日本是世界先進的鋼鐵生產國家，其在煉鋼方面存在的矛盾問題是，一方面采用大型設備進行大批量生產來提高生產效率，另一方面為滿足產品高級化、多品種化需求，不得不降低生產效率和增加能源消耗。以京都議定書為代表的CO2減排、減少能耗、節(jié)省資源等全球性的環(huán)保要求不斷高漲，在這種情況下，鋼鐵業(yè)需要研究根本性對策以實現(xiàn)低環(huán)境負荷生產。日本住友金屬和歌山鋼廠在高級鋼冶煉環(huán)保技術方面開發(fā)出良好工藝，現(xiàn)介紹如下。
1 爐渣、粉塵的循環(huán)利用技術
1.1 爐渣循環(huán)利用
在傳統(tǒng)轉爐精煉法中，由于脫磷能力小，所以要投入大量的脫磷劑，因此產生大量的爐渣，排出的爐渣廢棄物增加了環(huán)境負荷。雖然爐渣可以在土建工程和路基建設中得到循環(huán)利用。但是由于爐渣的市場需求量不斷變化，所以對爐渣發(fā)生量的控制就成為一個急需解決的問題。對流精煉法由于利用頂?shù)状缔D爐分別進行脫碳和脫磷精煉，所以可以實現(xiàn)脫磷處理條件的最佳化，并且脫碳處理使用完的精煉劑可以在脫磷處理中進行再利用，所以渣量大幅度減少。對流精煉法由于精煉劑再利用和脫磷處理條件最佳化，使爐渣的發(fā)生量從97kg/t鋼下降到52kg/t鋼，渣量約減少了一半。
1.2 粉塵循環(huán)利用
在鋼鐵廠的產品制造過程中會產生鍍鋅廢鋼，為在廠內將這些被鋅污染的廢鋼處理掉，就將這些廢鋼作為轉爐的鋼鐵料使用。因此，轉爐吹煉中產生的粉塵含Zn。由于轉爐產生的粉塵量很大，分離回收Zn的成本很高，所以不得不采用填埋方法處理含Zn粉塵，但這種方法增加了環(huán)境負荷。
由于脫磷反應比脫碳反應的溫度低，供氧速度小，所以煙塵中Zn損失小。因此，在進行脫磷處理時投入含Zn廢鋼，就可以生成少量高濃度含Zn粉塵。這樣，就比較容易從回收粉塵中分離出Zn。對流精煉法利用粉塵集塵裝置回收少量高濃度含Zn粉塵，再利用回轉窯將粗鋅和鐵粉進行分離，將粗鋅銷售給鋅精煉廠做原料，鐵粉用作廠內高爐的煉鐵原料。經過這樣的處理，在脫碳時就可以不使用含Zn廢鋼，產生的全部粉塵都被高爐作為煉鐵原料再利用。 因此，本開發(fā)工藝將過去作為廢棄物處理的粉塵進行資源化循環(huán)利用。過去的傳統(tǒng)工藝生產1噸鋼要填埋11kg的含Zn粉塵，現(xiàn)在粉塵廢棄量變?yōu)榱恪?/p>
2 快速脫碳吹煉技術
2.1 高速供氧技術
轉爐脫碳處理對轉爐的生產能力有很大影響。因此，有必要提高脫碳處理所需氧氣的供氧速度。以前，轉爐冶煉前的鐵水預處理能力小，需要在轉爐上進行脫磷，由于考慮到熔渣飛濺等問題，提高供氧速度有很大困難。
對流精煉法采用專用轉爐進行脫磷處理，脫碳爐不進行脫磷處理，因此脫碳爐精煉劑用量達到最小化程度，供氧速度就可以提高。但是又出現(xiàn)了一個新問題，由于脫碳爐精煉劑用量少，吹入轉爐內的高速氧氣射流沖擊到鐵水表面產生大量鐵粒飛濺，即發(fā)生嚴重的噴濺現(xiàn)象。為解決這個問題開發(fā)出可以抑制噴濺現(xiàn)象的新型氧槍。傳統(tǒng)氧槍槍頭有排列成與槍頭圓周成同心圓的4-6個直徑相同、傾角相同的噴嘴，這種氧槍吹入的氧氣射流會發(fā)生相互干擾，導致大量鐵水顆粒飛濺。基于對傳統(tǒng)氧槍問題的分析，新開發(fā)的氧槍槍頭是由不同直徑、不同傾角呈插花式排列的噴嘴構成的。這種噴嘴的配置避免了氧氣射流的互相干擾，最大限度地降低了鐵水的噴濺量。
隨著鐵水液面上射流重疊率的減少，噴濺量以指數(shù)關系下降。此外，還對新型氧槍高、低傾角噴嘴的直徑比與噴濺量的關系進行了研究，實驗是在水力模型裝置和2t實驗轉爐中進行的。高傾角噴嘴直徑和低傾角噴嘴直徑，并將D2/D1=1時的噴濺量作為基準值，對噴濺量進行了指數(shù)化處理。
