日本炼钢技术十年进步概况

1、日本炼钢技术十年进步概况一、日本近十年钢产量及主要指标的变化从1994年到2003年的10年是钢产量波动较大的时期。由于泡沫经济的破灭，钢产量由1995年的1016亿t跌到1998年的9355万t的低谷，后又转为上升，进入21世纪后连续4年超过1亿t。特别是近年由于高炉大钢的合并和东亚经济快速发展带动钢铁需求兴旺，2004年又超过11亿t大关而直追1973年11932亿t的历史最高纪录。其中，电炉钢年产量亦由期初的2842万t上升到3425万t，特殊钢比例基本保持在18420的水平。而铁水预处理比则由449猛升到676。至于二次精炼比，电炉钢由85上升到95，转炉钢由80上升到86。连铸比则由

2、969上升到986，其中特殊钢连铸比由872上升到935，而普碳钢则保持在998的极限状态。二、十年间有代表性的技术开发成果1铁水预处理工艺的重组为取代过去在铁水罐车和铁水包内进行的预处理，各厂开发成功各种用转炉的预处理法（H炉法、SRP法、NRP法、MuRc法、LDORP法），大幅提高了脱磷效率，减少了对外排渣。个别工厂已实现全部铁水预处理。2环境友好型精炼工艺由于环保意识的提高，十分重视减少钢渣外排技术的开发，使钢渣外排总量达原来的12，突出的如彻底脱硅的零排渣工艺。还开发成功含碳渣用于烧结矿和铁水脱硫，钢渣制砼用于护岸材，用含铁粉尘制球团矿等再生利用技术。有的厂已作到了炼钢固体废物为零。

3、3电磁力应用技术的革新从初期的电磁搅拌和局部作用的电磁制动发展到后期的可适应钢水的加减速而切换的电磁设备、在铸坯宽度方向均匀磁场的静磁场制动以及结晶器内钢水流动的模拟计算软件。4高质量技术不断进行提高产品质量的技术开发，坚持了洁净钢技术开发。在硬件方面，二次精炼中增加燃烧器后使RH多功能化，开发成功连铸坯防止裂纹缺陷的技术。在软件方面亦开发成功预测产品质量的技术，使轴承钢中的含氧量由1994年的5ppm降到2001年的47ppm，最好时达3ppm左右。5高速连铸技术在国际上薄板坯高速连铸法飞跃发展的10年间，日本的薄板坯连铸仍未实用化，只是在后期为适应钢铁需求的增大而提高了现有连铸机的生产效率

4、，出现了单机月产超过20万t的连铸机，拉速已达3mmin水平。关于带钢连铸，各厂均开展了研发工作，最终只在新日铁光厂的不锈钢生产上实用化。三、国家科研项目1新炼钢法项目以充分利用旧废钢和炼钢工序减排CO2为目的，于1991年在经产省支持下开展了9年研发，主要内容如下：（1）废钢预处理技术，通过低温粉碎处理可将废钢中的铜除去96，通过色相差识别处理亦可除去90以上。（2）综合系统评价研究，于19981999年在新日铁君津厂内建中试装置进行研究：a用电炉、转炉和充填型3种方式进行熔化的技术研究；b预热技术和加热脱锡技术；c烟气处理技术，达到二恶英控制在小于01mgTEQNm3水平；d工业化可行性调

5、研。最终认为比未进行废钢预热的电炉可节电25，如喷入燃料时则可少用电3080。2电磁力项目为了提高连铸机质量而取消人工表面处理以提高生产效率，在经产省支持下于1995年起进行了6年研究，取得了以下成果：a初期凝固控制技术，对低频到高频大范围的各种电磁场铸造技术及设备开发后，经方坯小试和板坯试验，铸坯表面质量改善效果显著，通过交、直流磁场重叠对液面振动控制的试验效果更好；b熔融金属的清净化技术，使高速浇铸时的夹杂物含量抑制在低速浇铸时的水平；c开发出电磁流速测头，对电磁力作用下弯液面流速精确测定。四、铁水预处理与转炉操作为适应用户对产品的高质量要求，同时又不断降低生产成本，10年来铁水预处理亦在

6、不断改进。其开发动向具有以下特点：由于脱硫工序的分离和脱磷工序的改善，精炼更高效；由于热裕度扩大，提高了多用废钢的潜能；由于预脱硅彻底、反应高效化和渣的回收利用，渣发生量大幅下降。在铁水脱硫方面，过去多在混铁车内合并脱磷，后改为用还原法单独脱硫。在20世纪90年代采用的CaOMg系喷射脱硫法基础上，不少厂又增加了脱硫效率更高的机械搅拌式KR法，还有建议利用金属显热对MgO还原产生Mg气体的脱硫法。在铁水脱磷工序方面，针对过去低温冶炼下脱硫、磷而引起的废钢用量受限的缺点，近来采取强搅拌高速脱磷并可多用废钢的转炉脱磷法的日多。加上过去的H炉（1989年）、SRP（1990年）、LDORP（1991

