察結(jié)果。K. Gu等人[23]發(fā)現(xiàn)，熔渣中的金屬液滴由于CO氣體而膨脹，從而增加了在熔渣中的停留時(shí)間(這被稱(chēng)為“膨脹液滴模型”)。這些結(jié)果表明，通過(guò)直接觀測(cè)和測(cè)量來(lái)準(zhǔn)確了解實(shí)際現(xiàn)象在未來(lái)將變得越來(lái)越重要。

在鐵水脫磷過(guò)程中，FeO生成和脫碳等氧化反應(yīng)是在非平衡條件下同時(shí)進(jìn)行的，因此，這是一個(gè)非常復(fù)雜但重要的現(xiàn)象，因?yàn)樗绊?/span>CaO的熔化的效果、反應(yīng)部位的攪拌和鐵金屬收得率，需要反應(yīng)傳感技術(shù)和進(jìn)一步的研究來(lái)了解其機(jī)理。

2.3.2. 轉(zhuǎn)爐鐵水脫磷的演變

1983年,川崎鋼鐵(現(xiàn)在JFE鋼鐵)進(jìn)行測(cè)試Q-BOP轉(zhuǎn)爐鐵水脫磷，商業(yè)化利用的強(qiáng)烈攪拌能力Q-BOP和底吹氧氣和CaO粉末，[24,25]鐵水(1370℃, 4.5wt%C， 0.2wt%Si，0.40wt% Mn， 0.14wt% P ，0.02wt%)，除磷后鐵水為3.7wt% C，微量Si，0.30wt%Mn， 0.010wt% P，0.010wt% S，處理時(shí)間3分鐘，使用CaO為20kg/ t、CaF₂為3kg/ t和6 Nm³氧氣，鐵水溫度沒(méi)有下降。然而，在沒(méi)有CaF₂的情況下，很難維持P₂O₅和Fe_tO。

1979年，新日鐵實(shí)行了SMP(最低爐渣精煉工藝)的商業(yè)化，[26]該工藝先將鐵水脫硅，然后在轉(zhuǎn)爐內(nèi)脫磷，從而降低了渣量。

神戶(hù)制鋼在1983年將“鐵水預(yù)處理爐”商業(yè)化，[27]利用LD轉(zhuǎn)爐作為指定的除磷和脫硫容器。住友金屬(現(xiàn)新日鐵)于1987年開(kāi)發(fā)了SRP(簡(jiǎn)單精煉工藝，渣回收工藝)，[28]即脫硅鐵水和脫硫鐵水分別在兩個(gè)轉(zhuǎn)爐內(nèi)脫磷脫碳，脫碳渣回收到脫磷轉(zhuǎn)爐利用。

1989年，新日鐵名古屋廠(Nippon Steel Nagoya Works)將一種名為“LD-ORP”(優(yōu)化精煉工藝)的工藝商業(yè)化，[29]該工藝先用底吹石灰石粉去除鐵水中的磷，然后再用底吹蘇打灰脫硫。2000年，新日鐵又開(kāi)發(fā)了多精煉轉(zhuǎn)爐MURC，[29-31]將脫硫后的鐵水和廢鋼放入轉(zhuǎn)爐，脫硅除磷，排渣后脫碳，如圖3所示。

圖3  MURC(多精煉轉(zhuǎn)爐)工藝概述[29]

JFE鋼商業(yè)化DRP(雙渣精煉工藝)，[32]如圖4所示,將鐵水和廢鋼送入轉(zhuǎn)爐進(jìn)行脫硅，脫硅后排出富含SiO₂的爐渣，鐵水脫磷。硅氧化產(chǎn)生的熱量可用于熔化廢鋼，排出富含SiO₂的爐渣可降低CaO消耗。此外，還可以采用DRP工藝生產(chǎn)超低磷鋼。

圖4  JFE煉鋼的DRP工藝[32]

在鐵水脫磷過(guò)程中，促進(jìn)和控制Fe_tO的產(chǎn)生對(duì)促進(jìn)替代CaF₂的CaO早期熔化具有重要意義。JFE鋼鐵開(kāi)發(fā)了一種動(dòng)態(tài)控制FeO產(chǎn)生技術(shù)，[33-36] Fe_tO的產(chǎn)生可以通過(guò)測(cè)量氧平衡直接探測(cè)到，如圖5所示，利用一個(gè)鐵水脫磷數(shù)學(xué)模型量化Fe_tO生成的影響，可獲得穩(wěn)定低磷鐵水，如圖6所示。2015年，西日本工廠(福山)第三煉鋼車(chē)間安裝了一臺(tái)新的轉(zhuǎn)爐(330噸/爐)，以增加DRP鐵水除磷能力。

圖5  用氧平衡法計(jì)算頂?shù)状缔D(zhuǎn)爐Fe_tO原理圖[36]

圖6  脫磷后鐵水溫度與磷含量的關(guān)系[35]

2.3.3. 鐵水噴射除磷法(鐵水魚(yú)雷車(chē)、鋼包)

助熔劑噴射法的優(yōu)點(diǎn)是能促進(jìn)瞬態(tài)反應(yīng)的發(fā)生。T. A. Engh團(tuán)隊(duì)[37]在短暫的反應(yīng)方面做了開(kāi)創(chuàng)性的工作，Ozawa團(tuán)隊(duì)[38]、G. A. Iron和B. H. Tu[39] 、 E. Kimura[40] 、 Ogawa和 Matsumoto[41]研究了噴射進(jìn)入熔池微粒的行為。在魚(yú)雷車(chē)脫磷，由于較小的自由空間，助劑噴射速度低，導(dǎo)致了作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)。由于混合攪拌條件不足，頂渣與鐵水反應(yīng)不充分，還存在死區(qū)。為了解決這些問(wèn)題，報(bào)道了噴射期間的排渣[42]和雙噴射槍的方法。[43]

