1 前言
日本制鐵公司在大分制鐵所煉鋼廠，實(shí)施了用一座轉(zhuǎn)爐進(jìn)行脫硅和脫磷（吹煉1）后，通過中間排渣進(jìn)行脫碳（吹煉2）的多功能轉(zhuǎn)爐法（MURC）煉鋼新工藝（如圖1）。MURC法是通過熱循環(huán)技術(shù)和高速吹煉技術(shù)的開發(fā)，完成了對普通鋼和高端鋼的生產(chǎn)工藝，作為鐵水全量預(yù)處理的煉鋼廠，提高了鐵水預(yù)處理比率（如圖2），確立了年產(chǎn)1000萬噸鋼的生產(chǎn)體制。
MURC工藝的顯著特征是，在進(jìn)行脫硅、脫磷處理后，不轉(zhuǎn)移鐵水，通過中間排渣，用同一轉(zhuǎn)爐進(jìn)行脫碳處理，并對吹煉2的渣進(jìn)行熱循環(huán)利用，使熱損失最小。這樣就產(chǎn)生了熱裕量，在增加產(chǎn)量時(shí)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(yè)時(shí)，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(chǎn)量低的問題顯現(xiàn)。隨著鐵礦石和焦炭等原料品位的惡化，為應(yīng)對鐵水中雜質(zhì)含量（[Si]、[P]、[S]）的增加，以及進(jìn)一步降低產(chǎn)生的副產(chǎn)物，必須將研發(fā)重點(diǎn)放在改善鐵水預(yù)處理工序。
根據(jù)以上情況，以擴(kuò)大爐渣和粉塵循環(huán)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(shè)備有：2個(gè)魚雷罐車（TPC）處理站，1個(gè)鐵水包式鐵水預(yù)處理法（ORP-M）處理站，3座轉(zhuǎn)爐（運(yùn)轉(zhuǎn)2/3座），2座二次精煉真空脫氣設(shè)備（RH）和3座連鑄機(jī)（CC）。
從1986年開始，鐵水預(yù)處理采用了在TPC脫硅處理后，在鐵水包進(jìn)行脫磷和脫硫處理的ORP-M處理。因此，實(shí)現(xiàn)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(huán)境標(biāo)準(zhǔn)修訂的螢石使用限制， 1998年引入了轉(zhuǎn)爐型鐵水預(yù)處理法（MURC），并擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。2002年開始在MURC循環(huán)利用爐渣熱量，對于普通鋼，將鐵水包處理設(shè)備作為充分利用浸漬自由空間的高速脫硫設(shè)備來利用。這樣，以循環(huán)利用熱渣來降低排出系統(tǒng)外渣量為主的環(huán)境和諧型工藝得到極大改善。
2.2 擴(kuò)大渣循環(huán)利用措施
圖3是大分制鐵所煉鋼廠的爐渣發(fā)生狀況。一部分脫硫渣直接用于燒結(jié)，但除此之外的渣經(jīng)由渣處理場，在破碎、整粒工序中回收磁性材料?；厥沾判圆牧虾蟮臓t渣，為降低膨脹率將大部分進(jìn)行陳化處理，發(fā)貨到廠外或廠內(nèi)循環(huán)再利用。2010財(cái)年排放系統(tǒng)外渣量89kg/t中，廠內(nèi)滯留47kg/t。通過強(qiáng)化以路基材料和煉鐵煉鋼循環(huán)利用為中心的廠內(nèi)循環(huán)利用，2014財(cái)年，廠內(nèi)滯留為0kg/t，爐渣產(chǎn)生和循環(huán)利用獲得了平衡。特別是在鋼渣循環(huán)利用中，從2010財(cái)年的3kg/t，擴(kuò)大到2014財(cái)年的12kg/t。關(guān)于采取的措施將在后面介紹。除此之外，作為燒結(jié)循環(huán)利用，廠內(nèi)回收12kg/t，其余排放系統(tǒng)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(nèi)的渣回收流程。在MURC，熱循環(huán)利用高堿度的吹煉2渣和低堿度的吹煉1渣，實(shí)現(xiàn)了大幅度減少生石灰使用量，并通過強(qiáng)化高堿度渣的分類，進(jìn)一步降低了生石灰使用量。
1）吹煉2渣用于TPC脫硅和轉(zhuǎn)爐循環(huán)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(huán)。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(tǒng)和輸送路線，用于生產(chǎn)吹煉2渣粉。此外，對剩余的吹煉2渣，鐵水硅含量高導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐裝入硅增加時(shí)，再循環(huán)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(diǎn)降低，對提高渣化性有效，所以用于吹煉時(shí)間短的吹煉1。
圖5是以上擴(kuò)大渣回收措施的狀況。與2010財(cái)年相比，冷回收渣量大幅度增加，其結(jié)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(kuò)大粉塵回收的措施
