日本是僅次于中國的世界第二大鋼鐵生產(chǎn)國，粗鋼年產(chǎn)量約為1億噸。由于電價高，轉爐工藝的生產(chǎn)率達到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)量僅為55.7萬噸。但到了1956年，粗鋼年產(chǎn)量達到1000萬噸，1973年超過了1億噸，LD轉爐（頂吹式轉爐）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轉爐。為了提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本和提高鋼材質量，又進行了相關技術的研究和開發(fā)。在經(jīng)過鋼鐵生產(chǎn)的快速增長階段后，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越好。當今日本鋼鐵業(yè)的基本戰(zhàn)略是開發(fā)難以模仿的高級別鋼種技術，因此，轉爐工藝的創(chuàng)新仍然發(fā)揮著重要作用。本文總結了日本煉鋼轉爐工藝的發(fā)展歷史和先進技術。

2.1 LD轉爐簡介

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765萬噸減少到1946年的55.7萬噸，僅4個平底爐在維系生產(chǎn)。為了恢復日本經(jīng)濟，鋼鐵業(yè)的重建是當務之急。1953年，粗鋼產(chǎn)量恢復到戰(zhàn)前水平，并建造了許多平底爐。但是，由于日本國內(nèi)廢鋼供應不足，從美國進口又受到限制，平底爐煉鋼法無法滿足日本國內(nèi)市場不斷增長的需求。

LD轉爐法是由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）對這項剛剛誕生的技術很感興趣，經(jīng)國際貿(mào)易工業(yè)部（Ministry of International Trade and Industry，MITI）協(xié)調，NK在1956年購買了獨家許可證，Yawata和其他公司獲得了分許可證。1957年，第一座LD轉爐在Yawata投入生產(chǎn)，1958年NK的LD轉爐也投入生產(chǎn)。該技術滿足了日本鋼鐵業(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轉爐法的引進加速了眾多相關鋼鐵企業(yè)的發(fā)展，到1965年，LD轉爐的生產(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)營成果，于1958年成立了轉爐委員會，委員會對加快LD轉爐的技術發(fā)展起到了重要推動作用。LD轉爐生產(chǎn)粗鋼比例的變化及與其他國家對比如圖1所示。日本鋼鐵公司在世界范圍內(nèi)率先推廣了LD轉爐技術。此外，LD轉爐對鋼鐵生產(chǎn)的快速增長作出了很大貢獻，直接促進了日本經(jīng)濟快速增長。

2.2 LD轉爐原始技術開發(fā)

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

在LD轉爐中，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，導致爐底部的耐火材料損壞嚴重，同時，轉爐散射的細金屬液滴或含有氣體的爐渣噴濺也會導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用在工業(yè)轉爐上。通過使用3孔氧槍，減少了爐口形成的結渣，提高了鐵的收得率。

在煉鋼過程中，由于發(fā)生脫碳反應，在爐中生成具有細粉塵的高溫CO氣體，必須對其進行處理。在小型轉爐中，CO氣體可在空氣中完全燃燒。然而，隨著轉爐容量的增加，廢氣量隨之增加，氣體處理系統(tǒng)的投資成本也隨之增加。為了克服這個問題，開發(fā)了一種無需燃燒即可回收CO氣體的方法。通過工廠試驗，設計了防爆系統(tǒng)，命名為“OG系統(tǒng)”，即氧氣轉爐氣體回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)于1962年第一次安裝在130t LD轉爐上。在此過程中，廢氣熱量回收率約為60％，當一部分顯熱以鍋爐蒸汽形式回收時，能量回收率提高至約70％。 

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

2.3 復合吹煉及鐵水脫磷

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

鐵水脫磷工藝于1982年首次實施。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LD轉爐雙渣工藝的改進，開發(fā)出了使用復合吹煉轉爐的鐵水脫磷工藝。與雙渣工藝相比，該工藝在底吹惰性氣體時，鋼水處于較高含碳量和較低溫度的狀態(tài)。在脫碳反應時，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

利用復合吹煉轉爐進行熔融還原是另一種獨特的技術。由于日本電力價格昂貴，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)了復合吹煉轉爐進行熔融還原。首先，利用中試爐對鉻鐵生產(chǎn)進行了研究。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合吹煉轉爐。如圖4所示，從底吹風口吹入混有粉末狀碳質材料的惰性氣體，與頂吹氧氣進行碳氧反應。通過該工藝，可以生產(chǎn)與高爐工藝質量相似的鐵水。

3.1 轉爐煉鋼脫磷工藝

隨著市場對低磷鋼（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，日本已經(jīng)開發(fā)出不同類型的鐵水預處理工藝。1980年到1990年初，大多數(shù)鐵水預處理過程均包括多個精煉階段。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行脫硅，同時脫硫和脫磷，之后再對預處理過的鐵水使用轉爐脫碳。因此，低磷鋼在轉爐中生產(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。但上述工藝存在著因使用魚雷罐或鋼包等容器導致的生產(chǎn)率低，熱損大導致的廢鋼消耗量低等缺點。此外，自1990年末以來，由于商業(yè)環(huán)境的變化而產(chǎn)生了新的需求，例如加強了有關氟化物的環(huán)境法規(guī)，以及由于高質量原材料的消耗而導致磷含量增加。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轉爐脫磷工藝。