目前的鐵水脫磷工藝主要集中在轉(zhuǎn)爐型上，轉(zhuǎn)爐型的開(kāi)發(fā)初衷是為了充分利用轉(zhuǎn)爐的翻轉(zhuǎn)能力，因?yàn)?/span>LD轉(zhuǎn)爐有較大的自由空間，可以最大限度地利用氧氣頂吹噴槍?zhuān)c前一種雙渣法的區(qū)別如下:

 (1) 底吹可以促進(jìn)反應(yīng)，使鐵水溫度均勻化，處理時(shí)間縮短。

(2) 與先進(jìn)的脫硫工藝串聯(lián)使用，擴(kuò)大了處理前[Si]的濃度范圍，利用該Si的氧化熱，可以預(yù)期提高廢鋼熔化能力。

(3) 維持和控制渣中較高的Fe_tO含量，促進(jìn)脫磷。

(4) 高溫脫碳渣可回收利用，有利于CaO熔化，提高鐵金屬收得率，減少產(chǎn)渣量。

(5) 在脫磷吹氧過(guò)程中，可以回收轉(zhuǎn)爐未燃燒的煙氣。 

3. 轉(zhuǎn)爐精煉工藝

轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的原理是基于1856年H. Bessemer發(fā)明的底吹空氣法，在Bessemer轉(zhuǎn)爐中，由于使用了酸性耐火材料，脫磷困難。托馬斯法使歐洲高磷鐵礦石生產(chǎn)的鐵水可以使用堿性耐火材料去磷。

LD轉(zhuǎn)爐的試驗(yàn)(氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐)在1949年在一個(gè)2噸的爐子上進(jìn)行，奧地利林茨在1952年11月30 t轉(zhuǎn)爐投產(chǎn)，半年后相同的規(guī)模轉(zhuǎn)爐在Donawitz OEAMG投產(chǎn)，[44]  LD轉(zhuǎn)爐這個(gè)名字來(lái)源于這兩個(gè)奧地利小鎮(zhèn)的名字。在日本，第一臺(tái)LD轉(zhuǎn)爐于1957年由NKK(現(xiàn)在的JFE鋼鐵)和八田鋼鐵(現(xiàn)在的新日鐵)投入使用。LD技術(shù)的迅速普及與同期日本綜合鋼鐵廠的出現(xiàn)和粗鋼產(chǎn)量的增加相對(duì)應(yīng)。隨后，LD轉(zhuǎn)爐技術(shù)取得了顯著的快速進(jìn)展，包括開(kāi)發(fā)純氧生產(chǎn)技術(shù)、煙氣回收系統(tǒng)和多孔頂吹槍等等。然而，LD轉(zhuǎn)爐最終在1979年的八幡制鐵由頂?shù)讖?fù)合吹轉(zhuǎn)爐替代了1976年安裝在川崎鋼廠轉(zhuǎn)爐，230噸Q-BOP[45]轉(zhuǎn)爐具有優(yōu)良的冶金特性。頂?shù)讖?fù)合吹轉(zhuǎn)爐是目前轉(zhuǎn)爐煉鋼的主流，約占世界粗鋼產(chǎn)量的70%。

3.1. 轉(zhuǎn)爐精煉技術(shù)的發(fā)展

3.1.1. 攪拌和組合吹轉(zhuǎn)爐

眾所周知，用于底吹透氣磚雙層風(fēng)口(氧氣和丙烷氣)是由德國(guó)的Savard和Lee[46]開(kāi)發(fā)并商業(yè)化的。在Q-BOP工藝中，通過(guò)內(nèi)管和供氧輸送CaO粉末，丙烷氣通過(guò)雙層風(fēng)口外管供給。在底部區(qū)域溶解氧[O]比LD轉(zhuǎn)爐低。在Q-BOP中，即使在低[C]區(qū)，溶解氧含量也低于LD轉(zhuǎn)爐。

當(dāng)時(shí)，Nakanishi和 Fujii[45,47]討論了氧氣底吹對(duì)冶金性能的影響[45, 47,48]，使用示蹤法檢測(cè)和混合在RH、VOD和ASEA-SKF這樣的反應(yīng)容器內(nèi)，并指出完全的混合時(shí)間τ(s)是一個(gè)攪拌能量密度函數(shù)ε(W /t-鋼)，這是一個(gè)獨(dú)立的混合方法，見(jiàn)公式(1)。

為了評(píng)價(jià)吹氣方式(風(fēng)口數(shù)量和布置)和熔池深度對(duì)攪拌能量密度的影響，對(duì)攪拌能量密度進(jìn)行了研究，并提出了許多經(jīng)驗(yàn)公式。Asai[48]分析了流體運(yùn)動(dòng)和傳質(zhì),并提供了理論背景的公式(1)。這些研究促進(jìn)發(fā)展了日本的頂?shù)讖?fù)合吹轉(zhuǎn)爐，[49]有兩種類(lèi)型的頂?shù)讖?fù)合吹轉(zhuǎn)爐，一個(gè)從頂部和底部吹氧，另一個(gè)是頂吹氧氣，底吹僅限于惰性氣體攪拌。鋼鐵制造商為這兩種方法開(kāi)發(fā)了噴嘴設(shè)計(jì)和耐火材料，現(xiàn)在日本所有的轉(zhuǎn)爐都是頂?shù)讖?fù)合吹轉(zhuǎn)爐，Q-BOP轉(zhuǎn)爐除外。

