摘要:超低碳钢及超低硫钢的工业化生产得以实现。但是，由于需求没有增加，炼钢技术的视点转移到高清洁度化及“点状缺陷控制”上。本文就炼钢技术的现状与将来的课题阐述如何开发满足环境要求，根据产品特性控制成分、经济性良好的炼钢技术。
关键词:精炼钢 高清洁度钢 铁水预处理
1 序言
自1990年以来，对超低碳钢及超低硫钢的需求增加，钢铁领域研究开发了这种高纯度钢冶炼技术。[C]<10ppm，[S]<5ppm高纯度钢的工业化生产得以实现。但是，由于对高纯度钢的需求没有增加。反而炼钢技术的视点转移到钢的高清洁度化及所谓的“点状缺陷控制”上，如何开发满足环境要求，根据产品特性控制成分、经济性良好的炼钢技术成为热点。本文就炼钢技术的现状与将来的课题阐述一下自己的看法。
2 炼钢工艺今后的课题
以少渣炼钢为目标，满足环境日益严格的要求，各钢铁厂根据自身条件，开发了不同的生产工艺技术。以下就相关工艺技术课题进行论述。
3 预处理领域
3.1 脱硅、脱磷
为满足生产超低磷钢的要求，日本将在转炉中进行的脱硅、脱磷功能分离到铁水阶段进行。使铁水预处理法得到迅猛发展。铁水预处理自1980年在各钢铁厂实际应用以来，铁水预处理比率不断提高。
图1所示为铁水预处理工艺流程有两种代表模式，最初a型是利用运送铁水的铁水包或鱼雷罐车实施的铁水预处理技术。之后开发的b型是使用闲置转炉的转炉型脱磷工艺。最近，通过提高转炉寿命等将二开一座、三开二座运行模式的转炉变成二开二座、三开三座模式运行，使转炉型脱磷炉的事例增加。
图1炼钢冶炼工艺流程
用转炉脱磷处理的时间比脱碳转炉处理的时间短。但a型铁水预处理方式，由于受处理装置的制约，反应速度受到限制，需要提高脱磷反应效率。尤其是鱼雷罐车其形状有利于保温，但不利于铁水的充分混合，存在着“死区”这样铁水搅拌不充分的区域。为了消除“死区”，加快脱磷速度，研究出在鱼雷罐车内设置两根交叉浸置的喷枪的技术。
铁水脱磷处理时还出现的课题是炉渣对环境的影响，炉渣需要实现无F化。以前为了炼制低磷钢及提高反应效率，广泛使用萤石。萤石对脱磷反应有以下几点效果：1)促进CaO的熔化；2)增大氧势；3)炉渣中Ca2+的活量增大等。但由于F在土壤中的熔析基准值的修正，含有F的炉渣往土壤中填埋处理很困难，因此铁水脱磷时无F化(无萤石化)是急待解决的课题。
图2所示为转炉型铁水脱磷处理中铁水装入温度与处理后[p]的关系一例。使用萤石的渣料不受温度影响，可以进行稳定的脱磷操作。但不使用萤石的渣料脱磷操作困难，尤其是在低温区域这种倾向更明显。这是由于伴随着铁水温度的降低，由于不使用萤石炉渣的渣化性降低。
从使用萤石渣料及不使用萤石渣料进行脱磷处理后炉渣的EPMA调查结果可知，使用萤石渣料的炉渣，磷与F分布于相同相内，脱磷生成物形成如同3[3CaO·P205]CaF2的磷灰石化合物。而不使用萤石渣料的炉渣，磷与硅分布在相同相内。通常脱磷炉渣的组成中，硅形成2CaO·Si02的固相，因此，磷的存在相是2CaO·Si02-3CaO·P205固溶相。
由CaO-FeO-Si02三元系相图可知，伴随着(FeO)浓度的增加，2CaO·Si02相的熔点降低。因此转炉型铁水脱磷处理时无F化，通过转炉上吹氧枪的氧供给，高效率地使(FeO)生成，促进了炉渣熔化。
小型炉进行铁水脱磷时，以恰当的供氧条件为基准，在不加萤石操作时，为了促进(FeO)生成，改善吹炼条件。具体讲为了促进(FeO)生成，在整个吹炼期，可实施上吹条件的软吹。另外，设定特性曲线，底吹搅拌初期为了确保炉渣中(FeO)，进行弱搅拌。末期为了促进钢水中[P]的去除，进行强搅拌。图3所示为吹炼条件改善前后铁水装入温度与处理后[P]浓度的关系。由于吹炼条件的改善，处理后[P]浓度几乎与铁水装入温度没有任何关系。可以冶炼出稳定的低[P]钢水。
吹炼条件改善后，吹炼终了形成的高(T.Fe)炉渣，将吹炼终了后的炉渣用EPMA观察，形成CaO-FeO，CaO相中[P]浓化。由以上的结果可知，通过控制(FeO)，可以实现铁水脱磷时的助溶剂的无F化。
3.2 脱硫
铁水脱硫工艺自1960年至1970年试验了多种方式。1980年以后，采用比较简单的设备能够进行大量铁水脱硫的喷射方式普及开来。但是，最近为了实现炉渣单耗最低化，从提高脱硫效率的观点出发，通过采用在铁水包内设置用耐火材料制造的叶轮，将脱硫剂与铁水进行搅拌的机械搅拌方式的钢铁厂增多了。