通過有效利用轉爐的優(yōu)點（高爐容比、高速供氧和高強度攪拌），生產(chǎn)率顯著提高。高速供氧還能通過增加爐渣中FeO含量實現(xiàn)無氟操作，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脫磷。例如，1987年在鹿島（SRP：簡單精煉工藝）和1989年在名古屋（LD-ORP：LD轉爐優(yōu)化精煉工藝）實施了該工藝。在這個過程中，鐵水倒入轉爐，吹煉初期進行脫硅和脫磷（步驟①）；接下來，將鐵水和爐渣排出，再將鐵水倒入轉爐進行脫碳，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爐，只有在鋼廠有一座備用轉爐或新轉爐的投資回報率高的情況下，才能采用。

為了克服上述缺點，日本開發(fā)了多功能精煉轉爐（MURC），并于1994年在室蘭市和1998年在大分市進行了生產(chǎn)實踐。在MURC工藝中， 進行步驟①后，爐渣通過轉爐傾斜從轉爐口排出，無需出鋼（中間除渣），有效地利用了爐渣發(fā)泡來增加爐渣體積。在步驟②后，部分爐渣被留在轉爐內(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只需要一座轉爐，并且由于轉爐具有很高的生產(chǎn)率，熱量損失低而無需對鐵水進行加熱，從而實現(xiàn)了廢鋼高比例使用。

由于很難通過MURC的中間排渣來完全去除爐渣，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)所需的磷含量來適當選擇工藝。使用轉爐進行脫磷處理的一般流程如圖5所示。

為了促進步驟①的脫磷反應，開發(fā)了粉末CaO頂吹法，并已應用于多家鋼廠。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的熱點區(qū)域（溫度>2000℃）。在熱點區(qū)域會生成高溫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。二次精煉產(chǎn)生的鋼包渣中含有化合物CaO和Al₂O₃，其熔點明顯低于轉爐渣、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促進助熔劑熔解。粉末CaO頂吹和鋼包渣循環(huán)的結合，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 轉爐冶煉還原鉻礦石的研究進展

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

JFE鋼鐵公司采用頂?shù)讖痛缔D爐工藝，并已應用于工業(yè)生產(chǎn)中。在熔化還原期間，碳質材料和鉻礦石被連續(xù)加入轉爐。為了防止粉狀鉻礦石散落在轉爐外，鉻粉礦通過鉻質氧槍噴入轉爐。由于碳質材料還原鉻礦石中的氧化鉻是吸熱反應，必須額外為轉爐供熱來還原鉻礦石。因此，熔融還原過程中也會消耗大量的碳質材料，通過頂部和底部吹氧的燃燒反應來供熱。為了增加熱量的供應，已經(jīng)研究了各種各樣的技術，包括用于提高氧氣含量和增強二次燃燒的技術。然而，增加氧氣含量會增加鐵水產(chǎn)生的粉塵量，從而降低鉻和鐵的收得率。此外，二次燃燒操作技術增加了轉爐耐火材料的熱負荷，存在耐火材料壽命降低的問題。因為鉻礦石還原反應發(fā)生區(qū)域的傳熱效率很低，為了降低碳質材料作為熱源的消耗，實現(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。在這項新技術中，所有的粉狀鉻礦石，通過加熱器火焰加熱并送入轉爐。

圖7為頂?shù)讖痛缔D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，同時從圍繞中心孔的噴嘴供給丙烷氣體并促進與氧氣燃燒的結構。

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

在引入用于將加熱的鉻礦石送入實際轉爐的噴槍前后鉻礦石的量與所供應的熱能之間的關系：鉻礦石的量增加，所供應的熱能也增加。所提供的熱能是碳氧反應和頂?shù)讖痛笛跞紵偰芰浚约笆褂眉訜崞鞣懦龅臒崃?。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熱量減少17％。證實了該方法可以有效利用供應的熱量，并且達到大幅減少熱量消耗的效果。

在傳統(tǒng)的方法中，只使用碳質材料作為能源。但隨著技術的發(fā)展，使用加熱器時，氫基燃料取代了部分能源，而且將燃燒的熱量更有效地轉移到鐵水和爐渣中。結果顯示，與常規(guī)方法相比，同量的鉻礦石供熱量減少，碳質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料技術，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，還減少了能源供應量，從而實現(xiàn)了熔融還原過程的節(jié)能減排。

本文總結了日本轉爐煉鋼工藝的發(fā)展歷史和先進技術。

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

LD轉爐煉鋼自推出約20年后，人們逐漸了解其局限性，并認識到增強鋼水攪拌的重要性，隨后開發(fā)了各種頂?shù)讖痛缔D爐技術。通過使用該類技術，開發(fā)了鐵水脫磷和熔融還原技術。