3.1.2. 頂?shù)讖?fù)合吹轉(zhuǎn)爐的開(kāi)發(fā)與建立

Nakanishi等[50]提出了ISCO(選擇性碳氧化指數(shù)，見(jiàn)公式(2))作為解釋轉(zhuǎn)爐內(nèi)反應(yīng)的指標(biāo)，這是基于對(duì)5 t規(guī)模和商業(yè)規(guī)模轉(zhuǎn)爐的冶金性能的研究以及用銅示蹤劑測(cè)量混合時(shí)間的結(jié)果。

Q_O2是氧氣流量(Nm³ /min)，Q_d稀釋氣體流量(Nm³/min)，W是熔融金屬重量(t)，τ是完全的混合時(shí)間(s)。公式（2）第一項(xiàng)右邊代表了CO分壓，第二項(xiàng)代表氧氣流量和鋼液循環(huán)流量的比值，即鋼水過(guò)氧化反應(yīng)的程度。在0.05mass%C的渣中，ISCO與(T.Fe)的關(guān)系如圖7所示。Kai等[51]提出了BOC (碳氧供給速率平衡Balance of Oxygen and Carbon feeding rate)，這是[C]對(duì)(FeO)產(chǎn)生影響的指標(biāo)，如公式(3)所示。

圖7 在[C]=0.05mass% ISCO與(T.Fe)的關(guān)系[50]

Kishimoto等[52]認(rèn)為除[C]<0.02mass%的超低碳區(qū)外，底吹氣體CO分壓對(duì)選擇性脫碳的影響相對(duì)較小。對(duì)頂?shù)状禋獗冗M(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)状禋獗却笥?/span>10%時(shí)，可獲得接近Q-BOP的冶金性能。[49]

3.2. 轉(zhuǎn)爐高速精煉技術(shù)

3.2.1. 頂吹轉(zhuǎn)爐氧槍的研制

脫磷鐵水轉(zhuǎn)爐脫碳過(guò)程中，由于產(chǎn)生的渣量小，噴濺和產(chǎn)生的粉塵增加了鐵損失量。Hirai等[53]研究了粉塵的產(chǎn)生機(jī)理，發(fā)現(xiàn)脫碳初期鐵塵主要是由氣泡破裂引起的，脫碳后期主要是由煙塵(蒸發(fā))引起的。

當(dāng)使用多孔噴嘴時(shí)，如果氣體噴嘴重疊過(guò)多，則噴濺增加。M. Fukagawa[54]設(shè)計(jì)了一種新的噴嘴布置形式，采用不同直徑和角度的噴嘴并排，以減少鋼水表面的重疊，如圖8所示。住友金屬和歌山廠(現(xiàn)新日鐵)采用了更高的自由空間的爐和新設(shè)計(jì)的噴槍?zhuān)诟叩难鯕饬髁?/span>(5 Nm³/t/min)下實(shí)現(xiàn)了高速脫碳(9分鐘)。[55]

圖8  新概念噴槍在轉(zhuǎn)爐高速吹煉中的應(yīng)用

在冷模型和6噸熱模型爐子實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，Naito等[56]設(shè)計(jì)了過(guò)度擴(kuò)展條件下的噴嘴，實(shí)現(xiàn)了軟吹條件，并表明該設(shè)計(jì)減少了粉塵的產(chǎn)生。

3.2.2. 轉(zhuǎn)爐檢測(cè)技術(shù)

在吹煉過(guò)程中檢測(cè)濺渣的各種方法已被報(bào)道過(guò)，包括在爐口用監(jiān)視攝像頭檢測(cè)、[57~59]用加速度計(jì)測(cè)量爐的振動(dòng)[60]和用聲波信號(hào)檢測(cè)。[61]  M. Shakirov等人[62]報(bào)道了濺渣的分類(lèi)，Cicutti等人[63,64]在吹煉過(guò)程中通過(guò)聲學(xué)分析進(jìn)行了詳細(xì)的研究，S.Barella等[65]研究了渣粘度對(duì)泡沫行為的影響。M. Malathi[66]等人研究了一個(gè)基于渣殼檢查的噴濺模型。

利用數(shù)據(jù)科學(xué)進(jìn)行工藝建模可望在不久的將來(lái)取得進(jìn)展，在這種情況下，通過(guò)開(kāi)發(fā)新的傳感器、直接觀測(cè)和建模技術(shù)來(lái)準(zhǔn)確地理解這種現(xiàn)象將變得更加重要。

3.2.3. 轉(zhuǎn)爐法生產(chǎn)不銹鋼

1972年,新日鐵(Nippon Steel)建立了一個(gè)由高爐生產(chǎn)的鐵水來(lái)生產(chǎn)鐵素體不銹鋼工藝，代替電弧爐(廢鋼熔化)工藝，[67]新日鐵(Nippon Steel)的工藝中，積極使用RH-OB方法和鋼水和利用鋁氧化加熱技術(shù)，[68] 可以用長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)鐵素體不銹鋼需要。

