日本是僅次于中國(guó)的世界第二大鋼鐵生產(chǎn)國(guó)，粗鋼年產(chǎn)量約為1億噸。由于電價(jià)高，轉(zhuǎn)爐工藝的生產(chǎn)率達(dá)到75％以上。二次世界大戰(zhàn)期間，日本鋼鐵工業(yè)被徹底摧毀，1946年的粗鋼年產(chǎn)量?jī)H為55.7萬(wàn)噸。但到了1956年，粗鋼年產(chǎn)量達(dá)到1000萬(wàn)噸，1973年超過了1億噸，LD轉(zhuǎn)爐（頂吹式轉(zhuǎn)爐）在其中發(fā)揮了重要作用。為快速重建鋼鐵業(yè)，日本鋼鐵公司開始關(guān)注這一工藝，該工藝始于1952年的奧地利。經(jīng)過政府深入討論和慎重決定，日本于1957年研制了第一座LD轉(zhuǎn)爐。為了提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本和提高鋼材質(zhì)量，又進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)的研究和開發(fā)。在經(jīng)過鋼鐵生產(chǎn)的快速增長(zhǎng)階段后，過去40年的粗鋼年產(chǎn)量幾乎保持不變，但是鋼材的性能卻越來(lái)越好。當(dāng)今日本鋼鐵業(yè)的基本戰(zhàn)略是開發(fā)難以模仿的高級(jí)別鋼種技術(shù)，因此，轉(zhuǎn)爐工藝的創(chuàng)新仍然發(fā)揮著重要作用。本文總結(jié)了日本煉鋼轉(zhuǎn)爐工藝的發(fā)展歷史和先進(jìn)技術(shù)。

2.1 LD轉(zhuǎn)爐簡(jiǎn)介

第二次世界大戰(zhàn)期間，日本鋼廠被轟炸摧毀，粗鋼年產(chǎn)量從1943年的765萬(wàn)噸減少到1946年的55.7萬(wàn)噸，僅4個(gè)平底爐在維系生產(chǎn)。為了恢復(fù)日本經(jīng)濟(jì)，鋼鐵業(yè)的重建是當(dāng)務(wù)之急。1953年，粗鋼產(chǎn)量恢復(fù)到戰(zhàn)前水平，并建造了許多平底爐。但是，由于日本國(guó)內(nèi)廢鋼供應(yīng)不足，從美國(guó)進(jìn)口又受到限制，平底爐煉鋼法無(wú)法滿足日本國(guó)內(nèi)市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)的需求。

LD轉(zhuǎn)爐法是由V？est和Alpine開發(fā)的，1952年開始在奧地利的林茨和多納維茨鋼鐵廠投入使用。在日本的幾家綜合鋼鐵公司中，Yawata鋼鐵公司和Nippon Kokan （NK）對(duì)這項(xiàng)剛剛誕生的技術(shù)很感興趣，經(jīng)國(guó)際貿(mào)易工業(yè)部（Ministry of International Trade and Industry，MITI）協(xié)調(diào)，NK在1956年購(gòu)買了獨(dú)家許可證，Yawata和其他公司獲得了分許可證。1957年，第一座LD轉(zhuǎn)爐在Yawata投入生產(chǎn)，1958年NK的LD轉(zhuǎn)爐也投入生產(chǎn)。該技術(shù)滿足了日本鋼鐵業(yè)低廢鋼消耗、低磷鐵礦石、高能效、高生產(chǎn)率的要求。在MITI的資金支持下，LD轉(zhuǎn)爐法的引進(jìn)加速了眾多相關(guān)鋼鐵企業(yè)的發(fā)展，到1965年，LD轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)率已經(jīng)超過平底爐，1977年終止平底爐煉鋼法。在此期間，日本鋼鐵公司為了便于企業(yè)間交流經(jīng)營(yíng)成果，于1958年成立了轉(zhuǎn)爐委員會(huì)，委員會(huì)對(duì)加快LD轉(zhuǎn)爐的技術(shù)發(fā)展起到了重要推動(dòng)作用。LD轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)粗鋼比例的變化及與其他國(guó)家對(duì)比如圖1所示。日本鋼鐵公司在世界范圍內(nèi)率先推廣了LD轉(zhuǎn)爐技術(shù)。此外，LD轉(zhuǎn)爐對(duì)鋼鐵生產(chǎn)的快速增長(zhǎng)作出了很大貢獻(xiàn)，直接促進(jìn)了日本經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)。

