日本制铁大分制铁所降低铁损的措施

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1 前言

日本制铁公司在大分制铁所炼钢厂，实施了用一座转炉进行脱硅和脱磷（吹炼1）后，通过中间排渣进行脱碳（吹炼2）的多功能转炉法（MURC）炼钢新工艺（如图1）。MURC法是通过热循环技术和高速吹炼技术的开发，完成了对普通钢和高端钢的生产工艺，作为铁水全量预处理的炼钢厂，提高了铁水预处理比率（如图2），确立了年产1000万吨钢的生产体制。

MURC工艺的显著特征是，在进行脱硅、脱磷处理后，不转移铁水，通过中间排渣，用同一转炉进行脱碳处理，并对吹炼2的渣进行热循环利用，使热损失最小。这样就产生了热裕量，在增加产量时可以大量使用废钢。另一方面，在最小化购买废钢的高铁水配比作业时，作为冷却材料，需要投入大量的固体氧化铁（以下称氧化铁），氧化铁产量低的问题显现。随着铁矿石和焦炭等原料品位的恶化，为应对铁水中杂质含量（[Si]、[P]、[S]）的增加，以及进一步降低产生的副产物，必须将研发重点放在改善铁水预处理工序。

根据以上情况，以扩大炉渣和粉尘循环利用为主要目的，通过减少精炼工序的炉渣排出量和改善氧化铁的利用方法，可以使铁损降低。

2 炼钢厂的渣、粉尘流程及铁损的降低

2.1大分制铁所炼钢厂简介

大分制铁所炼钢厂的主要设备有：2个鱼雷罐车（TPC）处理站，1个铁水包式铁水预处理法（ORP-M）处理站，3座转炉（运转2/3座），2座二次精炼真空脱气设备（RH）和3座连铸机（CC）。

从1986年开始，铁水预处理采用了在TPC脱硅处理后，在铁水包进行脱磷和脱硫处理的ORP-M处理。因此，实现了降低成本。但是，由于分割精炼的热裕量降低问题和土壤环境标准修订的萤石使用限制， 1998年引入了转炉型铁水预处理法（MURC），并扩大了应用范围。2002年开始在MURC循环利用炉渣热量，对于普通钢，将铁水包处理设备作为充分利用浸渍自由空间的高速脱硫设备来利用。这样，以循环利用热渣来降低排出系统外渣量为主的环境和谐型工艺得到极大改善。

2.2 扩大渣循环利用措施

图3是大分制铁所炼钢厂的炉渣发生状况。一部分脱硫渣直接用于烧结，但除此之外的渣经由渣处理场，在破碎、整粒工序中回收磁性材料。回收磁性材料后的炉渣，为降低膨胀率将大部分进行陈化处理，发货到厂外或厂内循环再利用。2010财年排放系统外渣量89kg/t中，厂内滞留47kg/t。通过强化以路基材料和炼铁炼钢循环利用为中心的厂内循环利用，2014财年，厂内滞留为0kg/t，炉渣产生和循环利用获得了平衡。特别是在钢渣循环利用中，从2010财年的3kg/t，扩大到2014财年的12kg/t。关于采取的措施将在后面介绍。除此之外，作为烧结循环利用，厂内回收12kg/t，其余排放系统外的渣79kg/t全部用于路基材料和地基改良等。

图4是炼钢厂内的渣回收流程。在MURC，热循环利用高碱度的吹炼2渣和低碱度的吹炼1渣，实现了大幅度减少生石灰使用量，并通过强化高碱度渣的分类，进一步降低了生石灰使用量。

1）吹炼2渣用于TPC脱硅和转炉循环利用

通常是将吹炼1和吹炼2混合回收的渣排放到不同的排渣罐，只回收高碱度的吹炼2渣用于再循环。为了在TPC脱硅中使用吹炼2渣，在辅助原料车间的粉碎工序，新建和改造吹炼2渣的原料接收系统和输送路线，用于生产吹炼2渣粉。此外，对剩余的吹炼2渣，铁水硅含量高导致转炉装入硅增加时，再循环至吹炼1，用于确保碱度。