7、年）等转炉脱磷法，现已成为脱磷法的主流。另在混铁车脱磷方面，通过低碱性脱磷和分散供氧等改进，已建立了大量供应铁水下的脱磷体制。由于填埋场地不足而要求外排渣减少。铁水预处理增多后一度曾对此有所贡献，但近年伴随高级钢种的增加致精炼比加大，加上对脱磷用氟量的限制，均使渣量呈上升趋势。为了减少渣量，利用高效脱磷剂提高脱磷效率和再生利用低温下具有脱磷能力的低碳渣至关重要。无硅铁水全量脱磷处理和转炉脱碳无渣炼钢法（ZSP）亦于1998年开发成功。其流程和反应如下：a在铁水包采用搅拌以提高脱硅效率的同时，采取氧气、氧化铁以控制脱硅后的温度，使热损失极小，并能稳定得到001的低硅铁水；b用KR法脱硫；c由于使

8、用低硅铁水，使和脱磷初期生成的SiO2反应生成2CaO·SiO2所需的生石灰减少并直接生成为3CaO·P2O5，提高了石灰的脱磷效率，渣量大幅下降。由于脱硅、脱磷等分开处理，生成渣的成分变单纯而有利于利用，如脱硅渣可作为缓效肥料，脱磷渣以CaO为主，造成砼块后可用于海洋藻类培植礁。在脱碳渣再生利用方面，利用2台转炉进行精炼的SRP法最为明显，对H炉法亦有效；利用混铁车脱磷时，通过扩大设备以建立全量预处理体制后，脱碳渣亦可全部再生利用。另外，在同一转炉内连续进行脱硅、脱磷中间排渣和脱碳的多功能转炉法（MURC法）亦开发成功。它充分利用了转炉的强搅拌性和高速功能，在高氧势下以低

9、碱性渣高速脱磷，在脱硅、脱磷期有意提高渣中的FeO浓度并控制渣呈泡沫状，脱毕即倾动转炉排渣，然后进行脱碳直至出钢，并将脱碳渣部分留在炉内，以供下炉脱磷之用。这样既利用了热量，又减少了渣量。近10年来在提高转炉生产效率的技术和快速测定技术方面亦有不少进步。如作为高速送氧下减少粉尘的技术，为防止多孔喷流互相干扰而采取了对喷嘴的交错配置和相邻喷嘴异径化的喷头，以及减少对钢水液面冲击的喷流动压面设计的喷头等措施。通过集尘水透光度在线测定粉尘发生速度的技术亦开发成功。此外，缩短炼钢作业时间的技术亦在开发中，如利用二次燃烧喷头防止金属粘附和检测出钢时渣流出的技术等。为提高冶金反应特性，用高压底吹气提高搅拌

10、强度而增大氧的脱碳效率；改变CB风口的气体成分以控制冷却能力及使底吹气流量稳定、可调节的技术亦在开发中。同时，用电气脉冲法在线测定风口损耗量，以求切换气体工况的最佳化试验亦在进行中。为进一步提高操作稳定性和精炼精度，利用微波对钢水液面检测、音响水平、喷头振动等预知泡沫渣形成因素的技术，以及利用消耗型光纤维和可视光纤维连续测定转炉内钢水温度的技术正在实用化中。五、二次精炼1二次精炼工艺的进展日本近10年来始终把提高钢材质量作为重点任务，如对延伸率、深冲性等加工性要求高的薄板采取低碳化处理，对在低温、耐酸腐蚀环境下使用的中厚板在极低硫、磷、氢下冶炼，对为降低成本而提高成材率的要求则确保质量稳定以减

11、少产品的缺陷等。这些均促进了二次精炼的发展。2RH的多功能化真空精炼处理的代表性设备RH自应用以来新功能不断扩充。例如多功能燃烧器在处理时可向真空炉内供氧，非处理时则进行燃烧以保护内衬温度而防止钢水附着于炉衬上，十分有利于超低碳钢的稳定生产。其次是脱硫处理的应用，过去是通过上升管下方的喷头和真空炉下部埋在耐火衬中的风口向炉内喷入CaO·CaF2粉，现改为采取从真空炉上喷头吹入粉料的方式以使喷嘴不直接和钢水接触，在稀释剂单耗5kgt下，脱硫率达80，残留硫降到4ppm以下。另外，还开发成功真空脱气和渣改质同时进行的新工艺，即将RH炉下部的真空盖改造，使钢水包整体成为真空排气结构，一则可