2.2 LD轉(zhuǎn)爐原始技術(shù)開發(fā)

為了提高生產(chǎn)效率，擴(kuò)大不同等級(jí)鋼材的生產(chǎn)，開發(fā)了幾種LD轉(zhuǎn)爐原創(chuàng)技術(shù)。世界上第一座轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能為50t，但鋼鐵需求的快速增長(zhǎng)要求更高的生產(chǎn)率，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐規(guī)模擴(kuò)大。1970年，轉(zhuǎn)爐最大產(chǎn)能達(dá)到了300t。

在LD轉(zhuǎn)爐中，高純度氧氣從氧槍中的拉瓦爾噴嘴射出。隨著產(chǎn)能增加,氧氣的流量也隨之增加，導(dǎo)致爐底部的耐火材料損壞嚴(yán)重，同時(shí)，轉(zhuǎn)爐散射的細(xì)金屬液滴或含有氣體的爐渣噴濺也會(huì)導(dǎo)致鐵元素收得率下降。為了解決這一問題，1962年研制出多孔頂槍并應(yīng)用在工業(yè)轉(zhuǎn)爐上。通過使用3孔氧槍，減少了爐口形成的結(jié)渣，提高了鐵的收得率。

在煉鋼過程中，由于發(fā)生脫碳反應(yīng)，在爐中生成具有細(xì)粉塵的高溫CO氣體，必須對(duì)其進(jìn)行處理。在小型轉(zhuǎn)爐中，CO氣體可在空氣中完全燃燒。然而，隨著轉(zhuǎn)爐容量的增加，廢氣量隨之增加，氣體處理系統(tǒng)的投資成本也隨之增加。為了克服這個(gè)問題，開發(fā)了一種無(wú)需燃燒即可回收CO氣體的方法。通過工廠試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了防爆系統(tǒng)，命名為“OG系統(tǒng)”，即氧氣轉(zhuǎn)爐氣體回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)于1962年第一次安裝在130t LD轉(zhuǎn)爐上。在此過程中，廢氣熱量回收率約為60％，當(dāng)一部分顯熱以鍋爐蒸汽形式回收時(shí)，能量回收率提高至約70％。 

此外，Emi還提出了幾項(xiàng)支持日本LD轉(zhuǎn)爐發(fā)展的技術(shù)：（1）安裝熱電偶測(cè)量溫度，用液相線溫度測(cè)定碳含量的副槍系統(tǒng)；（2）耐火材料的改進(jìn)；（3）動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，以提高碳的命中率和吹煉終點(diǎn)溫度；（4）中/高碳鋼單渣留碳出鋼吹煉方法等。

2.3 復(fù)合吹煉及鐵水脫磷

1977年，川崎鋼鐵在日本首次引進(jìn)了氧氣底吹轉(zhuǎn)爐（Q-BOP），運(yùn)行結(jié)果很快在ISIJ的年度會(huì)議上展示出來(lái)，其出色的性能讓與會(huì)人員深表驚訝并認(rèn)可。這一結(jié)果加速了頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐的研發(fā)（復(fù)合式吹煉轉(zhuǎn)爐）。此時(shí)，距LD轉(zhuǎn)爐的引進(jìn)已經(jīng)過去了20余年。在此過程中，人們逐漸認(rèn)識(shí)到LD轉(zhuǎn)爐的局限性，也認(rèn)識(shí)到增加攪拌的必要性。1990年，Tetsu-to-Hagané 介紹了這一時(shí)期各公司的情況。底吹轉(zhuǎn)爐的缺點(diǎn)是風(fēng)口周圍的耐火材料壽命短，氣體冷卻劑會(huì)產(chǎn)生氫氣，高碳鋼的留碳出鋼操作困難；另一方面，對(duì)于低碳鋼來(lái)說，低鐵（TFe）含量的爐渣是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)煉鋼車間的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，開發(fā)了各種底吹工藝，總結(jié)于圖2中。一般情況下，對(duì)于以低碳鋼為主的轉(zhuǎn)爐，采用高強(qiáng)度的氧氣底吹攪拌系統(tǒng)是有利的。對(duì)于需要生產(chǎn)中/高碳鋼的轉(zhuǎn)爐，則需安裝供氣系統(tǒng)為惰性氣體且攪拌強(qiáng)度低的底吹攪拌裝置。在煉鋼過程中，除脫碳外，還需要脫磷。在吹煉至轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度時(shí)，必須形成高鐵（TFe）含量和高堿度（CaO/SiO₂）的爐渣來(lái)脫磷。這種情況導(dǎo)致鐵元素收得率低，石灰消耗量高。由于低溫有利于脫磷反應(yīng)，因此，開發(fā)了脫碳前的預(yù)處理工藝（鐵水脫磷）。

