炼钢室 史晓容

【摘 要】介绍了铁水预处理工艺发展过程，通过对铁水预处理方法和效果的比较与分析，阐明了铁水预处理在我国钢铁生产中的重要地位，优先推荐采用铁水罐顶喷镁基铁水脱硫和采用转炉法铁水脱磷。

【关键词】铁水预处理 纯净钢 镁基脱硫 转炉脱磷

1   前言

我国钢产量从1996 年起实现了超亿吨的历史性突破，并跃居世界第一，据估计至2002 年仍继续保持这一优势，成为名符其实的钢铁生产大国。然而，我国钢铁工业在生产工艺、装备、钢材品种、质量、成本、高附加值产品方面与发达国家相比还存在很大的差距，还不能称为钢铁生产强国。

中国加入WTO 后，钢铁工业成为第一个全面对外开放的行业，所面临的是全球钢铁总量过剩、国际市场价格低于国内市场价格、而市场急需的板材等高附加值产品还需大量进口的局面。在世界经济走向一体化的今天，钢铁工业的发展主要取决于产品质量的提高、新品种的开发和综合成本的降低。据《美国金属市场报》报道：国际钢协技术调查中的大部分被调查者都认为加强成本竞争能力和质量竞争能力是钢厂具有竞争力的重要因素，同时认为为了加强成本竞争能力，降低原料成本比减少二次加工成本更为重要。

铁水预处理工艺经过近四十年的发展，已成为完善和优化整个钢铁生产工艺流程、确保节能降耗、达到优质高效目标的不可缺少的工艺环节，是大批量生产高纯度钢、降低普碳钢生产成本和实现转炉少渣吹炼的关键性技术。在一些发达国家的钢铁厂，几乎100％的铁水都进行了相应的预处理。

2   铁水预处理的主要方法

20 世纪60 年代，铁水预处理的主要内容是脱硫。到80 年代初，铁水脱磷、脱硅开始进入实用化阶段。实施铁水预处理，首先可以大幅度地减轻高炉的负担，提高高炉的生产能力，还可相应地减轻转炉炼钢的负担，并能经济有效地生产出超低硫、低磷的优质钢。随着铁水预处理工艺的不断优化与发展，在日本，铁水脱硫、脱磷、脱硅已经普遍用于生产普通钢、低磷钢和合金钢。铁水预处理已被公认为是大批量生产高纯度钢、降低普碳钢生产成本和实现转炉少渣吹炼的关键性技术。目前，在日本国内各大钢铁公司已实现几乎100％的铁水脱磷、脱硫处理。

由于在铁水中硅与氧的亲和力比磷与氧的亲和力强得多，铁水脱磷前需先脱硅，因此现代的铁水预处理技术已经发展成为常说的“铁水三脱”，即脱硅、脱磷、脱硫技术。

2.1  铁水脱硅

铁水炉外脱硅的目的之一是为了减少转炉渣量，目的之二是为铁水炉外脱磷创造有利条件。日本的有关研究表明，为了化渣和保障出钢温度，转炉冶炼过程中有0.3％的Si就足够了。超出的Si含量则是有害的，会导致转炉技术经济指标的恶化。此外，为了提高脱磷效率，一般要求铁水中的Si 含量≤0.15％。因此，各国特别是日本均在大力开发铁水预脱硅技术。

目前比较成熟并广泛应用于工业生产中的预脱硅方法为高炉出铁场脱硅。而脱磷之前的混铁车和铁水罐内脱硅只是作为在出铁场达不到目标硅条件下的补充手段。

2.2  铁水脱硫

硫除了在易切钢中能起到积极作用外，作为有害元素必须在冶炼过程中去除。高炉脱硫比转炉脱硫容易，但高炉脱硫必须提高渣碱度，从而增加焦比，同时因低硫原料的日益匮乏及价格的不利变化，使得高炉脱硫在经济上的优势已荡然无存。转炉炼钢过程是个氧化过程，脱硫率低，一般仅为30％左右。

要求以低硫含量钢水为条件的连铸技术的迅速发展，使得目前大多数钢种都要求平均含硫量在0.015％以下，对某些超纯净钢硫的含量要求降到0.001％。靠传统的高炉、转炉脱硫已难以满足用户对钢的含硫量日趋严格的要求。另一方面，为适当放宽高炉生产的铁水含硫量和转炉的少渣吹炼，提高生产能力、降低钢铁生产的综合成本，使炉外脱硫工艺得到迅速发展。

