日本JFE 炼钢技术的进步和展望

为应对钢材高洁净度的要求,JFE公司利用铁水预处理技术降低铁水中的P、S含量,从而降低了钢渣生成量并提高了钢材质量。为进一步去除钢中杂质,需要开发提高精炼渣反应效率的技术,降低精炼钢渣生成量技术,以及钢渣再利用的技术。在转炉和二次精炼中,需要开发高生产效率的洁净化技术。此外,还需要开发降低炼钢热损失、增加富裕热量扩大铁源选择范围技术以及抑制CO2排放量、提高炼钢收得率技术。

在提高全球化的国际竞争力中,要求连铸兼有高生产效率和高铸坯质量。在高生产效率方面,需要开发高效高速连铸的稳定铸造技术、先进的漏钢预报技术、高速连铸结晶器保护渣以及可提高冷却能力的二次冷却技术。

1精炼技术的开发

1.1铁水预处理

在铁水脱磷处理方面,开发出不使用萤石和苏打灰的精炼剂。鱼雷罐车铁水脱磷时,将渣的碱度由2.0降低到1.6,促进渣的熔融,使以氧化铁为主要成分的脱磷剂供给速度增加到原来的1.25倍。利用专门的地坑,使鱼雷罐车倾动5°解决了放渣问题。脱磷处理后,钢渣的实际碱度为1.5时,可保证脱磷能力。

东日本制铁所京滨地区和西日本制铁所福山地区实施了转炉铁水脱磷处理。在精炼剂中不使用萤石,采用了促进和控制吹炼渣中FeO生成的技术。利用反应模型,定量化确定FeO对脱磷反应速度的影响。同时,将推测脱磷处理时钢渣中FeO生成量的系统导入实际转炉脱磷处理,实现了钢渣中FeO生成量的动态吹炼控制,建立了稳定的低磷铁水生产技术。此外,JFE又开发出新型转炉铁水脱磷工艺(双渣精炼工艺、DRP®)。

该工艺事前不对铁水进行脱硅,将铁水装入转炉,进行吹炼脱硅后,中断吹炼、将炉内的高SiO2炉渣排放到炉外(中间放渣),然后再进行脱磷吹炼。

东日本制铁所千叶地区和西日本制铁所仓敷地区由于先进行鱼雷罐车铁水脱磷处理,所以在脱磷后的脱硫处理时,存在低温的不利条件。传统的鱼雷罐车铁水脱硫方法是喷射脱硫剂。为了促进低温脱硫反应,向铁水内喷吹C3H8气体,降低铁水中的氧分压,提高脱硫反应效率。后来采用机械搅拌的铁水脱硫方法代替鱼雷罐车喷吹气体方法。由于采用了搅拌力高的机械搅拌方法,提高了脱硫效率。

进一步发展,将C3H8气体顶吹用于机械搅拌方法,同样具有降低铁水氧分压的效果。后来又采用脱硫剂喷射技术、铁水包底部倾斜技术、熔渣热循环技术,提高了脱硫剂的反应效率。此外还采用了使铁水包底部倾斜,在铁水搅拌中形成铁水的偏心旋涡,促进脱硫剂卷入的技术和熔渣热循环技术。利用这些技术,使脱硫剂的反应效率提高到过去的1.5倍,脱硫渣量减少了30%。

1.2转炉二次精炼

东日本制铁所千叶地区的纯氧底吹转炉,对底吹氧气喷嘴进行了优化排列。通过进行1/15的水模型试验,查明了喷嘴排列对水振动的影响。防止了吹炼时的铁水飞溅,钢水收得率提高了0.2%。JFE公司开发出二次精炼真空脱气(RH)的顶吹氧脱碳技术。新型顶吹氧枪的使用结果是,[C≥0.015mass%]时的脱碳速度提高了7.5%;由于增加二次燃烧,可降低出钢温度4℃。此外,在高真空条件下,[C<0.015mass%]时的钢水飞溅减少,真空槽内的钢水附着量减少了一半。