鐵水脫磷工藝于1982年首次實(shí)施。石灰、氧化鐵和氟石等熔劑通過可浸入鐵水的噴槍，被注入到魚雷罐或鋼包中的鐵水中。另一方面，通過對(duì)LD轉(zhuǎn)爐雙渣工藝的改進(jìn)，開發(fā)出了使用復(fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐的鐵水脫磷工藝。與雙渣工藝相比，該工藝在底吹惰性氣體時(shí)，鋼水處于較高含碳量和較低溫度的狀態(tài)。在脫碳反應(yīng)時(shí)，加入渣料繼續(xù)脫磷，該工藝在降低石灰消耗量和渣處理量上具有較高的潛力。

2.4 熔融還原和廢鋼熔煉

利用復(fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐進(jìn)行熔融還原是另一種獨(dú)特的技術(shù)。由于日本電力價(jià)格昂貴，難以維持使用電弧爐生產(chǎn)鐵合金。為解決這一問題，開發(fā)了復(fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐進(jìn)行熔融還原。首先，利用中試爐對(duì)鉻鐵生產(chǎn)進(jìn)行了研究。在此過程中，爐渣表面碳的燃燒可以提供熱量，且熔融狀爐渣中的碳元素也可以降低爐渣中的氧化鉻。利用這個(gè)原理，此工藝可用于生產(chǎn)不銹鋼。

此外，在廢鋼熔煉過程中使用了復(fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐。如圖4所示，從底吹風(fēng)口吹入混有粉末狀碳質(zhì)材料的惰性氣體，與頂吹氧氣進(jìn)行碳氧反應(yīng)。通過該工藝，可以生產(chǎn)與高爐工藝質(zhì)量相似的鐵水。

3.1 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷工藝

隨著市場(chǎng)對(duì)低磷鋼（例如管線鋼、船板鋼和汽車板鋼等）的需求不斷增加，自1980年以來(lái)，日本已經(jīng)開發(fā)出不同類型的鐵水預(yù)處理工藝。1980年到1990年初，大多數(shù)鐵水預(yù)處理過程均包括多個(gè)精煉階段。例如，首先將含CaF₂的高堿度（[%CaO]/[%SiO₂]）助熔劑注入魚雷罐或鋼包等容器中進(jìn)行脫硅，同時(shí)脫硫和脫磷，之后再對(duì)預(yù)處理過的鐵水使用轉(zhuǎn)爐脫碳。因此，低磷鋼在轉(zhuǎn)爐中生產(chǎn)具有減少助熔劑和廢渣、節(jié)省錳合金和錳礦石的優(yōu)點(diǎn)。但上述工藝存在著因使用魚雷罐或鋼包等容器導(dǎo)致的生產(chǎn)率低，熱損大導(dǎo)致的廢鋼消耗量低等缺點(diǎn)。此外，自1990年末以來(lái)，由于商業(yè)環(huán)境的變化而產(chǎn)生了新的需求，例如加強(qiáng)了有關(guān)氟化物的環(huán)境法規(guī)，以及由于高質(zhì)量原材料的消耗而導(dǎo)致磷含量增加。為滿足這些需求，并在生產(chǎn)率、能源和資源方面建立一種更有效的工藝，日本廣泛采用并不斷改進(jìn)轉(zhuǎn)爐脫磷工藝。

通過有效利用轉(zhuǎn)爐的優(yōu)點(diǎn)（高爐容比、高速供氧和高強(qiáng)度攪拌），生產(chǎn)率顯著提高。高速供氧還能通過增加爐渣中FeO含量實(shí)現(xiàn)無(wú)氟操作，這有助于爐渣在沒有CaF₂的情況下熔解，甚至可以在低堿度的爐渣條件下促進(jìn)脫磷。例如，1987年在鹿島（SRP：簡(jiǎn)單精煉工藝）和1989年在名古屋（LD-ORP：LD轉(zhuǎn)爐優(yōu)化精煉工藝）實(shí)施了該工藝。在這個(gè)過程中，鐵水倒入轉(zhuǎn)爐，吹煉初期進(jìn)行脫硅和脫磷（步驟①）；接下來(lái)，將鐵水和爐渣排出，再將鐵水倒入轉(zhuǎn)爐進(jìn)行脫碳，再次吹煉（步驟②）。從步驟②排出的低磷渣可回收作為步驟①脫硅除磷的助熔劑，因此可以減少助熔劑和廢渣消耗量。但該工藝需要兩座轉(zhuǎn)爐，只有在鋼廠有一座備用轉(zhuǎn)爐或新轉(zhuǎn)爐的投資回報(bào)率高的情況下，才能采用。

