1 前言
日本制鐵公司在大分制鐵所煉鋼廠，實施了用一座轉爐進行脫硅和脫磷（吹煉1）后，通過中間排渣進行脫碳（吹煉2）的多功能轉爐法（MURC）煉鋼新工藝（如圖1）。MURC法是通過熱循環技術和高速吹煉技術的開發，完成了對普通鋼和高端鋼的生產工藝，作為鐵水全量預處理的煉鋼廠，提高了鐵水預處理比率（如圖2），確立了年產1000萬噸鋼的生產體制。
MURC工藝的顯著特征是，在進行脫硅、脫磷處理后，不轉移鐵水，通過中間排渣，用同一轉爐進行脫碳處理，并對吹煉2的渣進行熱循環利用，使熱損失最小。這樣就產生了熱裕量，在增加產量時可以大量使用廢鋼。另一方面，在最小化購買廢鋼的高鐵水配比作業時，作為冷卻材料，需要投入大量的固體氧化鐵（以下稱氧化鐵），氧化鐵產量低的問題顯現。隨著鐵礦石和焦炭等原料品位的惡化，為應對鐵水中雜質含量（[Si]、[P]、[S]）的增加，以及進一步降低產生的副產物，必須將研發重點放在改善鐵水預處理工序。
根據以上情況，以擴大爐渣和粉塵循環利用為主要目的，通過減少精煉工序的爐渣排出量和改善氧化鐵的利用方法，可以使鐵損降低。
2 煉鋼廠的渣、粉塵流程及鐵損的降低
2.1大分制鐵所煉鋼廠簡介
大分制鐵所煉鋼廠的主要設備有：2個魚雷罐車（TPC）處理站，1個鐵水包式鐵水預處理法（ORP-M）處理站，3座轉爐（運轉2/3座），2座二次精煉真空脫氣設備（RH）和3座連鑄機（CC）。
從1986年開始，鐵水預處理采用了在TPC脫硅處理后，在鐵水包進行脫磷和脫硫處理的ORP-M處理。因此，實現了降低成本。但是，由于分割精煉的熱裕量降低問題和土壤環境標準修訂的螢石使用限制， 1998年引入了轉爐型鐵水預處理法（MURC），并擴大了應用范圍。2002年開始在MURC循環利用爐渣熱量，對于普通鋼，將鐵水包處理設備作為充分利用浸漬自由空間的高速脫硫設備來利用。這樣，以循環利用熱渣來降低排出系統外渣量為主的環境和諧型工藝得到極大改善。
2.2 擴大渣循環利用措施
圖3是大分制鐵所煉鋼廠的爐渣發生狀況。一部分脫硫渣直接用于燒結，但除此之外的渣經由渣處理場，在破碎、整粒工序中回收磁性材料。回收磁性材料后的爐渣，為降低膨脹率將大部分進行陳化處理，發貨到廠外或廠內循環再利用。2010財年排放系統外渣量89kg/t中，廠內滯留47kg/t。通過強化以路基材料和煉鐵煉鋼循環利用為中心的廠內循環利用，2014財年，廠內滯留為0kg/t，爐渣產生和循環利用獲得了平衡。特別是在鋼渣循環利用中，從2010財年的3kg/t，擴大到2014財年的12kg/t。關于采取的措施將在后面介紹。除此之外，作為燒結循環利用，廠內回收12kg/t，其余排放系統外的渣79kg/t全部用于路基材料和地基改良等。
圖4是煉鋼廠內的渣回收流程。在MURC，熱循環利用高堿度的吹煉2渣和低堿度的吹煉1渣，實現了大幅度減少生石灰使用量，并通過強化高堿度渣的分類，進一步降低了生石灰使用量。
1）吹煉2渣用于TPC脫硅和轉爐循環利用
通常是將吹煉1和吹煉2混合回收的渣排放到不同的排渣罐，只回收高堿度的吹煉2渣用于再循環。為了在TPC脫硅中使用吹煉2渣，在輔助原料車間的粉碎工序，新建和改造吹煉2渣的原料接收系統和輸送路線，用于生產吹煉2渣粉。此外，對剩余的吹煉2渣，鐵水硅含量高導致轉爐裝入硅增加時，再循環至吹煉1，用于確保堿度。
2）造塊渣的回收