2）造块渣的回收

造块渣碱度和Al2O3含量都高，因此，除替代CaO外，由于Al2O3含量上升，渣熔点降低，对提高渣化性有效，所以用于吹炼时间短的吹炼1。

图5是以上扩大渣回收措施的状况。与2010财年相比，冷回收渣量大幅度增加，其结果如图6所示，大幅度降低了新投入吹炼1的CaO单耗。

2.3 扩大粉尘回收的措施

大分制铁所炼钢厂的粉尘主要发生源是ORP-M的铁水包脱硫粉尘、转炉粉尘，这些粉尘在厂内循环用于铁水预处理和转炉。此外，一部分转炉粉尘作为还原铁原料转送到广畑制铁所。大分制铁所的铁水预处理工序，备有粉尘回收的辊磨机和干燥机等粉尘处理设备，可以生产水分＜1%，粒径＜150μm的粉体。通过强化粉尘干燥设备能力，提高了供给TPC脱硅和转炉的粉尘生产能力。由于促进了脱硅工序的粉尘回收，粉尘可以满足TPC脱硅所需的全部氧化铁。此外，为了循环利用MURC的粉尘，充分利用将转炉粉尘混合、成形和干燥，并压块的设备。通过该压块设备的有效利用，促进了粉尘的转炉循环利用。通过以上措施，转炉和TPC脱硅粉尘的回收利用，从2010财年的4.6kg/t，增加到2014财年的8.1kg/t。

2.4 大分制铁所精炼工序中的铁损问题

精炼工序产生的主要铁损有粉尘、渣中的粒铁和渣中的氧化铁。关于渣排放量，虽然正在取得流量平衡，但回收困难的渣中氧化铁不能循环利用时，会造成铁损，因此降低排放到系统外的渣中有价铁分是目前的研究课题。到目前为止，一直致力于强化吹炼2渣和铁水渣的渣回收，努力降低铁损耗。但对没有回收的吹炼1渣，除了用磁选可回收的铁分以外，作为铁损排出到系统外。

图7是吹炼1的铁矿石投入量与吹炼1停吹渣中T.Fe的关系。随着吹炼1铁矿石单耗的增加，吹炼1停吹渣中T.Fe也增加。这是因为中间排渣形成中断吹炼的结果，吹炼1的吹炼时间约为3min，时间较短，铁矿石不足以还原成金属铁。特别是在高铁水配比（HMR）作业中，存在为了冷却铁水而投入大量铁矿石，导致T.Fe含量高的问题。

2.5 降低铁损的思路

图8是经MURC吹炼1处理后，以渣中T.Fe（没有使用铁矿石）为基准，比较了TPC脱硅（喷吹法）处理后T.Fe的试验结果。从图中可知，随着碱度（C/S，CaO/SiO2）的升高，T.Fe降低，在所有的C/S中，运用TPC脱硅，可以大幅度降低T.Fe。

根据上述分析，总结归纳出降低铁损的思路（如图9）。为使脱硅、脱磷（MURC吹炼1）中的铁损最小化，致力于降低渣量和铁矿石未还原的损失。除了高碱度渣分类回收以扩大渣回收之外，还要强化TPC喷吹脱硅，并利用氧化度低的氧化铁（粉尘等）。

3 通过TPC脱硅降低铁损的措施

3.1 扩大TPC脱硅处理

图10是从TPC处理场到转炉装入的过程示意图。在TPC处理场用双重管喷枪，从内管喷吹气体，外管喷吹粉体，进行各种处理。粉体以规定的配比从接收罐排出到提升罐后，压送到喷吹罐。脱硅剂由厂内的辅助原料车间粉碎生产并供给。

TPC处理后，除高炉渣外，将脱硅生成的脱硅渣从TPC随着铁水一块移出到铁水包，在铁水包处理场脱硫处理前，倾动铁水包进行扒渣、排渣。排到受渣罐的脱硅渣运到熔渣处理场，进行冷却处理。

作为TPC脱硅的CaO源，为了循环利用吹炼2渣，在转炉渣处理场进行吹炼2渣的分类回收和新设了TPC喷吹用粉碎生产线，同时，还新设了由于TPC脱硅而增加的脱硅渣处理设备。