12、由钢水包底部以Ar气对钢水搅动并可加入钙，再则可防止渣被再氧化，使它同时完成过去LF炉、RH炉和钙处理的3项功能，从而使工序集约化，热损失下降。3DH脱气处理工艺的发展成功将DH脱气法改进成REOA法。由于塞孔位置略偏于中心，使用少量的Ar气即可发挥较好的搅拌效果，和RH脱气炉具有同等的脱碳能力；另由于结构简单，耐火衬修补方便，适于不锈钢、低碳低氮钢的生产。另外，具有减压功能的减压CASOB法亦开发成功。这是和铁水预处理联动的技术，即转炉吹炼未期，为防止渣过氧化而在高碳期停吹后送CASOB炉进行脱碳处理，6min内可将C由700ppm降到400ppm，成为低碳铝镇静钢的高效生产技术。确保极低硫

13、化技术的LF亦为了缩短处理时间而采取了控制渣成分、降低渣氧化度等技术以强化对钢、渣的搅拌而生产S5ppm的极低硫钢。4高纯度、高清净钢在超低碳方面，考虑RH脱气处理中脱碳反应的重要性，对脱碳反应解析可计算出处理中的钢水C分布，进一步观测真空炉内气泡的行为成为稳定生产的指针。在脱氢方面则进展不大，仍采取了在RH脱气炉安装用热传导法迅速测定钢水中氢分压的快速分析仪以确保质量。在脱氮方面，通过开发出粉料上方吹投技术和防止吸氮的浸渍管以保证极低氮钢的生产。5二次精炼工艺的展望随着国际竞争的激化，预计今后钢材的用途将多样化，质量要求亦将提高。为兼保低成本和高质量，应将功能分化为铁水预处理、转炉、二次精炼

14、，使炼钢工艺最佳化，以适应各种钢种生产的需要。为保证产品质量的管理技术亦应跟上，如成分极低且范围小的快速控制检测技术便很重要。如以多量钢水为对象，若能开发出快速、高精度的夹杂物在线测定法，不仅有利于工艺的自动控制，对质量保证管理的作用亦大；在防止地球变暖而减排CO2方面，需扩大废钢的使用，Cu、Sn等杂质的增加将影响产品质量，希望开发工业规模的去杂技术；少渣炼钢和渣再生利用关系到资源综合利用，应配套开发高效工艺、高精炼能的渣成分和易再生利用法等技术。二次精炼由过去的单功能向多功能工艺转换，如附加吹氧、喷粉等功能。今后为了适应各种新课题，将据钢厂的产量、现有设备、钢种构成等条件选取各自的最佳工艺

15、，并考虑上下工序衔接而发展相应的二次精炼工艺。六、连续铸钢日本的连铸比早在20世纪80年代即达95，近10年又新增连铸机15台和改造老机30台以上。1连铸高速化日本200300mm大板坯连铸机的铸速10年来徘徊在2mmin左右的水平，这主要是难铸造钢种比上升之故。对比之下，欧美和中国推广的厚度为40120mm薄中板坯连铸已达46mmin，个别4050mm薄板坯连铸试验已达89mmin。日本现在以包晶钢、合金钢、汽车用钢板等质量要求严格的品种为重点，从设计上提高铸速；方坯连铸机通过改进，最高铸速已达4mmin。2电磁制动和电磁搅拌众多高效板坯连铸机多装有电磁制动，分为全宽一段式、二段式和移动磁场

16、式等。另原用于方坯连铸机的电磁搅拌近年来亦多在板坯连铸机上采用，主为了防止凝固不均匀和表面气泡、夹杂的产生。3中间包技术它的多次使用可降低耐火材料费用，利用氮加热装置以防止停铸期的氧化。另为了生产洁净钢，采用离心分离中间包以提高其去除气泡和夹杂的能力，亦有采用感应加热器和等离子加热器等。4薄中板坯连铸鉴于薄板坯连铸连轧在国际上推广的效果很好，日本将这一概念用于中厚板连铸连轧而开发成功厚90120mm的高速连铸机，还应用未凝固压下技术，将90mm厚板坯压薄至50mm，并试验压薄至20mm。5带钢连铸日本最早开发成功带钢连铸技术，并用于新日铁光厂的不锈钢生产，后由于效果不够理想已于2003年停产。