川崎鋼鐵千葉廠(現(xiàn)在JFE鋼鐵東日本廠(千葉))采用了一種鉻球團(tuán)生產(chǎn)不銹鋼的技術(shù)，采用了兩個(gè)頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐(K-BOP)和RH-KTB的雙重精煉工藝。K-BOP工藝主要包括熔煉還原、排渣、FeCr熔化和脫碳。隨后,一個(gè)新工藝使用鉻礦石代替鉻球團(tuán)來(lái)進(jìn)行鐵素體不銹鋼生產(chǎn)，見(jiàn)圖9，[69 – 71]在這個(gè)工藝中，采用兩個(gè)轉(zhuǎn)爐(SRF：熔化還原爐和DCF：脫碳爐)，VOD工藝二次精煉滿(mǎn)足超低碳不銹鋼產(chǎn)品和高質(zhì)量的要求。安裝了立式彎曲連鑄機(jī)和具有加熱/熔化功能的J-First (JFE不銹鋼柔性庫(kù))保溫爐。[71]鉻礦砂熔化還原時(shí)，碳作為還原劑。為了補(bǔ)償還原反應(yīng)造成的熱損失，由碳和CO氣體氧化提供熱量供應(yīng)。然而，當(dāng)使用更高的氧氣供應(yīng)率來(lái)提高生產(chǎn)率時(shí)，碳的后燃燒產(chǎn)生的粉塵和耐火材料侵蝕是面臨的問(wèn)題。

圖9  鉻礦熔煉還原法生產(chǎn)不銹鋼[71]

為了解決這些問(wèn)題，2012年Okuyama等人[72]和Sato等人[73]開(kāi)發(fā)了一種使用氫基燃料的特殊燒嘴，在該技術(shù)中，鉻礦顆粒由燒嘴火焰中加熱，達(dá)到很高的加熱效率。圖10顯示了原來(lái)的和發(fā)展的傳熱方法的比較。由于鉻礦顆粒在燒嘴火焰熱媒中加熱，加熱效率達(dá)到80%。該燒嘴促進(jìn)鉻礦熔化，彌補(bǔ)還原反應(yīng)中的熱量損失，在相同的供熱條件下對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了能源效率提高了20%。除了降低FeCr合金的消耗外，降低碳作為熱源的消耗也就降低了CO₂的排放，從而降低了環(huán)境負(fù)荷。

圖10  常規(guī)傳熱與發(fā)展傳熱技術(shù)比較

3.3. 使用頂吹底復(fù)吹轉(zhuǎn)爐熔化廢鋼

Nakayama鋼鐵于2002年開(kāi)始使用NSR法(Nakayama廢鋼熔煉工藝)。[74]該工藝采用常規(guī)頂吹轉(zhuǎn)爐頂部加煤100%廢鋼熔煉。

KS轉(zhuǎn)爐是在頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)進(jìn)行100%廢鋼熔化的工藝，新日鐵宏畑廠在高爐閑置后安裝了KS轉(zhuǎn)爐，[75] 煤從底部吹風(fēng)口噴入，利用廢輪胎炭黑代替煤，作為熱源加以回收利用。廢輪胎中的橡膠繩和鋼繩也分別作為副產(chǎn)品氣體和鐵源收集。

在日本進(jìn)行了從1991年到2000年，“國(guó)家項(xiàng)目回收廢物廢料,減少二惡英氣體排放,節(jié)能和選擇性擴(kuò)張能量” [76] 表明，當(dāng)考慮能量回收，與電弧爐過(guò)程相比，一次能源可以減少25%。

在不久的將來(lái)，有必要開(kāi)發(fā)一種新工藝，既能最大限度地減少二氧化碳排放，又能保持鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)率和質(zhì)量。為了迎接這一挑戰(zhàn)，應(yīng)該開(kāi)發(fā)用于擴(kuò)大冷鐵資源使用的廢鋼分類(lèi)技術(shù)和碳回收技術(shù)。

4. 二次精煉(鋼包冶金)

二次精煉技術(shù)應(yīng)用于在轉(zhuǎn)爐或電弧爐中熔化并進(jìn)行一次精煉的鋼液，以調(diào)整鋼的化學(xué)成分和溫度。為了最大限度地提高初煉爐能力，為了生產(chǎn)高純度和高清潔度的鋼材，二次精煉是一個(gè)必需的工藝過(guò)程。二次精煉需要具備以下功能:

(1) 真空(減壓)狀態(tài)下去除氫、碳、氮。

(2) 鋼水?dāng)嚢杳撗酰鶆蜾撍疁囟取?/span>

(3) 用助熔劑和渣進(jìn)行精煉，脫硫、脫氧和夾雜物控制(化學(xué)和造泡沫渣)。

(4) 利用電弧、鋁氧化或燃?xì)鉄旖o鋼水提溫。

(5) 添加合金調(diào)整化學(xué)成分。

從1950年后期到1960年，許多類(lèi)型的真空精煉設(shè)備被開(kāi)發(fā)出來(lái)。Bochumer法(液滴脫氣法)是Bochumer聯(lián)盟在1952年為消除大型鑄鍛錠中的氫缺陷而開(kāi)發(fā)的第一個(gè)商用脫氣設(shè)備。

DH法是由Dortmund Horder Huttenunion于1956年開(kāi)發(fā)的，RH法是由Ruhrstahl and Heraeus公司于1958年開(kāi)發(fā)的，作為抽吸式真空脫氣設(shè)備。真空電弧脫氣法(VAD)和真空氧脫碳法(VOD)是在1968年發(fā)展起來(lái)的，氬氧脫碳法(AOD)和鋼包爐法(LF)分別是在1967年和1971年發(fā)展起來(lái)的。Kajioka[77] 、Iida[78]、Kuwabara[79]報(bào)道了技術(shù)發(fā)展的類(lèi)型、作用和歷史，Semura和Matsuura[80]回顧了日本的技術(shù)發(fā)展和發(fā)展歷史。在本章中，這些二次精煉技術(shù)統(tǒng)稱(chēng)為“鋼包冶金”。