3.1.1 TPC脱硅剂的生产

TPC脱硅剂是在辅助原料车间用辊磨机粉碎。之前，该生产线生产TPC和铁水包喷吹用生石灰粉，但运转率尚有余力，所以新设备改造了吹炼2渣原料的接收系统和输送路线，用于生产吹炼2渣的粉体。吹炼2渣含有水分，直接微粉化时会结块，导致喷吹时堵塞喷枪。因此，利用原有的热风炉向辊磨机内送入热风，可以吹干吹炼2渣。

对脱硅用粉尘进行干燥和粉碎处理，作为脱硅剂使用，但干燥机的能力成为粉尘生产的瓶颈。通过新设干燥机，实现了扩大粉尘的生产能力。这样，可以保证3000t/月规模的脱硅用粉尘。

3.1.2 提高脱硅渣处理能力

由于扩大脱硅处理而增加的脱硅渣是低碱度且流动性高的渣。因为是从高硅区域进行脱硅处理，铁水析出的石墨大部分残留在脱硅渣中。因此，在实现高效率冷却具有流动性的渣和防止石墨粉尘飞散的同时，需要提高渣处理能力。

从排渣罐上部洒水冷却脱硅渣时，由于流动性高，表面凝固，水难以浸透到内部，冷却大约需要24h。因此，为了高效率处理，采取了在较短时间就可以冷却的热处理方式。

为了防止脱硅渣中的石墨飞散，在有集尘设备的厂房内热处理后，破碎成大块并采用洒水一次冷却。然后，将炉渣横向放置，在与一次冷却不同的二次冷却场，再次进行洒水冷却，从而提高冷却效率。

热处理方式与从渣罐上部洒水冷却相比，显著增加了表面积，可以短时间冷却。这样可以在约2h内，将炉渣温度冷却到运输车辆热负荷标准的100℃以下，采用该方法能够在短时间内冷却炉渣。

3.2 TPC脱硅的氧化铁还原率评价

为评价TPC脱硅的氧化铁还原率，采集了TPC脱硅处理后的渣样，由成分值可以估算出脱硅渣中的T.Fe损失量，从而计算出氧化铁（粉尘和吹炼2渣）的还原率。随着氧化铁投入量的增加，残留在脱硅渣中未被还原的T.Fe量极少。TPC脱硅的还原率高达92%，可以高效率从氧化铁中回收铁分。

TPC脱硅采用喷吹法，吹入的脱硅剂（气体氧、氧化铁）在铁水中上浮时，进行脱硅反应，脱硅效率高。此外，采用上方投入氧化铁时，顶渣中T.Fe量上升，氧化铁还原难以进行。转炉型铁水预处理（MURC）的渣中T.Fe量，在低碱度和高氧势下，进行脱磷反应，本研究认为15%-20%是适当值。与MURC吹炼1相比，在渣中T.Fe含量低的TPC喷吹法的TPC脱硅中，优先循环利用粉尘和吹炼2渣，可以高效回收氧化铁中的铁分。

3.3 TPC脱硅循环利用吹炼2渣使铁损降低

作为TPC脱硅的CaO源，传统上使用生石灰粉，但为了达到脱硅渣量最小化，可以循环利用吹炼2渣。新设和改造了用于吹炼2渣的新的接收系统、输送路线，并利用原有的热风炉在辊磨机内干燥，使生产TPC喷吹用的吹炼2渣粉成为可能。

3.4 TPC脱硅的效果

从铁水含硅量0.58%进行TPC脱硅，保证脱硅幅度达0.15%，转炉装入硅降到0.43%。此外，用于脱硅的粉尘使用量从2010财年的0.3kg/t增加到2014财年的7.7kg/t，增加了7.4kg/t。通过在还原率为92%的TPC喷吹脱硅中，利用粉尘脱硅，使铁损降低，系统外排放T.Fe降低了0.6kg/t。