造塊渣堿度和Al2O3含量都高，因此，除替代CaO外，由于Al2O3含量上升，渣熔點降低，對提高渣化性有效，所以用于吹煉時間短的吹煉1。
圖5是以上擴大渣回收措施的狀況。與2010財年相比，冷回收渣量大幅度增加，其結果如圖6所示，大幅度降低了新投入吹煉1的CaO單耗。
2.3 擴大粉塵回收的措施
大分制鐵所煉鋼廠的粉塵主要發生源是ORP-M的鐵水包脫硫粉塵、轉爐粉塵，這些粉塵在廠內循環用于鐵水預處理和轉爐。此外，一部分轉爐粉塵作為還原鐵原料轉送到廣畑制鐵所。大分制鐵所的鐵水預處理工序，備有粉塵回收的輥磨機和干燥機等粉塵處理設備，可以生產水分＜1%，粒徑＜150μm的粉體。通過強化粉塵干燥設備能力，提高了供給TPC脫硅和轉爐的粉塵生產能力。由于促進了脫硅工序的粉塵回收，粉塵可以滿足TPC脫硅所需的全部氧化鐵。此外，為了循環利用MURC的粉塵，充分利用將轉爐粉塵混合、成形和干燥，并壓塊的設備。通過該壓塊設備的有效利用，促進了粉塵的轉爐循環利用。通過以上措施，轉爐和TPC脫硅粉塵的回收利用，從2010財年的4.6kg/t，增加到2014財年的8.1kg/t。
2.4 大分制鐵所精煉工序中的鐵損問題
精煉工序產生的主要鐵損有粉塵、渣中的粒鐵和渣中的氧化鐵。關于渣排放量，雖然正在取得流量平衡，但回收困難的渣中氧化鐵不能循環利用時，會造成鐵損，因此降低排放到系統外的渣中有價鐵分是目前的研究課題。到目前為止，一直致力于強化吹煉2渣和鐵水渣的渣回收，努力降低鐵損耗。但對沒有回收的吹煉1渣，除了用磁選可回收的鐵分以外，作為鐵損排出到系統外。
圖7是吹煉1的鐵礦石投入量與吹煉1停吹渣中T.Fe的關系。隨著吹煉1鐵礦石單耗的增加，吹煉1停吹渣中T.Fe也增加。這是因為中間排渣形成中斷吹煉的結果，吹煉1的吹煉時間約為3min，時間較短，鐵礦石不足以還原成金屬鐵。特別是在高鐵水配比（HMR）作業中，存在為了冷卻鐵水而投入大量鐵礦石，導致T.Fe含量高的問題。
2.5 降低鐵損的思路
圖8是經MURC吹煉1處理后，以渣中T.Fe（沒有使用鐵礦石）為基準，比較了TPC脫硅（噴吹法）處理后T.Fe的試驗結果。從圖中可知，隨著堿度（C/S，CaO/SiO2）的升高，T.Fe降低，在所有的C/S中，運用TPC脫硅，可以大幅度降低T.Fe。
根據上述分析，總結歸納出降低鐵損的思路（如圖9）。為使脫硅、脫磷（MURC吹煉1）中的鐵損最小化，致力于降低渣量和鐵礦石未還原的損失。除了高堿度渣分類回收以擴大渣回收之外，還要強化TPC噴吹脫硅，并利用氧化度低的氧化鐵（粉塵等）。
3 通過TPC脫硅降低鐵損的措施
3.1 擴大TPC脫硅處理
圖10是從TPC處理場到轉爐裝入的過程示意圖。在TPC處理場用雙重管噴槍，從內管噴吹氣體，外管噴吹粉體，進行各種處理。粉體以規定的配比從接收罐排出到提升罐后，壓送到噴吹罐。脫硅劑由廠內的輔助原料車間粉碎生產并供給。
TPC處理后，除高爐渣外，將脫硅生成的脫硅渣從TPC隨著鐵水一塊移出到鐵水包，在鐵水包處理場脫硫處理前，傾動鐵水包進行扒渣、排渣。排到受渣罐的脫硅渣運到熔渣處理場，進行冷卻處理。
作為TPC脫硅的CaO源，為了循環利用吹煉2渣，在轉爐渣處理場進行吹煉2渣的分類回收和新設了TPC噴吹用粉碎生產線，同時，還新設了由于TPC脫硅而增加的脫硅渣處理設備。