4.1. 真空冶金

真空精煉被廣泛地分為RH和VD兩種，其中RH、VD和DH[80,81]方法被廣泛使用，如圖11所示。1961年安裝在八幡鋼鐵(現(xiàn)在的新日鐵)的DH法是日本第一個(gè)真空精煉設(shè)備。盡管DH法在日本得到了廣泛的應(yīng)用，但DH法與RH法相比存在著一些缺點(diǎn)，如使用升降式真空容器，設(shè)備復(fù)雜，脫氣能力較小。1998年，新日鐵發(fā)展了REDA法，彌補(bǔ)了DH法的不足。[82 – 84] REDA法被用于超低碳和不銹鋼的生產(chǎn)，生產(chǎn)高純不銹鋼比VOD精煉更為有效。[83]

圖11  多功能真空精煉工藝

4.1.1. RH工藝

首次安裝在日本富士鋼RHHirohata鋼廠(現(xiàn)在新日鐵Hirohata)在1963年，是世界第二個(gè)RH 設(shè)備[81, 85]。從1970年代末到1980年代后期，日本的鋼鐵生產(chǎn)工藝迅速變化，連鑄替代模鑄凝固過(guò)程中，在這種情況下，RH進(jìn)程也出現(xiàn)了快速的進(jìn)展和建設(shè)，包括以下幾點(diǎn)。

 (1) 增加超聲波檢測(cè)鋁鎮(zhèn)靜鋼脫氣生產(chǎn)鋁鎮(zhèn)靜鋼寬厚板。

(2) 一般鋼牌號(hào)采用RH，利用其高效的真空脫碳和攪拌能力，降低轉(zhuǎn)爐負(fù)荷。

(3) 應(yīng)用于超低碳鋼，提高生產(chǎn)率和改善產(chǎn)品質(zhì)量。

在RH過(guò)程中，鋼液的循環(huán)是由浸沒(méi)管(通氣管)提供的氬氣引起的，利用的是氣舉效應(yīng)。實(shí)際工廠的循環(huán)率的測(cè)量使用金的同位素Au198作為示蹤劑[86]和加入銅[87]，Kuwabara 團(tuán)隊(duì)的[88]分析連續(xù)合金添加成分變化，將結(jié)果與其他公司的報(bào)告數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，提出作為循環(huán)率Q的公式(4)，圖12顯示之間的關(guān)系是計(jì)算結(jié)果和RH設(shè)備實(shí)際測(cè)量結(jié)果。

圖12  實(shí)際RH測(cè)量結(jié)果和公式(4)的關(guān)系[88]

真空精煉脫碳主要用于以下兩個(gè)目的:

 (1) 不銹鋼生產(chǎn)中，在抑制[Cr]氧化的同時(shí)，在低碳范圍內(nèi)脫碳。

(2) 汽車(chē)面板用超低碳鋼的批量生產(chǎn)。

VOD是不銹鋼生產(chǎn)中主要的真空精煉工藝。許多有關(guān)超低碳鋼的研究是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行的；特別是RH工藝超低碳范圍內(nèi)的脫碳能力，使用轉(zhuǎn)爐脫磷鐵水大批量生產(chǎn)超低碳鋼和不銹鋼，為技術(shù)進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)。

Sumita等[89]建立了一個(gè)假定連續(xù)平衡的脫碳模型，該模型近似于在RH環(huán)境下鋼包和真空容器之間的完美混合(2個(gè)容器)。利用該模型分析了操作條件對(duì)脫碳的影響，如圖13所示。

圖13  脫碳過(guò)程中ak、K、Q的關(guān)系[89]

其中[C]₀為初始含碳量，Q為循環(huán)速率(t/min)， V為鋼包內(nèi)容積(m³)， ak為脫碳容量系數(shù)(m³/min)， K為脫碳表觀速率常數(shù)(min?1)。

分析結(jié)果如下:

(1)  90%的脫碳在真空室中進(jìn)行，剩余的10%在上部通氣管中進(jìn)行。

(2) 在低碳區(qū)，即[C]≦40 ppm，脫碳速率停滯，ak≦10 m³/min，K≦0.15 min?1。真空室脫碳速率控制步驟是脫碳反應(yīng)傳質(zhì)與循環(huán)速率的混合條件。

最近的RH設(shè)備有更高的循環(huán)速率和更小的混合時(shí)間。Kato等人[90]的研究表明，在鋼包內(nèi)的鋼水中不存在濃度分布不均勻的死區(qū)。當(dāng)[C]>40 ppm時(shí)，速率控制步驟包括(i)真空室鋼液表面氣泡成核速率和(ii)氣泡生長(zhǎng)和浮選分離(聚集和統(tǒng)一)速率。在[C]≦40 ppm低碳區(qū)，(ii)為速率控制步驟。因此，要加快超低碳鋼在RH環(huán)境中的脫碳速度，有以下幾點(diǎn)重要:

 (1) 通過(guò)增加RH排氣量快速提高脫碳初期的真空度。

(2) 提高鋼水的循環(huán)速率。

(3) 在脫碳后期對(duì)鋼水表面進(jìn)行強(qiáng)力攪拌。

RH-OB (O₂注入)開(kāi)發(fā)了新日鐵室蘭鋼廠致力于促進(jìn)這一過(guò)程的脫碳不銹鋼生產(chǎn)，[91]雙重分層風(fēng)口設(shè)置在真空室的底部，氧氣噴射由氧槍的內(nèi)管供應(yīng)，油霧由氧槍的外管提供。控制脫碳、升溫和吹氧完成后的RH處理時(shí)間，對(duì)該工藝中吹氧產(chǎn)生的夾雜物的合理浮選和去除具有重要意義。