1.3增加富裕热量利用廉价铁源技术

JFE公司为增加转炉炼钢的富裕热量,开发出铁包/钢包用耐火砖。利用耐火材料和微孔隔热耐火材料的特性,使耐火材料配置最佳化,最大限度发挥隔热功能,提高了铁包/钢包的耐久性。

在混铁车的铁皮和耐火材料之间加入3mm的微孔隔热材料,使铁皮温度约降低50℃、散热量降低25%。

在钢包外壳与永久性耐火材料之间加入微孔隔热材料,可使钢包铁皮温度下降700℃、散热量减少36%。

东日本制铁所千叶地区生产不锈钢。不锈钢生产工艺的特点是用强搅拌顶吹转炉进行铬矿石熔融还原和脱碳精炼。铬矿石熔融还原是吸热反应,为了保持高生产效率和对大量廉价铬矿石进行还原,热补偿技术十分重要。传统的热补偿方法是添加碳源和送氧。

JFE开发的热补偿技术是,将添加铬矿石的专用喷枪制作成纯氧燃烧器,提高了热补偿的热效率。由于铬矿石对燃烧器燃烧热的比例增加,铬矿石起着燃烧器燃烧热的传媒作用,使转炉获得80%燃烧器燃烧热。由于铬矿石经过燃烧器,在铬矿石量相同的情况下,使热能供给减少17%,与传统的碳燃烧热补偿方法相比,开发的热补偿方法节能26%。增加富裕热量利用冷铁源熔炼技术是降低炼钢工序CO2发生量的有效方法。目前,有冷铁源铁含量下降和含有混入元素的冷铁源增加的趋势。JFE开发出在炼铁阶段去除代表性的混入元素Cu、Sn的技术。使用苏打灰、硫化铁等造渣剂，可以进行铁水脱Cu。

在钢渣利用方面,开发出水合固化体、海域利用等钢渣利用技术并达到实用化。此外,正在开发从钢渣回收显热和钢渣资源化的连续凝固技术、从钢渣回收Fe·P技术。日本的磷资源依赖进口,日本钢渣中的磷含量为11万吨,相当于日本进口的磷量。因此,从炼钢副产物钢渣中回收Fe·P,既可以提高铁的收得率,也可以促进磷资源的有效利用。JFE公司利用小型熔炼炉,在1400℃下用碳还原钢渣中以氧化物形式存在的Fe·P,进行回收Fe·P试验。试验结果是,铁的回收率达到90%以上并且是金属铁。处理后钢渣中的磷浓度降低到0.3%以下。研究表明,钢渣中的磷浓缩到还原铁中,浓度达到2%-3%。将得到的高磷铁进行脱磷处理,使磷浓缩在脱磷处理渣中,处理渣可作为肥料使用。目前,为了使该工艺实现工业化应用,正在进行规模化试验。

2连铸技术开发

2.1高洁净钢制造技术

JFE公司对在真空脱气(RH)-连铸中间罐工序,从钢水中去除非金属夹杂物,制造高洁净钢的技术进行了研究开发,轴承钢要求去除微小夹杂物。为此,JFE开发出RH加减压精炼法。该方法在真空脱气处理时减压,使氮气等可溶性气体形成微小气泡促进夹杂物上浮、去除。在铁素体不锈钢生产方面,开发出离心中间包,利用旋转磁场搅拌提高夹杂物分离能力,降低了钢中氧含量,提高了铁素体不锈钢的质量。

2.2高速连铸技术

为了实现稳定的高速连铸,在连铸操作和铸坯质量方面应解决以下问题。①结晶器凝固壳粘结、裂纹引起漏钢的防止技术;②开发新型保护渣,防止结晶器/铸坯间的摩擦力和保护渣卷入引起的缺陷;③因脆化温度在连铸弯曲、矫正位置发生表面裂纹的防止技术;④凝固界面变形增大,导致内裂的防止技术,以及提高铸坯冷却能力的技术。

JFE公司开发出漏钢预报系统。在结晶器钢板内埋设多个热电偶,根据热电偶温度,计算出凝固壳的厚度。利用该系统可以对结晶器下端凝固壳厚度进行实时监控,对高速连铸中出现异常情况进行监测。