以调查叶轮脱硫时助溶剂分散、聚集动作对脱硫反应的影响为目的，使用小型KR实验装置进行试验。经过规定时间，对铁水取样后马上使叶轮旋转停止，回收炉渣，调查炉渣粒径变化。粒径根据回收炉渣的筛分，求得每种粒径炉渣重量比率。从得到的界面积算出平均粒径。
伴随着搅拌时间的延长，反应速度降低。处理旋转速度、处理温度一定，认定物质移动系数在处理中不变化，脱硫速度降低可能是由于反应界面面积变化所致。
图4所示为处理中炉渣的平均粒径变化。添加的助溶剂粒径在lmm以下，但在处理过程中逐渐变大，处理终了后达到1.5mm左右。通过考虑这种炉渣粒径变化的反应模型，反应情况基本能够说明。由此可知，由于添加的助溶剂的粒径随时间变化而增加，导致脱硫速度降低。因此，为了提高脱硫速度，促进助溶剂及抑制炉渣聚集非常重要。
作为灵活运用这些聚集的助溶剂的方法，采用脱硫剂再循环利用工艺。图5所示为JFE钢公司(株)西日本制铁所福山区3炼钢厂脱硫炉渣再循环对机械搅拌式铁水脱硫的助溶剂单耗的影响。通过炉渣再循环技术的使用，脱硫助溶剂单耗可以降低35％。
4 转炉二次精炼领域
4.1 转炉
1997年日本最初引进纯氧底吹转炉(Q—BOP)，其优越的冶炼特性举世瞩目，相继研发顶底复吹转炉。但是之后就没有看到转炉技术更大的进步。近年来通过引进铁水脱磷法，转炉的作用只有脱碳和升温了。给希望提高冶炼速度和提高余热利用开辟了新途径。
顶吹氧枪对转炉冶炼影响很大。但自从LD转炉开发后顶吹氧枪就没有多大的进步。这是由于水冷枪设计上的制约，很难引进新型技术所致。例如为了加强转炉的2次燃烧，需要从顶吹氧枪供给的氧实现软化。但由于氧枪倾角的制约，存在着喷射流聚拢难以实现低压吹炼化的问题。为此有待于开发积极控制氧喷射喷出角度等，将喷射流速降低的技术。
以流体力学为依据，在喷嘴喷出的主喷流上进行副流(以下称作用气体)控制，改善氧喷射软吹状况。
在喷嘴的扩张段，将节流孔偏向扩张段的侧壁，同时将节流孔与扩张段方向呈一定角度，使作用气体流与主流气体垂直供给。变化节流孔直径、作用气体流量、作用气体供给位置，测定了喷嘴扩张段内壁面压力与喷射流速分布。
图6所示为采用PIV测定向同心喷嘴扩张段与偏心喷嘴扩张段引入作用气体时，各自喷射流速的分布。当供给作用气体时，作用气体导入侧喷射流偏向。而作用气体供给后，位于相同喷嘴高度的喷射流的最大流速值降低。
根据表示最大喷流流速的半径方向距离与喷嘴高度位置的关系，计算喷射流偏向角度β。图7所示为整理作用气体与主流的流量比Q5/Qm的结果。与同心喷嘴扩张段相比，偏心喷嘴扩张段即使没有作用气体，喷射流偏向3°。喷射流偏向角度Q5/Qm在2％时，就不依赖作用气体流量，但Q5/Qm>2％时，与作用气体流量成比例。作用气体流量比增加1％，约增加1°的偏向角。综上所述，关于对顶吹氧枪喷氧控制，还有许多需要探讨的问题，寄希望于将来的研究。
转炉除上述高速冶炼之外，需要提高冶炼控制精确度。为此进行了在线分析传感器技术的探讨。例如大野先生等开发了转炉上通过火点发光波谱测定的Mn传感器。用来提高转炉冶炼过程中Mn的控制。但是考虑以后的功能，Mn传感器在线使用的意义多少有点疑问。
关于C浓度，使用辅助氧枪已经能够测定，例如如果能够连续性测定C，就可以进一步提高转炉终点控制。但是在辅助氧枪探头成本(目前2～3千日元/根)不变的价格水平下尚可使用。关于P如果有非接触、连续性的测定方法，对冶炼控制的精度化有作用。
4.2 二次精炼
二次精炼时开发使用的普通钢采用RH法、不锈钢采用VOD法已历时数十年，工艺已经进入了成熟期。近几年来，提出了几种新的二次精炼工艺，但从其发展的情况来看，还没有能够代替VOD法和RH法。
VOD法和RH法都是在低压下时进行脱碳精炼的。与转炉一样，通过控制由顶吹氧枪喷射流的状况，提高反应效率及成品率。但喷射流在低压下的动作还不能够充分定量性把握。就此采用模型实验及数值模拟开始实验。不明确的问题很多，期待着今后的研究开发。
在二次精炼的最终工艺中，根据产品方面的要求，须确保保证成分组和，这样就要求迅速分析成分。比如：薄板的高强度钢板，成分控制方面就C及Mn等与原来相比，要求成分控制在小范围内。为满足这种要求，就需精炼控制技术的提高、精炼末期[高精度迅速分析]两方面的技术开发。不过进行迅速分析的设备费用小，取样分析需要的时间进一步缩小以及用现有分析仪提高其精度来实现上述要求是一种实施性较快的方法。有些工厂如果短期实施困难的话，在精炼炉侧设置一台分析仪也是一种解决的方法。
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