RH-KTB (RH-Kawatetsu頂槍吹氧)氧氣頂吹法在川崎鋼鐵千葉鋼廠發(fā)展起來(lái)的，[92,93]頂槍與鋼水表面之間的距離是1.6m和4.5 m，結(jié)合碳含量控制目標(biāo)來(lái)控制氧槍位置高度，給鋼水表面吹氧進(jìn)行脫碳。RH-KTB的作用如下:

 (1) 使用碳的后燃燒減少了溫降，降低邊緣處理工作量。

(2)  脫碳率增大(容量系數(shù)增大)。

(3)  因?yàn)槭褂?/span>RH-KTB，在轉(zhuǎn)爐吹煉結(jié)束時(shí)盡可能增加碳的含量，降低出鋼溫度和全鐵量(%T.Fe)，改善了單位數(shù)值。

RH-MFB (RH -多功能燒嘴)是新日鐵博畑廠[94,95]開(kāi)發(fā)的，它可以從頂部噴槍供應(yīng)氧氣和液化天然氣，耐火材料和鋼水在處理期間和等待時(shí)間加熱。RH-PTB(頂部噴吹粉料)是住友金屬(現(xiàn)新日鋼)[96,97]和歌山廠研制的一種用于生產(chǎn)超低硫、低碳鋼的噴吹技術(shù)，其特點(diǎn)是在[C]≦40 ppm的范圍內(nèi)噴吹鐵礦粉進(jìn)行脫碳。研究認(rèn)為，在鋼液中夾帶分散的鐵礦粉增加了反應(yīng)界面面積，起到了氧源的作用，同時(shí)也為CO氣泡提供了形核條件。

在千葉的川崎鋼鐵(現(xiàn)在東日本JFE鋼鐵(千葉))，氫氣和氬氣的混合氣體從循環(huán)氣體噴嘴噴入，檢查了生產(chǎn)超低碳鋼的脫碳行為，[98]發(fā)現(xiàn)氫曾經(jīng)溶解進(jìn)入鋼液，在低碳區(qū)域內(nèi)脫碳，由氫提供形核的脫氣現(xiàn)象。研究了噴入氫氣的效果，發(fā)現(xiàn)在[C]≦15 ppm的超低碳區(qū)，脫碳率提高，達(dá)到最終的低碳水平。[98]

Okuyama等人[99]和Sumi等人[100]進(jìn)行了冷模型實(shí)驗(yàn)，研究了減壓下拉瓦爾噴嘴的氧氣噴射行為，并將測(cè)量的射流動(dòng)態(tài)行為與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行了比較。

脫氮反應(yīng)受化學(xué)成分的影響，尤其是表面活性元素的影響。已知，表觀脫氮速率常數(shù)由[N]二級(jí)反應(yīng)表示，隨[O]和[S]的增加而降低,[O]比[S]更有效。脫氮速率的控制步驟是鋼液表面吸附氮的去除率和N₂ (g)的解吸。

在RH工藝中，氮?dú)獾奈蘸腿コ峭瑫r(shí)進(jìn)行的，因?yàn)榭諝鈴耐夤艿牧芽p中泄漏出來(lái)。因此，要盡量減少因漏氣引起的氮?dú)馕铡Ｒ韵录夹g(shù)是減少氮的吸收，已有報(bào)道：

 (1) 在轉(zhuǎn)爐內(nèi)不脫氧出鋼。

(2) 增加循環(huán)的(Ar)氣體流量。[101]

(3) 改進(jìn)管路和法蘭處的氬氣密封性能。

(4) 無(wú)法蘭管路的使用[102]

其他的例子也有報(bào)道。Mukawa等人[103]研究了在循環(huán)氣體(Ar)中混合CO氣體以促進(jìn)氮?dú)饷摮?/span>Yano等人[104]報(bào)道了不脫氧出鋼、抑制法蘭部分氣體泄漏和應(yīng)用密封中間包作為預(yù)防吸氮的對(duì)策。

作為一種非真空的脫氮方法，考察了渣的脫氮效果。使用CaO-Al₂O₃渣控制其化學(xué)成分，從而提高渣的容氮能力，從而提高氮去除率。[105] Yamaguchi等人[106]進(jìn)行了從渣中氮進(jìn)入到氣相而除氮，此外進(jìn)行了鋼液中的氮進(jìn)入渣中的基礎(chǔ)研究。

Arai等人[107]開(kāi)發(fā)了PERM(壓力升降法)，以促進(jìn)浮選去除夾雜物。利用氮?dú)庠诔汉蜏p壓下溶解度的差異，可以產(chǎn)生氮?dú)鈿馀荨＿@項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用于碳鋼和不銹鋼的50 t的VOD生產(chǎn)上以及生產(chǎn)軸承鋼的250 t的RH上。氧去除率提高了一倍以上，板坯中總氧含量和平均夾雜物尺寸均有所降低。

在真空室內(nèi)添加脫硫劑對(duì)鋼水脫硫技術(shù)由Mizukami等人，[108,109]  Satoet等人[110]和Soejima等人[111]報(bào)道，噴入脫硫劑脫硫技術(shù)在川崎鋼鐵水島鋼廠(現(xiàn)在日本JFE鋼鐵西方鋼廠(Kurashiki)) [112]和新日鐵Ohita Works[113]進(jìn)行調(diào)研。