3.1.1 TPC脫硅劑的生產
TPC脫硅劑是在輔助原料車間用輥磨機粉碎。之前，該生產線生產TPC和鐵水包噴吹用生石灰粉，但運轉率尚有余力，所以新設備改造了吹煉2渣原料的接收系統和輸送路線，用于生產吹煉2渣的粉體。吹煉2渣含有水分，直接微粉化時會結塊，導致噴吹時堵塞噴槍。因此，利用原有的熱風爐向輥磨機內送入熱風，可以吹干吹煉2渣。
對脫硅用粉塵進行干燥和粉碎處理，作為脫硅劑使用，但干燥機的能力成為粉塵生產的瓶頸。通過新設干燥機，實現了擴大粉塵的生產能力。這樣，可以保證3000t/月規模的脫硅用粉塵。
3.1.2 提高脫硅渣處理能力
由于擴大脫硅處理而增加的脫硅渣是低堿度且流動性高的渣。因為是從高硅區域進行脫硅處理，鐵水析出的石墨大部分殘留在脫硅渣中。因此，在實現高效率冷卻具有流動性的渣和防止石墨粉塵飛散的同時，需要提高渣處理能力。
從排渣罐上部灑水冷卻脫硅渣時，由于流動性高，表面凝固，水難以浸透到內部，冷卻大約需要24h。因此，為了高效率處理，采取了在較短時間就可以冷卻的熱處理方式。
為了防止脫硅渣中的石墨飛散，在有集塵設備的廠房內熱處理后，破碎成大塊并采用灑水一次冷卻。然后，將爐渣橫向放置，在與一次冷卻不同的二次冷卻場，再次進行灑水冷卻，從而提高冷卻效率。
熱處理方式與從渣罐上部灑水冷卻相比，顯著增加了表面積，可以短時間冷卻。這樣可以在約2h內，將爐渣溫度冷卻到運輸車輛熱負荷標準的100℃以下，采用該方法能夠在短時間內冷卻爐渣。
3.2 TPC脫硅的氧化鐵還原率評價
為評價TPC脫硅的氧化鐵還原率，采集了TPC脫硅處理后的渣樣，由成分值可以估算出脫硅渣中的T.Fe損失量，從而計算出氧化鐵（粉塵和吹煉2渣）的還原率。隨著氧化鐵投入量的增加，殘留在脫硅渣中未被還原的T.Fe量極少。TPC脫硅的還原率高達92%，可以高效率從氧化鐵中回收鐵分。
TPC脫硅采用噴吹法，吹入的脫硅劑（氣體氧、氧化鐵）在鐵水中上浮時，進行脫硅反應，脫硅效率高。此外，采用上方投入氧化鐵時，頂渣中T.Fe量上升，氧化鐵還原難以進行。轉爐型鐵水預處理（MURC）的渣中T.Fe量，在低堿度和高氧勢下，進行脫磷反應，本研究認為15%-20%是適當值。與MURC吹煉1相比，在渣中T.Fe含量低的TPC噴吹法的TPC脫硅中，優先循環利用粉塵和吹煉2渣，可以高效回收氧化鐵中的鐵分。
3.3 TPC脫硅循環利用吹煉2渣使鐵損降低
作為TPC脫硅的CaO源，傳統上使用生石灰粉，但為了達到脫硅渣量最小化，可以循環利用吹煉2渣。新設和改造了用于吹煉2渣的新的接收系統、輸送路線，并利用原有的熱風爐在輥磨機內干燥，使生產TPC噴吹用的吹煉2渣粉成為可能。
3.4 TPC脫硅的效果
從鐵水含硅量0.58%進行TPC脫硅，保證脫硅幅度達0.15%，轉爐裝入硅降到0.43%。此外，用于脫硅的粉塵使用量從2010財年的0.3kg/t增加到2014財年的7.7kg/t，增加了7.4kg/t。通過在還原率為92%的TPC噴吹脫硅中，利用粉塵脫硅，使鐵損降低，系統外排放T.Fe降低了0.6kg/t。
4 提高轉爐的氧化鐵還原效率使鐵損降低
4.1 降低轉爐鐵損的思路
在高鐵水配比率作業時，MURC的最大特征之一是熱損失非常少，轉爐的冷卻料投入量有增加的趨勢。作為冷卻料考慮氧化鐵時，用TPC脫硅消耗，可以獲得高還原效率帶來的鐵損降低效果，但是，從作為氧化鐵的粉塵供給量瓶頸和保證脫硫處理所需溫度的角度，TPC脫硅使用的氧化鐵有限，其結果是轉爐投入了大量的用于冷卻的鐵礦石。