為了克服上述缺點(diǎn)，日本開發(fā)了多功能精煉轉(zhuǎn)爐（MURC），并于1994年在室蘭市和1998年在大分市進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)踐。在MURC工藝中， 進(jìn)行步驟①后，爐渣通過轉(zhuǎn)爐傾斜從轉(zhuǎn)爐口排出，無(wú)需出鋼（中間除渣），有效地利用了爐渣發(fā)泡來(lái)增加爐渣體積。在步驟②后，部分爐渣被留在轉(zhuǎn)爐內(nèi)，并以熱態(tài)形式被回收到下一爐作為步驟①的爐料，這有助于回收爐渣的顯熱。與SRP和LD-ORP相比，MURC只需要一座轉(zhuǎn)爐，并且由于轉(zhuǎn)爐具有很高的生產(chǎn)率，熱量損失低而無(wú)需對(duì)鐵水進(jìn)行加熱，從而實(shí)現(xiàn)了廢鋼高比例使用。

由于很難通過MURC的中間排渣來(lái)完全去除爐渣，因此MURC主要用于生產(chǎn)低磷鋼和普碳鋼，而SRP和LD-ORP更適合生產(chǎn)超低磷鋼。根據(jù)所需的磷含量來(lái)適當(dāng)選擇工藝。使用轉(zhuǎn)爐進(jìn)行脫磷處理的一般流程如圖5所示。

為了促進(jìn)步驟①的脫磷反應(yīng)，開發(fā)了粉末CaO頂吹法，并已應(yīng)用于多家鋼廠。該工藝將一部分CaO（脫磷用量）從氧槍噴射到氧氣與鋼水反應(yīng)的熱點(diǎn)區(qū)域（溫度>2000℃）。在熱點(diǎn)區(qū)域會(huì)生成高溫FeO熔體。因此，CaO粉末立即熔解并形成CaO-FeO熔體。CaO-FeO熔體的脫磷能力極高，可提高脫磷效率。

此外，還開發(fā)了鋼包渣循環(huán)脫磷技術(shù)。二次精煉產(chǎn)生的鋼包渣中含有化合物CaO和Al₂O₃，其熔點(diǎn)明顯低于轉(zhuǎn)爐渣、純CaO和純Al₂O₃。由于鋼包渣在脫磷過程中，即使在低溫條件下也容易熔解，因此所含的CaO可作為脫磷劑，Al₂O₃促進(jìn)助熔劑熔解。粉末CaO頂吹和鋼包渣循環(huán)的結(jié)合，提高了脫磷效率，降低了未熔解CaO的含量。該工藝流程如圖6所示。

3.2 轉(zhuǎn)爐冶煉還原鉻礦石的研究進(jìn)展

由于鉻的原料價(jià)格占不銹鋼生產(chǎn)成本的很大一部分，因此需要開發(fā)利用廉價(jià)鉻原料的煉鋼技術(shù)。另外，由于日本的電力成本遠(yuǎn)高于其他國(guó)家，因此，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，日本一直進(jìn)行利用轉(zhuǎn)爐冶煉還原鉻礦石的技術(shù)研究。