为了减少高速连铸时保护渣的卷入,进行了非牛顿流体保护渣的开发。在保护渣中添加N元素,使熔融保护渣的黏度因剪切应力而变化,具有非牛顿流体特性。实验室研究结果确认,这种保护渣具有减少卷入量的效果。此外,JFE公司测定和解析研究结晶器振动条件和结晶器物性对结晶器/铸坯间摩擦力的影响。摩擦力测算值使保护渣操作和质量对保护渣的影响实现指标化。

在防止高速连铸时表面裂纹和内部裂纹方面以及提高铸坯冷却能力方面,对二次冷却技术进行了开发。对影响喷淋冷却能力的水量密度和冷却水压力等因子进行评价,并进行了二次冷却装置的开发。

2.3结晶器内钢水流动控制技术

连铸时存在于铸坯内的气泡和夹杂物是热轧或冷轧中轧材产生缺陷的一个原因。为了同时满足高生产效率和高质量的要求,需要开发减少高速连铸缺陷的技术。JFE公司开发出叫做钢流控制FC(FlowControl)结晶器的钢水流动电磁控制装置。该装置具有上下两段静磁场,可减少高速连铸的铸坯缺陷。此外,还开发出铸坯缺陷超声波探伤新技术。该技术可对铸坯试样中直径0.6mm以上、铸坯表面下2-10mm的缺陷进行快速探测。利用该方法对结晶器内钢水流动条件、浇铸条件与缺陷位置的关系进行了大量调查。

关于磁场条件,当施加的磁感应强度使表示外力项与惯性力项之比的Stuart数大于3.5时,钢水动量可降低50%以上。此外,为优化磁感应强度和浇铸条件,进行了铸坯评价实测值与数值计算值对应关系的研究。计算结果表明,磁感应强度增大可抑制气泡的捕捉。

2.4铸坯表面缺陷防止技术

JFE公司为应对汽车用钢的高强度化和轻量化的要求,对高强度汽车钢板进行开发,在开发过程中出现含有Nb、V合金元素的亚包晶中碳钢的裂纹敏感性大,导致连铸坯产生表面裂纹的问题。

为解决这个问题,在对铸坯施加相当于弯曲·矫平的应变前,对铸坯施加预应变,具有提高铸坯高温延性的效果。根据这个试验结果,开发出对铸坯施加预应变的技术。对铸坯两次施加2%-5%的预应变,可获得与累计应变相同的提高高温延性的效果。

2.5铸坯鼓肚防止技术

连铸时,引起周期性的钢液面波动和扇形段变动的鼓肚现象,不仅降低连铸速度,而且扇形段辊间鼓肚会引起高成分钢水的形成,这对于偏析要求严格的钢来说,是不可忽视的问题。JFE开发出用分辨率0.01mm的水柱式超声波测距传感器,直接测定连铸中扇形段辊间鼓肚变动量的技术。

2.6其他开发技术

东日本制铁所的不锈钢钢坯曾存在连铸开始时热供给不足引起的保护性渣缺陷。对此,JFE开发出在连铸初期将预熔化结晶器保护渣添加到结晶器内的保护渣熔融添加法,使铸坯的保护性渣缺陷大幅度减少。此外,由于铁素体不锈钢的凝固组织对产品特性有很大影响,所以应对柱状晶/等轴晶的比例进行控制。为此,制作了包括浇铸条件和电磁搅拌等对等轴晶形成有较大影响的等轴晶比例预测模型,实现了等轴晶比例稳定的铸坯制造。

3炼钢技术展望

预计今后对钢材质量的要求将进一步提高,而铁矿石和冷铁源的质量将会下降。因此,在精炼方面,开发进一步提高精炼剂反应效率、高效率降低杂质的高洁净化技术十分重要。此外,提高精炼效率,减低钢渣产生量;回收钢渣热能和钢渣中的成分、进行循环利用的技;以及新功能材料是今后重要研发技术。在连铸方面,稳定的高速连铸技术与无缺陷连铸技术是今后需要研究的重点课题。

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