铁水炉外脱硫方法种类繁多，先后开发的工艺有摇包法、搅拌法、喷射法、吹入气体搅拌法、镁脱硫法和气体提升法。目前广泛用于生产的是喷吹法和机械搅拌法。喷吹法根据脱硫容器不同分为铁水罐顶喷法和混铁车喷吹法两种。根据脱硫剂不同又分为石灰基和镁基脱硫两种方法。镁基脱硫因其低成本和突出的脱硫效果，有取代石灰基脱硫的趋势。混铁车脱硫因其动力学条件不如铁水罐好，因此其脱硫效果相对较差。目前在我国（除宝钢、武钢三炼钢外）普遍采用的脱硫方法是铁水罐顶喷石灰基、镁基脱硫法和KR 机械搅拌法。KR 法经过多年的攻关、发展，随着搅拌器的寿命和维修问题得到解决，目前也有推广之势。

由于镁基脱硫可以将铁水中的硫脱至任何需要的水平，如在极端情况下，将铁水中的硫从0.07％ 脱至0.001％。当Mg/CaO 的比例为1:4、脱硫处理的再现率为85％ ～95％时，其脱硫喷吹时间为12～ 15 分钟，若采用Mg/CaC2 的镁基复合脱硫剂处理，喷吹时间更短，完全能够满足转炉车间的生产节奏要求。经国内外生产厂家的实践证明， 目前镁基（Mg/CaO 或Mg/CaC2）脱硫是优选的脱硫方法。

2.3  铁水脱磷

铁水炉外脱磷始于80 年代初，是从冶炼低磷钢（P≤0.01％）和复吹转炉冶炼高碳钢的需要发展起来的。随着用户对钢质量要求的不断提高，铁水炉外脱磷已成为大批量生产高纯度钢、降低普碳钢生产成本和实现转炉少渣吹炼的必要手段，特别在日本，五大钢铁公司已接近实现100％的铁水采用了炉外预脱磷处理的冶炼工艺。

铁水炉外脱磷根据脱磷容器不同分为混铁车脱磷、铁水罐脱磷和转炉法脱磷三种方法。

混铁车脱磷在日本相当普遍。经生产实践证明：1)因动力学条件不好，效果不如铁水罐；2)喷吹过程车体震动比较严重，需用倾斜喷枪或倒T形、十字形出口的特殊喷枪；3)罐口粘铁严重，装铁量只有70％；4)倒渣时会同时倒出较多的铁水。因此，这种方法一般很少采用。

铁水罐脱磷与混铁车相比，具有较好的动力学条件，且排渣容易，不需要特殊的扒渣器，容量配备上可与转炉一对一，还可与转炉冶炼钢种相对应。在相同粉剂消耗下，铁水罐脱磷的脱除率比混铁车脱磷高5％左右，而且防溅问题也较好解决。因此铁水罐脱磷逐渐取代了混铁车脱磷。

采用混铁车脱磷和铁水罐脱磷，大多因容器形状和容量的限制，脱磷周期往往较长，效果不太理想，设备维护工作量大，且环保问题不好解决。转炉法脱磷因具有比较大的反应空间，动力学条件好，而且可以不用喷吹技术，可不进行铁水预脱硅（可放宽铁水含Si 至0.4％），可在短期内实现脱硅、磷、硫。转炉法脱磷在日本用得非常普遍，目前日本五大钢铁公司在一些有条件的转炉钢厂多采用转炉脱磷工艺。

新日铁公司开发的转炉脱磷工艺见图1。

在ORP工艺中，根据生产条件和钢种要求，吹I（脱磷）和吹II（脱碳）可在同一座转炉内完成，也可分别在两座转炉内完成。当吹I 和吹II 在同一座转炉内完成时，脱碳炉渣可回收利用作为下一炉的脱磷剂，以降低生产成本。用一座转炉的方法主要用于生产普通钢，用两座转炉的方法主要用于生产磷含量小于0.005％～0.01％的优质钢。该工艺除了可回收利用脱碳炉渣，降低溶剂消耗外，同时还可增加约6％的废钢比。

图2 为川崎公司开发的转炉脱磷工艺。

转炉脱磷（De-P）和脱碳（De-C）分别在两座转炉内完成。脱碳炉渣经冷却处理后可返回脱磷炉作为脱磷剂回收利用。该工艺除了可回收利用脱碳炉渣，降低溶剂消耗外，同时还可加入约6.5％的废钢。

日本住友金属公司在顶底复吹转炉中开发的铁水脱磷工艺（SRP）允许用块状的转炉渣（脱碳渣）作为铁水的脱磷剂，以降低石灰消耗，同时也能有效地熔化还原锰矿石。不但处理周期短、温度损失小，脱磷效果好，同时在处理过程中还可加入一定量的废钢。该公司通过在2t 实验炉和160 t、250 t 工业生产转炉上操作，取得了以下效果：