4.1.2. VOD（真空吹氧脫碳）

VOD法于1967年由德國(guó)威騰公司開(kāi)發(fā)，日本的第一臺(tái)設(shè)備于1968年安裝在日新鋼鐵公司，用于不銹鋼精煉。發(fā)展的例子包括VOD方法超低碳鋼和超低氮不銹鋼生產(chǎn)(Katayama 等人[114])，KTG(川崎鋼鐵東京Yogyo氣體吹系統(tǒng))方法(Kakiuchi等人[115,116]，Oguchi 等人[117])使用單孔噴嘴替換多孔透氣磚，在那個(gè)時(shí)期是鋼包精煉的主流。此外，還研究了氧化劑粉末噴吹對(duì)脫氮的促進(jìn)作用。[118,119]

4.1.3. VCR(真空轉(zhuǎn)換精煉:真空AOD)

在不銹鋼精煉中，可以用AOD法從高碳鋼水進(jìn)行脫碳，但是AOD在低碳范圍內(nèi)脫碳率較低，因此最終含碳量達(dá)不到超低碳要求。雖然引入大量Ar氣體可以降低CO氣體分壓，但這會(huì)增加成本。Daido Special Steel公司開(kāi)發(fā)了VCR，這是一種改良的AOD，具有真空精煉功能。[120]該公司于1991年[121]開(kāi)始在不銹鋼生產(chǎn)，使用70 t的AOD-VCR工藝，如圖14所示。

圖14  AOD - VCR簡(jiǎn)圖[123]

VCR工藝的特點(diǎn)是利用爐渣中的溶解氧和氧化物，在真空條件下不吹氧進(jìn)行脫碳。新日鐵在1996年引入了V-AOD不銹鋼精煉工藝。V-AOD工藝在減壓(C]≦0.6%)下吹氧(不稀釋氣體)改善了脫碳條件，縮短了精煉時(shí)間，降低了為了渣中鉻還原需要的硅合金的消耗量。[122]

4.2. 無(wú)需真空處理的二次精煉(鋼包冶金)

無(wú)真空處理的二次精煉是通過(guò)特殊的噴槍或底部透氣磚噴射氬氣開(kāi)始的，用于各種目的，包括調(diào)整化學(xué)成分、脫氧、去除夾雜物、脫硫和鋼水溫度的均勻化。

掃描槍法、TN(Thyssen Nieder Rhein)法和CaSi喂線法等在鋼水中創(chuàng)造氣泡的方法在20世紀(jì)80年代開(kāi)始商業(yè)化。ASEA-SKF是第一種利用位于鋼包外面的電磁感應(yīng)線圈進(jìn)行攪拌的方法。[78]

新日鐵開(kāi)發(fā)了CAS-OB(密封氬氣泡-吹氧調(diào)整成分)，[123]這是一種采用氬氣泡進(jìn)行脫氧和調(diào)整化學(xué)成分的簡(jiǎn)化二次精煉工藝。日本鋼鐵[124]還開(kāi)發(fā)了KIP (Kimitsu噴射法)用于噴射助熔劑脫硫。這些技術(shù)后來(lái)通過(guò)提供真空功能被修改為減壓的CAS-OB和V-KIP。

LF(鋼包爐)法是1970年發(fā)展起來(lái)的，在LF工藝中，鋼水在氬氣的攪拌下進(jìn)行脫氧脫硫。由于合金的加入降低了鋼液的溫度，使用用石墨電極電弧加熱鋼水。80年代，NKK - AP(NKK電弧精煉工藝)通過(guò)使用熔劑噴槍和石墨電極加熱裝置，用于超低硫和超低氧鋼的商業(yè)化生產(chǎn)。[125]

4.2.1. LF法的夾雜控制

Yoshioka等人使用一種名為ASPEX Explorer的掃描電鏡技術(shù)研究了尺寸為1 μm或更大的夾雜物的組成，[126]所檢測(cè)的材料是采用EAF (150 t)-LF-RH-CC工藝生產(chǎn)的表面硬化(SCM)鋼(C/0.22, Si/0.26, Mn/0.68, Ni/1.62, Cr/0.56(質(zhì)量%))。

在三洋特殊鋼中，通過(guò)控制CaO和CaF₂的添加量，將RH中氧化物夾雜物的組成控制為MgO-Al₂O₃系，這有助于通過(guò)浮選降低總氧含量(圖15)。通過(guò)對(duì)EAF-LF-RH-CC工藝的全程控制，開(kāi)發(fā)了一種超凈軸承鋼的高產(chǎn)工藝技術(shù)。

圖15  二次精煉過(guò)程中夾雜物成分的變化[129]

4.2.2. 夾雜物控制

關(guān)于氧化鋁夾雜物的研究有很多報(bào)道。Tozawa等人[128]用分形理論分析了氧化鋁團(tuán)簇產(chǎn)生的團(tuán)聚和浮選行為。Miki等人[129]研究了氬氣泡對(duì)RH工藝中夾雜物去除行為的影響。此外，Sasai等人[130~132]通過(guò)不同的基礎(chǔ)研究報(bào)道了氧化鋁的生成和去除行為。

Harada等人[133]提出了基于耦合反應(yīng)模型的夾雜生成模型。氧化物冶金[134-153]是一種利用夾雜物和析出物來(lái)控制鋼材組織的技術(shù)。本文報(bào)道了利用凝固過(guò)程中產(chǎn)生的細(xì)小二次氧化物夾雜物來(lái)獲得更細(xì)的顯微組織，[154~159]特別是在較高的凝固速率下，次生氧化物夾雜可在薄板坯和薄帶鑄造過(guò)程中得到利用。在今后的研究中，需要進(jìn)一步研究夾雜物和沉淀對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的控制作用。