17、6表面缺陷的改善技术针对铸坯表面的纵裂、横裂和夹杂物、气泡等缺陷，分别开发出结晶器斜度、结晶器内流动控制、加保护剂和凝固组织控制等技术，均有一定效果。特别是加入表面保护稀释剂的作用由保顺利浇铸改为重点防止杂质卷入和缓冷，以保证铸坯的高质量。关于结晶器内的流动控制，除上述的电磁制动和电磁搅拌外，带回转叶片的浸入式水口已实用化。7连铸方坯的质量现已开发成功用220mm×220mm方坯连结生产条钢的工艺，有利于简化工序和节能。无缝钢管用管坯连铸机亦开发成功，可生产包晶钢等全部钢种，拉坯速度达3mmin，且不需处理即直送轧机生产。为防止管坯产生轴心裂纹，还开发成功FCR法。七、电炉1电炉技术

18、的变化电炉于1916年传入日本，初期只限于生产特殊钢，60年代开始逐步用于普碳钢生产，电炉钢比现已达30左右。日本30年来电炉相关指标的变化见表1。过去10年的主要技术发展略述如下：（1）19751985年为生产效率和节能进展较快的阶段。主要应用技术有电炉大型化和UHP作业、炉壁炉盖水冷技术、氧燃助熔等。（2）19851995年为LF普及时期。由于采用了LF，电炉的还原精炼简化，生产效率大为提高，电炉钢的质量亦有改善。为简化作业而开发成功偏心炉底出钢（EBT），避免了氧化渣和钢水一块流入钢水包。另外还开发成功直流电炉，解决了交流电炉大型化、UHP化后闪烁严重的问题。从1988年第一台直流电炉投

19、产，到1994年已达14台。（3）19952004年可称之为环保时代，众多环保技术开发成功。首先是为适应电炉烟气排放法规的强化，开发成功新的烟气处理技术；其次是渣和粉尘的再生利用技术进展很快，有的厂已向零废物进军。交流电炉亦为解决闪烁和扩大变压器而改造，每吨废钢的KVA数已由1970年的500扩大到1000。另还开发成功促进废钢熔化的高效燃烧器，使一些优秀电炉厂的指标大为改善，电炉的生产效率由85th提高到90th，冶炼周期由64min缩短到59min。2最近的技术（1）废钢预热型电炉。70年代开发成功的氧燃助熔技术的节电效果明显，但带来烟气余热上升的问题。已知烟气显热占全部出热15左右，为解

20、决老式废钢预热的污染问题，先后开发成功“竖筒式”、“水平连续预热式”和“两炉体式”等高效清洁方式，现已实用化的共7台。（2）助燃燃烧器。为解决电弧炉的冷区问题，采取了在炉壁设燃烧器结合吹氧以促进废钢熔化的方式，燃料多采用煤油、重油和LNG。燃烧器的方式亦有多种，如一种将主氧气、燃料、二次氧气以同心圆套管供入炉内并在管端出口处混合燃烧，对废钢的助熔效果最好。3电炉烟气及粉尘的处理2000年1月起实施的“二恶英类对策特别措置法”规定电炉的排放标准为老炉5mgTEQNm3、新建炉05mgTEQNm3。为此开发成功各种捕捉二恶英的方法，如“两袋式”为在电炉除尘装置后再建一套捕捉二恶英的除尘装置，即经2

21、次过滤和低温化使二恶英去除效率提高而达标。另还有在第二段喷入活性碳的方式使烟气中的二恶英可达到01mgTEQNm3的先进水平。关于电炉的粉尘处理可分为由电炉直接利用的在线处理和设专用设备的离线处理两大类。前者为将粉尘直接喷入炉中或和石灰混合造球后加入炉中利用，现已实用化；后者则将粉尘熔融回收其中的有用金属后再作处理。八、环保及其它根据政府颁发的多项环保法规，钢铁业于1996年制订了“关于环保的志愿行动计划”，规定2010年比1990年耗能减少10的目标。炼钢工序应采取的措施为：减少热损失、加强热回收的节能；推进渣和粉尘的3R以使填埋量最小化；利用其它产业的废物等。现已据此开展了工作，重点简介如