大分制鐵所煉鋼廠的粉塵主要發(fā)生源是ORP-M的鐵水包脫硫粉塵、轉(zhuǎn)爐粉塵，這些粉塵在廠內(nèi)循環(huán)用于鐵水預(yù)處理和轉(zhuǎn)爐。此外，一部分轉(zhuǎn)爐粉塵作為還原鐵原料轉(zhuǎn)送到廣畑制鐵所。大分制鐵所的鐵水預(yù)處理工序，備有粉塵回收的輥磨機(jī)和干燥機(jī)等粉塵處理設(shè)備，可以生產(chǎn)水分＜1%，粒徑＜150μm的粉體。通過強(qiáng)化粉塵干燥設(shè)備能力，提高了供給TPC脫硅和轉(zhuǎn)爐的粉塵生產(chǎn)能力。由于促進(jìn)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(huán)利用MURC的粉塵，充分利用將轉(zhuǎn)爐粉塵混合、成形和干燥，并壓塊的設(shè)備。通過該壓塊設(shè)備的有效利用，促進(jìn)了粉塵的轉(zhuǎn)爐循環(huán)利用。通過以上措施，轉(zhuǎn)爐和TPC脫硅粉塵的回收利用，從2010財(cái)年的4.6kg/t，增加到2014財(cái)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(chǎn)生的主要鐵損有粉塵、渣中的粒鐵和渣中的氧化鐵。關(guān)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(huán)利用時(shí)，會造成鐵損，因此降低排放到系統(tǒng)外的渣中有價(jià)鐵分是目前的研究課題。到目前為止，一直致力于強(qiáng)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(tǒng)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(guān)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?yàn)橹虚g排渣形成中斷吹煉的結(jié)果，吹煉1的吹煉時(shí)間約為3min，時(shí)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(yè)中，存在為了冷卻鐵水而投入大量鐵礦石，導(dǎo)致T.Fe含量高的問題。
2.5 降低鐵損的思路
圖8是經(jīng)MURC吹煉1處理后，以渣中T.Fe（沒有使用鐵礦石）為基準(zhǔn)，比較了TPC脫硅（噴吹法）處理后T.Fe的試驗(yàn)結(jié)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(yùn)用TPC脫硅，可以大幅度降低T.Fe。
根據(jù)上述分析，總結(jié)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(kuò)大渣回收之外，還要強(qiáng)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(kuò)大TPC脫硅處理
圖10是從TPC處理場到轉(zhuǎn)爐裝入的過程示意圖。在TPC處理場用雙重管噴槍，從內(nèi)管噴吹氣體，外管噴吹粉體，進(jìn)行各種處理。粉體以規(guī)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(nèi)的輔助原料車間粉碎生產(chǎn)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(jìn)行扒渣、排渣。排到受渣罐的脫硅渣運(yùn)到熔渣處理場，進(jìn)行冷卻處理。
作為TPC脫硅的CaO源，為了循環(huán)利用吹煉2渣，在轉(zhuǎn)爐渣處理場進(jìn)行吹煉2渣的分類回收和新設(shè)了TPC噴吹用粉碎生產(chǎn)線，同時(shí)，還新設(shè)了由于TPC脫硅而增加的脫硅渣處理設(shè)備。
3.1.1 TPC脫硅劑的生產(chǎn)
TPC脫硅劑是在輔助原料車間用輥磨機(jī)粉碎。之前，該生產(chǎn)線生產(chǎn)TPC和鐵水包噴吹用生石灰粉，但運(yùn)轉(zhuǎn)率尚有余力，所以新設(shè)備改造了吹煉2渣原料的接收系統(tǒng)和輸送路線，用于生產(chǎn)吹煉2渣的粉體。吹煉2渣含有水分，直接微粉化時(shí)會結(jié)塊，導(dǎo)致噴吹時(shí)堵塞噴槍。因此，利用原有的熱風(fēng)爐向輥磨機(jī)內(nèi)送入熱風(fēng)，可以吹干吹煉2渣。
對脫硅用粉塵進(jìn)行干燥和粉碎處理，作為脫硅劑使用，但干燥機(jī)的能力成為粉塵生產(chǎn)的瓶頸。通過新設(shè)干燥機(jī)，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)大粉塵的生產(chǎn)能力。這樣，可以保證3000t/月規(guī)模的脫硅用粉塵。
3.1.2 提高脫硅渣處理能力
由于擴(kuò)大脫硅處理而增加的脫硅渣是低堿度且流動性高的渣。因?yàn)槭菑母吖鑵^(qū)域進(jìn)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(shí)現(xiàn)高效率冷卻具有流動性的渣和防止石墨粉塵飛散的同時(shí)，需要提高渣處理能力。
從排渣罐上部灑水冷卻脫硅渣時(shí)，由于流動性高，表面凝固，水難以浸透到內(nèi)部，冷卻大約需要24h。因此，為了高效率處理，采取了在較短時(shí)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(shè)備的廠房內(nèi)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(jìn)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(shí)間冷卻。這樣可以在約2h內(nèi)，將爐渣溫度冷卻到運(yùn)輸車輛熱負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)的100℃以下，采用該方法能夠在短時(shí)間內(nèi)冷卻爐渣。
3.2 TPC脫硅的氧化鐵還原率評價(jià)