JFE鋼鐵公司采用頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐工藝，并已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。在熔化還原期間，碳質(zhì)材料和鉻礦石被連續(xù)加入轉(zhuǎn)爐。為了防止粉狀鉻礦石散落在轉(zhuǎn)爐外，鉻粉礦通過鉻質(zhì)氧槍噴入轉(zhuǎn)爐。由于碳質(zhì)材料還原鉻礦石中的氧化鉻是吸熱反應(yīng)，必須額外為轉(zhuǎn)爐供熱來(lái)還原鉻礦石。因此，熔融還原過程中也會(huì)消耗大量的碳質(zhì)材料，通過頂部和底部吹氧的燃燒反應(yīng)來(lái)供熱。為了增加熱量的供應(yīng)，已經(jīng)研究了各種各樣的技術(shù)，包括用于提高氧氣含量和增強(qiáng)二次燃燒的技術(shù)。然而，增加氧氣含量會(huì)增加鐵水產(chǎn)生的粉塵量，從而降低鉻和鐵的收得率。此外，二次燃燒操作技術(shù)增加了轉(zhuǎn)爐耐火材料的熱負(fù)荷，存在耐火材料壽命降低的問題。因?yàn)殂t礦石還原反應(yīng)發(fā)生區(qū)域的傳熱效率很低，為了降低碳質(zhì)材料作為熱源的消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，開發(fā)了利用燃燒器燃燒熱作為新型高效熱源的技術(shù)。在這項(xiàng)新技術(shù)中，所有的粉狀鉻礦石，通過加熱器火焰加熱并送入轉(zhuǎn)爐。

圖7為頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐和用于加熱鉻礦石的加熱器噴槍的示意。該加熱器噴槍具有能夠從中心孔供給鉻礦石，同時(shí)從圍繞中心孔的噴嘴供給丙烷氣體并促進(jìn)與氧氣燃燒的結(jié)構(gòu)。

5t轉(zhuǎn)爐和185t轉(zhuǎn)爐中加熱鉻礦石進(jìn)料速率和加熱器熱功率之比與加熱器燃燒熱傳導(dǎo)率之間的關(guān)系：有效的熱傳遞量隨著加熱的鉻礦石進(jìn)料速率的增加而增加。該結(jié)果證實(shí)，加熱的鉻礦石顆粒用作加熱器燃燒熱的傳熱介質(zhì)，可以通過加熱和進(jìn)料，將加熱器燃燒熱有效地轉(zhuǎn)移到鉻礦石發(fā)生還原反應(yīng)的區(qū)域，形成有效轉(zhuǎn)換。鉻礦石通過加熱器燃燒后進(jìn)入轉(zhuǎn)爐。

在引入用于將加熱的鉻礦石送入實(shí)際轉(zhuǎn)爐的噴槍前后鉻礦石的量與所供應(yīng)的熱能之間的關(guān)系：鉻礦石的量增加，所供應(yīng)的熱能也增加。所提供的熱能是碳氧反應(yīng)和頂?shù)讖?fù)吹氧燃燒總能量，以及使用加熱器放出的熱量。與引入加熱器之前的系統(tǒng)相比，通過使用加熱器噴槍輸送加熱的鉻礦石，可以將相同量鉻礦石的供應(yīng)熱量減少17％。證實(shí)了該方法可以有效利用供應(yīng)的熱量，并且達(dá)到大幅減少熱量消耗的效果。

在傳統(tǒng)的方法中，只使用碳質(zhì)材料作為能源。但隨著技術(shù)的發(fā)展，使用加熱器時(shí)，氫基燃料取代了部分能源，而且將燃燒的熱量更有效地轉(zhuǎn)移到鐵水和爐渣中。結(jié)果顯示，與常規(guī)方法相比，同量的鉻礦石供熱量減少，碳質(zhì)材料的用量也減少了26%。在鉻礦石冶煉還原爐中使用氫基燃料的加熱器加熱和進(jìn)料技術(shù)，不僅提高了包括鉻礦石在內(nèi)的主要原材料選擇的靈活性，而且與傳統(tǒng)方法相比，還減少了能源供應(yīng)量，從而實(shí)現(xiàn)了熔融還原過程的節(jié)能減排。

本文總結(jié)了日本轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的發(fā)展歷史和先進(jìn)技術(shù)。

第二次世界大戰(zhàn)后，日本鋼鐵企業(yè)推出了LD轉(zhuǎn)爐煉鋼法，此后開發(fā)了各種轉(zhuǎn)爐煉鋼原創(chuàng)技術(shù)以提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本及提高鋼材質(zhì)量。典型原創(chuàng)技術(shù)包括OG工藝廢氣回收技術(shù)、多孔頂槍技術(shù)及副槍動(dòng)態(tài)控制技術(shù)。

LD轉(zhuǎn)爐煉鋼自推出約20年后，人們逐漸了解其局限性，并認(rèn)識(shí)到增強(qiáng)鋼水?dāng)嚢璧闹匾?，隨后開發(fā)了各種頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐技術(shù)。通過使用該類技術(shù)，開發(fā)了鐵水脫磷和熔融還原技術(shù)。