4 提高转炉的氧化铁还原效率使铁损降低

4.1 降低转炉铁损的思路

在高铁水配比率作业时，MURC的最大特征之一是热损失非常少，转炉的冷却料投入量有增加的趋势。作为冷却料考虑氧化铁时，用TPC脱硅消耗，可以获得高还原效率带来的铁损降低效果，但是，从作为氧化铁的粉尘供给量瓶颈和保证脱硫处理所需温度的角度，TPC脱硅使用的氧化铁有限，其结果是转炉投入了大量的用于冷却的铁矿石。

投入铁矿石是为了提高铁水脱磷效率，降低铁水温度，主要是在MURC吹炼1投入。吹炼1的处理时间短，约3min，投入大量的铁矿石时，铁矿石不能充分还原，使吹炼1渣中T.Fe量上升。吹炼1渣在移到脱碳吹炼2之前，要进行排出吹炼1渣的中间排渣，还原不充分时会导致铁损。因此，利用铁水中碳进行熔融还原，提高氧化铁的还原效率，在具有热裕量的高铁水配比的MURC中成为重要课题。

为了提高铁矿石的还原效率，采取预还原和增加反应界面或是用固态氧化铁与铁水中碳直接还原都是有效的。在从上方添加氧化铁时，为了与渣下面的铁水直接反应，氧化铁需要保证一定的粒径和重量。根据以上结论，研究了转炉提高氧化铁还原效率的问题。

4.2利用转炉粉尘提高还原效率

转炉细粒粉尘的发生源是转炉吹炼时高温环境下的微粒飞散粉尘，由于未进行氧化而含有大量FeO（熔点1370℃），因此，与含铁成为几乎全为Fe2O3（熔点1566℃）的铁矿石比较，认为具有熔解性优势。此外，将粉尘块化后从上方添加，可减少集尘损失和与铁水接触的直接还原。因此，从熔解性和还原性的角度考虑，将粉尘块化后再用于转炉要比铁矿石有利。

4.2.1 转炉粉尘块化工艺

为了在转炉再利用细粒粉尘，在粉尘块化车间，用结合剂压块（以下称粉尘块矿）。生产流程是接收粉尘和结合剂，边加湿边混合，进行挤压成型，通过蒸汽干燥机，将水分干燥到＜1%后，投入到转炉辅助原料料仓。

4.2.2 对转炉中氧化铁还原率的评价

为了计算转炉中的氧化铁还原率，在吹炼1中投入铁矿石或粉尘块矿后，在中间排渣时采取吹炼1渣样，进行了化学分析。结果表明，用粉尘块矿置换铁矿石时（使用投入氧化铁中50mass%以上的粉尘块矿），残留在吹炼1渣中的T.Fe量降低，从而清楚了粉尘块矿的还原率要高于铁矿石。计算的粉尘块矿的还原率为82%，铁矿石的还原率是58%。与铁矿石相比，粉尘块矿的还原率要高得多。

4.3提高转炉氧化铁还原率的效果

通过扩大粉尘生产能力的措施，在TPC脱硅中优先使用转炉细粒粉尘。从2010财年的4.3 kg/t扩大到2014财年的5.3 kg/t，增加了1.0 kg/t。由于这项措施，充分利用了还原率82%的粉尘块矿，使铁损降低，排放到系统外T.Fe量减少了0.1 kg/t。

5 结语

从循环利用炉渣和粉尘的角度，对降低铁损的措施总结如下。

1）以扩大吹炼2渣的循环利用和扩大TPC脱硅来降低渣量为中心，与2010财年比较，2014财年排放到系统外的渣量单耗降低了16kg/t。伴随系统外排出渣量的铁损单耗降低了3 kg/t。

2）计算了MURC吹炼1和TPC脱硅中氧化铁的还原率，按①TPC脱硅用粉尘还原率92%；②吹炼1块矿还原率82%；③吹炼1铁矿石还原率58%的顺序使用氧化铁，提高了还原效率。此外，在TPC脱硅中，还回收了吹炼2渣中的有价铁。

3）相对转炉未还原损失多的铁矿石，TPC脱硅（喷吹法）使用粉尘脱硅，使铁损降低了0.6 kg/t，转炉粉尘块矿的使用，使铁损降低了0.1 kg/t，合计获得了降低铁损0.7 kg/t的效果。