1)在铁水脱磷过程中，10 分钟内将磷降至0.011％，并同时可加约7％的废钢；

2)利用脱磷后的铁水， 极易生产磷小于0.010％的超低磷钢；

3) 生产普通含磷钢石灰消耗可降至10kg/t～18 kg/t；

4)在该工艺中，通过有效的熔化还原锰矿，可将钢水的终点锰含量提高到1.5％。这使炼钢中不加锰铁的操作成为可能。

德国蒂森钢铁公司发明的转炉顶底复合吹炼工艺（TBM），底吹透气元件采用特殊的超音速喷嘴，具有较好的脱磷能力。经在印度TATA钢铁厂130 t 转炉上的生产实践证明，在不改变常规转炉吹炼工艺的条件下操作，可将铁水中的磷从处理前的0.24％降到处理后的0.006％～0.01％。

综上所述，转炉脱磷无论在操作、消耗、效果方面都优于混铁车和铁水罐脱磷。表1 为三种脱磷方法的比较。

3  铁水预处理效果

随着用户对钢质量要求的日益提高，洁净钢的生产已成为国际上的发展趋势。表2 为一些高洁净钢对硫、磷元素含量的要求。

要达到表2 所示的硫、磷含量，靠传统的在高炉、转炉生产过程中去除硫、磷是难以实现的，同时在经济上也是不合算的。必须采用经济有效的炉外处理方法来解决。

高炉因其还原工艺有较好的脱硫能力，但高炉采用高碱度生产低硫铁水存在以下缺点：

1)高炉中高碱度要求加入更多的石灰，会使焦比增加；

2)炉缸内大量的渣对高炉生产率带来负面效应；

3)高浓度的硅含量会消耗高炉中额外的能量，同时也会导致在炼钢工序中增加溶剂消耗，降低钢水收得率。

根据国外钢厂的经验，高炉采用低碱度生产不仅可避免上述问题，还可取得更多的效益。如高炉内渣碱度降低0.2，将显著降低焦比，减少渣量，降低铁水温度和硅含量，从而增加高炉产量；此外，高炉运行平稳，休风率下降；结果使高炉的生产成本降低，节省4.5 美元/t铁水。但铁水含硫量增加了，需通过铁水炉外脱硫工艺将其降低至炼钢所需要的水平，采用镁基脱硫将铁水中的硫从0.07％脱至0.015％所需费用为3.65 美元/t 铁水。因此经预处理后的铁水成本比传统高炉生产的铁水低。大高炉长期生产的经济核算表明，铁水炉外处理的费用仅占高炉采用低碱度运行所节省费用的83％左右。

炉外脱硫可以将铁水中的硫降低至任何需要的水平，可到0.001％。转炉采用低硫铁水冶炼，不仅可降低溶剂消耗，减少铁损，提高金属收得率，而且还可获得平稳的吹氧操作。炼钢生产表明，金属收得率的增加，溶剂消耗及其它方面的节省降低炼钢生产成本3.41 美元/t 钢。

因此，采用低碱度渣高炉操作结合铁水炉外脱硫处理，其综合效益是巨大的。据有关资料报道，与传统炼钢操作相比，可以达到吨钢节省4.21 美元。

由于转炉冶炼后期回磷，靠传统的转炉冶炼达到纯净钢对磷含量的要求已很困难。此外转炉采用低磷铁水冶炼具有以下优点：

1)降低溶剂消耗30％；

2)转炉采用少渣操作，钢水回磷减少，容易生产低磷钢；

3)提高高碳钢吹炼的终点命中率；

4)通过有效的熔化还原锰矿，转炉终点锰含量可提高到1.5％。使在炼钢中加锰铁的操作成为可能，降低生产成本；

5)最终部分转炉渣可返回作为脱磷剂，既降低成本，又减少对环境的污染。

因此可以断定，经济有效的铁水预处理工艺，不仅是钢铁企业提高质量竞争力的重要基础，也是加强成本竞争力的重要手段，是钢铁企业整个生产流程优质、高效、顺行的保证。

4  结语

我国的炉外铁水脱硫比1990 年为2％，1998 年为21％。铁水脱磷仅宝钢有混铁车脱磷、太钢有铁水罐脱磷，梅山钢铁公司目前正在实施转炉脱磷工程，铁水预处理比率低，这与我国超亿吨的钢产量生产能力不相适应。可以看出，与一些发达国家近100％的铁水预处理相比，差距还很大。加入WTO 后，在竞争激烈、产能过剩、世界范围的市场中，我国的钢铁工业要想占有一席之地，必须尽快推广、发展铁水预处理工艺，以提高产品质量、降低生产成本、满足消费者的要求，增加高附加值产品如超低碳，低磷硫，超深冲钢的生产。

铁水罐顶喷镁基脱硫法和转炉脱磷工艺因其在处理效果、成本上的优势，在条件允许的情况下，应择优选用，特别是在已有转炉炼钢厂，由于溅渣护炉等新技术的推广应用，使转炉的生产潜力得到充分发挥，在转炉生产能力有富裕的条件下，可酌情考虑采用转炉脱磷工艺来降低企业的综合生产成本。