為評價(jià)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(jì)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(dá)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(shí)，進(jìn)行脫硅反應(yīng)，脫硅效率高。此外，采用上方投入氧化鐵時(shí)，頂渣中T.Fe量上升，氧化鐵還原難以進(jìn)行。轉(zhuǎn)爐型鐵水預(yù)處理（MURC）的渣中T.Fe量，在低堿度和高氧勢下，進(jìn)行脫磷反應(yīng)，本研究認(rèn)為15%-20%是適當(dāng)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(yōu)先循環(huán)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(huán)利用吹煉2渣使鐵損降低
作為TPC脫硅的CaO源，傳統(tǒng)上使用生石灰粉，但為了達(dá)到脫硅渣量最小化，可以循環(huán)利用吹煉2渣。新設(shè)和改造了用于吹煉2渣的新的接收系統(tǒng)、輸送路線，并利用原有的熱風(fēng)爐在輥磨機(jī)內(nèi)干燥，使生產(chǎn)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(jìn)行TPC脫硅，保證脫硅幅度達(dá)0.15%，轉(zhuǎn)爐裝入硅降到0.43%。此外，用于脫硅的粉塵使用量從2010財(cái)年的0.3kg/t增加到2014財(cái)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(tǒng)外排放T.Fe降低了0.6kg/t。
4 提高轉(zhuǎn)爐的氧化鐵還原效率使鐵損降低
4.1 降低轉(zhuǎn)爐鐵損的思路
在高鐵水配比率作業(yè)時(shí)，MURC的最大特征之一是熱損失非常少，轉(zhuǎn)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(shí)，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(jié)果是轉(zhuǎn)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(shí)間短，約3min，投入大量的鐵礦石時(shí)，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(jìn)行排出吹煉1渣的中間排渣，還原不充分時(shí)會導(dǎo)致鐵損。因此，利用鐵水中碳進(jìn)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(yù)還原和增加反應(yīng)界面或是用固態(tài)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(shí)，為了與渣下面的鐵水直接反應(yīng)，氧化鐵需要保證一定的粒徑和重量。根據(jù)以上結(jié)論，研究了轉(zhuǎn)爐提高氧化鐵還原效率的問題。
4.2利用轉(zhuǎn)爐粉塵提高還原效率
轉(zhuǎn)爐細(xì)粒粉塵的發(fā)生源是轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)高溫環(huán)境下的微粒飛散粉塵，由于未進(jìn)行氧化而含有大量FeO（熔點(diǎn)1370℃），因此，與含鐵成為幾乎全為Fe2O3（熔點(diǎn)1566℃）的鐵礦石比較，認(rèn)為具有熔解性優(yōu)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(zhuǎn)爐要比鐵礦石有利。
4.2.1 轉(zhuǎn)爐粉塵塊化工藝
為了在轉(zhuǎn)爐再利用細(xì)粒粉塵，在粉塵塊化車間，用結(jié)合劑壓塊（以下稱粉塵塊礦）。生產(chǎn)流程是接收粉塵和結(jié)合劑，邊加濕邊混合，進(jìn)行擠壓成型，通過蒸汽干燥機(jī)，將水分干燥到＜1%后，投入到轉(zhuǎn)爐輔助原料料倉。
4.2.2 對轉(zhuǎn)爐中氧化鐵還原率的評價(jià)
為了計(jì)算轉(zhuǎn)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(shí)采取吹煉1渣樣，進(jìn)行了化學(xué)分析。結(jié)果表明，用粉塵塊礦置換鐵礦石時(shí)（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(jì)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(zhuǎn)爐氧化鐵還原率的效果
通過擴(kuò)大粉塵生產(chǎn)能力的措施，在TPC脫硅中優(yōu)先使用轉(zhuǎn)爐細(xì)粒粉塵。從2010財(cái)年的4.3 kg/t擴(kuò)大到2014財(cái)年的5.3 kg/t，增加了1.0 kg/t。由于這項(xiàng)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(tǒng)外T.Fe量減少了0.1 kg/t。
5 結(jié)語
從循環(huán)利用爐渣和粉塵的角度，對降低鐵損的措施總結(jié)如下。
1）以擴(kuò)大吹煉2渣的循環(huán)利用和擴(kuò)大TPC脫硅來降低渣量為中心，與2010財(cái)年比較，2014財(cái)年排放到系統(tǒng)外的渣量單耗降低了16kg/t。伴隨系統(tǒng)外排出渣量的鐵損單耗降低了3 kg/t。
2）計(jì)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(jià)鐵。
3）相對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐粉塵塊礦的使用，使鐵損降低了0.1 kg/t，合計(jì)獲得了降低鐵損0.7 kg/t的效果。
來源：世界金屬導(dǎo)報(bào)
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