上述的實驗結果在實驗轉爐上也得到了驗證，隨后這種新型氧槍很快在轉爐生產上得到應用。結果表明，即使在5.0Nm3/min的高速供氧條件下，也未出現(xiàn)鐵水顆粒附著在氧槍和爐體引起的操作故障。傳統(tǒng)轉爐法的脫碳吹煉時間約為20min，和歌山新鋼廠脫碳爐的吹煉時間縮短到9min。
2.2 高速吹煉控制技術
由于提高供氧速度縮短了吹煉時間，相應地要求縮短吹煉終點溫度和終點碳含量的控制時間。
在傳統(tǒng)方法中，用副槍測定吹煉終點溫度和終點碳含量，因此要進行取樣，然后根據(jù)取樣測定的溫度和［C］進行數(shù)學模型計算，根據(jù)計算結果停止吹煉。吹煉停止后再次用副槍測定溫度和［C］，合格后出鋼。在出鋼的最初階段要根據(jù)吹煉時取樣分析的［P］分析值，進行是否繼續(xù)出鋼的判斷。為完成這些操作，必須在吹煉結束前約120s，進行吹煉末期的副槍取樣測定。吹煉結束前約120s，對于吹煉時間為20min的傳統(tǒng)吹煉來說相當于完成了90%的吹煉過程，而對于吹煉時間為9min的高速吹煉來說相當于完成78%的吹煉過程。因此，在高速吹煉情況下，采用傳統(tǒng)控制方法必然會大大增加脫碳量模型預測值的誤差。
基于這種分析，開發(fā)出適用于高速吹煉的改進型控制方法。在改進型控制方法中，由于采用［C］和溫度預測的動態(tài)模型，提高了預測的準確性，可以省略吹煉結束時［C］和溫度的測定。此外，由于鐵水脫磷的穩(wěn)定性，不必通過取樣分析判斷是否繼續(xù)出鋼，可以使吹煉中副槍的動態(tài)測定時間接近吹煉過程的90%，即在吹煉結束前約60s完成。
在傳統(tǒng)模型中，吹煉末期過氧化渣中的［O］含量和鋼水中的［C］含量，是沒有考慮出鋼結束之前脫碳量的值，因此，出鋼后鋼中［C］含量的預測值有波動。在新開發(fā)方法的副槍測定時，除了進行傳統(tǒng)的碳濃度和溫度測定，還可以測定熔渣中的氧濃度，并將熔渣氧濃度輸送給動態(tài)模型，因此，提高了出鋼結束時鋼中［C］含量的預測準確性。
2.3 脫碳爐的處理周期時間
由于采用了上述的高速供氧技術和高速吹煉技術，和歌山新煉鋼廠脫碳爐的處理周期時間為20min，其中，送入鐵水4min、吹煉9min、出鋼5min、放渣和補爐2min。
3 多功能二次精煉法
轉爐脫碳吹煉后鋼水的硫含量雖然已經降到30ppm，但是高純度鋼（高性能油井管）對硫含量的要求是10ppm以下，最好是5ppm以下。為達到這種要求，傳統(tǒng)的做法是，轉爐出鋼后在鋼包內進行脫硫處理。處理方法是，將噴槍深入鋼水中，利用Ar氣從噴槍口將脫硫劑吹入鋼水進行脫硫。由于粉狀脫硫劑陷入Ar氣氣泡內，所以不能保證鋼水和脫硫劑之間有足夠的脫硫反應面積，影響了脫硫速度的提高，因此要投入大量脫硫劑。由于脫硫后要進行脫氣處理，所以，必須在脫硫后將大量的脫硫渣排出。這樣就增加了脫硫時間，并且鋼水溫度降低造成能量的損失。此外，由于是在大氣壓條件下進行攪拌操作，大氣中的氮會溶入鋼中，這樣，也會對鋼材性能產生不利影響。為解決傳統(tǒng)方法中存在的這些問題，實現(xiàn)高效率生產低氮低硫鋼，開發(fā)出多功能二次精煉法。這種精煉法是在真空條件下進行，對鋼水處理的主工序RH爐附加了脫硫功能，使脫氣和脫硫在同一個工序完成，實現(xiàn)工藝流程的緊湊化。
RH附加脫硫功能采用的不是從鋼水內部輸入，而是從爐子上面將脫硫劑吹入鋼水表面的方法。被吹入的脫硫劑接觸到真空條件下的鋼水面后在進入鋼水內部時，不會陷入Ar氣氣泡內，從而保證了足夠的脫硫反應面積，大大提高了脫硫速度，可以實現(xiàn)很低的終點硫含量。由于脫硫劑用量很少，所以脫硫后不需要進行物理除渣操作，因此溫度下降少，熱能損失小。
過去曾認為，在真空條件下頂吹粉劑會被真空排氣泵吸走，不能發(fā)揮有效的作用。但RH附加脫硫法開發(fā)的噴粉技術對噴槍的噴嘴形狀進行了改造，使粉劑和粉劑載體形成強力射流，可以無損失地將粉劑吹到鋼水表面。實驗證明，頂吹粉劑的方法可以達到高純度鋼的硫、氮含量要求，從而可以冶煉高級鋼，且熱能損失也降低到傳統(tǒng)方法的1/2。