22、下：1炼钢工序节能通过混铁车的大型化、推广钢水包加盖作业、改善钢水包物流以缩短循环时间、应用钢水温度管理系统等在提高生产能力的同时并减少热损失。还利用低导热率的MgOC砖、微孔绝热材料、使用中空骨料的低热容不定形耐火材料等以减少散热损失。在钢水包烘烤方面采用了蓄热式燃烧器以大幅降低燃耗等。同时还进行了有关的技术开发，如附有感应加热装置的混铁炉，达到比电炉还高效的熔化废钢的水平；调整高炉、转炉、连铸间的能力差以提高炼钢工序的物流效率；在电炉工厂设钢水贮存装置，利用夜间低谷廉价电化钢，以便白天炼钢节电和大幅降低成本。在热回收方面，利用转炉煤气导管冷却水的低温余热和氨水的非等温蒸发、凝缩特性进行发电

23、，发电效率比常规低温发电高40以上，属世界首例。2钢渣利用日本钢渣年发生量达1200万t，由于碱性高且成分不均匀，过去多作填埋处理。20世纪90年代前期的发生量和排出量均呈上升趋向，近10年来由于铁水预处理和厂内利用量的加大开始趋于下降，见表2。铁水预处理的发展是钢渣发生量下降的主要原因。钢渣的热利用除有效利用显热外，还可简化渣处理工序，如脱碳炉渣在不锈钢熔融还原炉的热利用。LF炉的还原渣在电炉热利用时，既可降低石灰单耗，又可提高电炉脱磷效率。但从整个社会的环保观点看，还应大力开发钢渣在水泥原料和土木建筑方面的用途。3粉尘利用转炉首先应改进氧枪喷头和操作以减少粉尘的产生。在大规模再生利用技术方

24、面，已开发成功环形炉和纵型炉。作为小规模利用法的DSM工艺系将电炉粉尘和还原渣用重油、氧气燃烧加热熔化为渣块作路基材利用，粉尘中的Zn、Pb等金属则作为二次粉尘回收后作原料利用。电炉粉尘亦可在真空下加热还原以回收ZnO，后将残渣氧化铁制成球团供电炉利用。在粉尘热利用方面，除横型热旋风炉可用于不锈钢熔融还原炉外，作为简易利用方法，可将电炉除尘器粉尘和铝渣、废油混合造粒后返回电炉利用，还有将粉尘从水冷喷头吹入炉内利用的方式。4废耐火材料除用于生产耐火原料外，还有将MgOC、MgO、白云石系的废耐火材料用于转炉、电炉、LF炉等代替生石灰、烧成白云石作造渣剂。此外，亦可作路基材利用。5其它产业的废物利

25、用过去，纸浆废料和铝渣均作为炼钢工序的保温材料和造渣剂利用。近年，新日铁广厂转炉采用了部分废轮胎片代煤，连轮胎中的子午线钢丝亦得到有效利用，年用量达6万t以上。九、凝固现象与铸造工艺的学术发展1组织形成模拟和凝固组织控制与凝固研究兴盛的20世纪6090年代相比，近10年的研究明显减少，取而代之的是组织形成模拟研究。钢铁业迄今偏重防止大型偏析和除去非金属夹杂的凝固组织控制，但今后从提高质量和降低成本出发，重视为下道工序而控制好凝固组织。2初期凝固及保护渣的作用在方坯连铸机曾成功地试验了电磁力，使初期凝固形成的薄壳不和结晶器直接接触，从而产生表面无振动痕的优质铸坯。进一步制造回转流使钢水流速和凝固

26、减慢，产出了表面无缺陷而直送轧机的铸坯。保护渣的功能包括防止氧化、促进润滑、防止钢水和结晶器直接接触、为形成最佳凝固层厚度所需的传热特性、防止吸入非金属夹杂物等，近来发现还有通过控制凝固层厚度以减少铸坯表面缺陷的作用。3钢水流动控制钢水流动速度直接关系大偏析的生成，近10年间对连铸时钢水流动的数值解析对改进操作起了积极作用。如160mm方坯连铸，直线型水口插入150180mm深，铸速为1518mmin，按夹杂物流动轨迹算出的夹杂物除去率为10m的为20、50m的为70以上。另利用电磁力促进等轴晶或利用电磁制动以控制钢水流的模式解析亦在进行中，并由此成功地生产出表面为不锈钢内部为碳素钢的连铸复合材料。4由薄板坯向薄带发展带钢连铸在欧美已经入实用化阶段，日本亦拟开发但发现些问题，即凝固区间和铸坯强度的不均匀性、废钢中的Zn、Cu杂质引发的热裂缺陷等尚需进一步研究解决。5可视化的试验早在30年前即利用环已醇等有机物对凝固现象进行了可视化试验，现在则用共焦激光显微镜直接观察钢铁材料在高温下的相变。特别是对低碳钢相变发生的核生成和晶界移动等研究成果有较大改进。但低温下的可视化试验尚属模式试验阶段。十、精炼工艺的学术发展1有关炼