投入鐵礦石是為了提高鐵水脫磷效率，降低鐵水溫度，主要是在MURC吹煉1投入。吹煉1的處理時間短，約3min，投入大量的鐵礦石時，鐵礦石不能充分還原，使吹煉1渣中T.Fe量上升。吹煉1渣在移到脫碳吹煉2之前，要進行排出吹煉1渣的中間排渣，還原不充分時會導致鐵損。因此，利用鐵水中碳進行熔融還原，提高氧化鐵的還原效率，在具有熱裕量的高鐵水配比的MURC中成為重要課題。
為了提高鐵礦石的還原效率，采取預還原和增加反應界面或是用固態氧化鐵與鐵水中碳直接還原都是有效的。在從上方添加氧化鐵時，為了與渣下面的鐵水直接反應，氧化鐵需要保證一定的粒徑和重量。根據以上結論，研究了轉爐提高氧化鐵還原效率的問題。
4.2利用轉爐粉塵提高還原效率
轉爐細粒粉塵的發生源是轉爐吹煉時高溫環境下的微粒飛散粉塵，由于未進行氧化而含有大量FeO（熔點1370℃），因此，與含鐵成為幾乎全為Fe2O3（熔點1566℃）的鐵礦石比較，認為具有熔解性優勢。此外，將粉塵塊化后從上方添加，可減少集塵損失和與鐵水接觸的直接還原。因此，從熔解性和還原性的角度考慮，將粉塵塊化后再用于轉爐要比鐵礦石有利。
4.2.1 轉爐粉塵塊化工藝
為了在轉爐再利用細粒粉塵，在粉塵塊化車間，用結合劑壓塊（以下稱粉塵塊礦）。生產流程是接收粉塵和結合劑，邊加濕邊混合，進行擠壓成型，通過蒸汽干燥機，將水分干燥到＜1%后，投入到轉爐輔助原料料倉。
4.2.2 對轉爐中氧化鐵還原率的評價
為了計算轉爐中的氧化鐵還原率，在吹煉1中投入鐵礦石或粉塵塊礦后，在中間排渣時采取吹煉1渣樣，進行了化學分析。結果表明，用粉塵塊礦置換鐵礦石時（使用投入氧化鐵中50mass%以上的粉塵塊礦），殘留在吹煉1渣中的T.Fe量降低，從而清楚了粉塵塊礦的還原率要高于鐵礦石。計算的粉塵塊礦的還原率為82%，鐵礦石的還原率是58%。與鐵礦石相比，粉塵塊礦的還原率要高得多。
4.3提高轉爐氧化鐵還原率的效果
通過擴大粉塵生產能力的措施，在TPC脫硅中優先使用轉爐細粒粉塵。從2010財年的4.3 kg/t擴大到2014財年的5.3 kg/t，增加了1.0 kg/t。由于這項措施，充分利用了還原率82%的粉塵塊礦，使鐵損降低，排放到系統外T.Fe量減少了0.1 kg/t。
5 結語
從循環利用爐渣和粉塵的角度，對降低鐵損的措施總結如下。
1）以擴大吹煉2渣的循環利用和擴大TPC脫硅來降低渣量為中心，與2010財年比較，2014財年排放到系統外的渣量單耗降低了16kg/t。伴隨系統外排出渣量的鐵損單耗降低了3 kg/t。
2）計算了MURC吹煉1和TPC脫硅中氧化鐵的還原率，按①TPC脫硅用粉塵還原率92%；②吹煉1塊礦還原率82%；③吹煉1鐵礦石還原率58%的順序使用氧化鐵，提高了還原效率。此外，在TPC脫硅中，還回收了吹煉2渣中的有價鐵。
3）相對轉爐未還原損失多的鐵礦石，TPC脫硅（噴吹法）使用粉塵脫硅，使鐵損降低了0.6 kg/t，轉爐粉塵塊礦的使用，使鐵損降低了0.1 kg/t，合計獲得了降低鐵損0.7 kg/t的效果。
來源：世界金屬導報
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