4.3. 鋼包冶金的問(wèn)題與展望

為了滿(mǎn)足人們對(duì)高質(zhì)量鋼產(chǎn)品的需求，必須進(jìn)一步開(kāi)發(fā)生產(chǎn)高純凈高清潔度鋼的新技術(shù)。雖然低碳范圍內(nèi)脫碳已經(jīng)通過(guò)真空精煉工藝實(shí)現(xiàn)，但未來(lái)還需要使用精確的反應(yīng)模型、數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)和快速加熱技術(shù)對(duì)[C]、[O]、[全O]和溫度進(jìn)行過(guò)程控制。對(duì)于脫氮，需要一種簡(jiǎn)化的電弧爐工藝技術(shù)、爐渣利用技術(shù)和爐渣脫氮技術(shù)。在脫硫方面，超低硫鋼已經(jīng)可以生產(chǎn)，但需要高速脫硫和加熱技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足對(duì)超低硫鋼日益增長(zhǎng)的需求。需要對(duì)超純凈鋼中夾雜物和析出相的研究，以提高和改善鋼鐵產(chǎn)品的顯微組織。 

5. 總結(jié)-精煉工藝的問(wèn)題與展望

5.1. 煉鋼過(guò)程中的問(wèn)題和對(duì)環(huán)境問(wèn)題的反應(yīng)

日本粗鋼產(chǎn)量在1960年后迅速增長(zhǎng)，1973年首次達(dá)到每年1億噸。今天，日本的粗鋼產(chǎn)量仍然保持在每年1億噸左右。2018年，日本是世界第三大生產(chǎn)國(guó)，僅次于中國(guó)和印度。

日本綜合鋼鐵廠位于沿海，進(jìn)口優(yōu)質(zhì)鐵礦石和煤炭，他們優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，大批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼材。本文介紹的生產(chǎn)工藝分為鐵水預(yù)處理、聯(lián)合吹煉轉(zhuǎn)爐和二次精煉。

另一方面，“促進(jìn)全球環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，抑制全球變暖”是鋼鐵行業(yè)亟待解決的問(wèn)題。2008年，日本啟動(dòng)了一個(gè)名為“氫還原制鋼工藝”的國(guó)家項(xiàng)目(COUESE 50 項(xiàng)目[162])，目標(biāo)是到2030年將二氧化碳排放量減少30%。此外，2018年，日本鋼鐵聯(lián)合會(huì)(JISF)提出了“零碳鋼鐵制造挑戰(zhàn)”的愿景，作為應(yīng)對(duì)全球變暖的對(duì)策。JISF宣布了一個(gè)路線圖，并設(shè)定了到2100年將二氧化碳排放量減少到零的目標(biāo)。在未來(lái)，將需要更高的能源效率的廢鋼工藝和減少鐵熔煉工藝，以高效生產(chǎn)高質(zhì)量鋼。

5.2. 精煉工藝的問(wèn)題與展望

精煉過(guò)程的問(wèn)題1)利用大數(shù)據(jù)、人工智能和數(shù)據(jù)科學(xué)精煉過(guò)程的控制，提高其效率，2)開(kāi)發(fā)和實(shí)際實(shí)現(xiàn)傳感和建模，3)利用機(jī)器人集成和簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程，4)擴(kuò)大使用廢鋼，包括廢鋼和還原鐵，對(duì)其中的殘余元素進(jìn)行清理消除，5)開(kāi)發(fā)具有較高精煉能力和促進(jìn)煉鋼精煉渣，促進(jìn)3R(減少、再利用和循環(huán)利用)精煉渣研發(fā)使用。

在未來(lái)，鐵的來(lái)源將變得更加多樣化，因此，將需要更高的能源效率熔化過(guò)程和3R的煉鋼渣。因此，需要一種新的前處理工藝來(lái)降低雜質(zhì)元素、磷和硫的含量。在轉(zhuǎn)爐精煉和鋼包冶金中，需要利用科學(xué)數(shù)據(jù)可視化等方式闡明現(xiàn)象機(jī)理的精煉控制技術(shù)，需要建模和高溫傳感技術(shù)以實(shí)現(xiàn)過(guò)程的精確控制。此外，除了工藝過(guò)程簡(jiǎn)化和多功能外，還需要開(kāi)發(fā)新的攪拌和快速加熱技術(shù)，使生產(chǎn)速度更快、更穩(wěn)定。

5.3. 基礎(chǔ)研究的必要性

有必要開(kāi)發(fā)與以上幾點(diǎn)相適應(yīng)的新技術(shù)。因此，高溫現(xiàn)象的可視化、傳感技術(shù)、過(guò)程模型、熔融金屬的物理化學(xué)性質(zhì)、冶煉爐渣等基礎(chǔ)研究顯得尤為重要。此外，還需要開(kāi)展煉鐵減量、冷鐵源(廢鋼和還原鐵)工藝、煉鋼爐渣和煉鋼粉塵3R(減量、再利用和循環(huán)利用)等新工藝的基礎(chǔ)研究。為了使環(huán)境負(fù)荷最小化，需要建立這些新工藝。

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作者

Naoki KIKUCHI*：Steel Research Laboratory, JFE Steel Corporation, 1Kokan-cho, Fukuyama, Hiroshima, 721-0931 Japan.(Received on March 31, 2020;accepted on May 1, 2020) 

唐杰民2021年4月2日在安徽黃山屯溪翻譯完成，資料來(lái)源網(wǎng)上下載的日本雜志<ISIJ International>2020年，水平有限，不妥不對(duì)之處請(qǐng)給予指正

（全文完，謝謝欣賞哦！）

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