王新华 首钢总公司，北京，100043
摘 要：本文对中国钢铁工业转型发展时期需重点关注的转炉炼钢工艺技术进行了分析论述，认为：
（1）较低底吹搅拌强度的复吹转炉应将底吹元件减少至 4~5 支，并采取根据钢水碳氧积对底吹元件“动态维护”等措施，提高金属熔池实际搅拌效果，而大量生产低碳、超低碳钢品种的钢厂应将底搅强度逐步增加至 0.15Nm3/min/t；
（2）随钢铁工业去产能逐步深入，会有相当数量转炉富余、闲置，有条件钢厂应利用其进行铁水脱磷预处理，采用“脱磷转炉+脱碳转炉”先进炼钢工艺技术。为此，脱磷转炉须采用大底吹搅拌强度，并注意解决脱碳转炉热量不足问题；
（3）应加强转炉炉气分析吹炼控制技术研发，具备条件钢厂可尝试首先取消“TSO”测定，由炉气分析系统承担碳含量控制任务，在此基础上逐步对炉气分析控制系统改进完善，最终由其承担转炉冶炼控制任务；
（4）Simense VAI、Dofasco 公司等开发了转炉全自动出钢技术，将转炉自动化、智能化生产提高到新水平，国内高水平钢厂应尽快采用此项新技术。
1 前 言
中国钢铁工业经过近二十年快速增长之后，进入了转型升级发展时期，目前面临着化解过剩产能的巨大压力。据中国钢铁工业协会统计 [1] ，2014 年国内粗钢产能为 11.3 亿吨；国务院“关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见” [2] 提出，从 2016 年开始用 5 年时间再压减粗钢产能 1~1.5 亿吨；中国钢铁工业协会预测 [3] ，2016 年粗钢产量或将降低至 7.83 亿吨，2020 年降低至 7.02 亿吨，2025 年至 6.24 亿吨，2030 年至 5.6 亿吨。
上世纪 70 年代后期至 90 年代末，美、英、德、日等国都经历了钢铁工业转型和化解过剩产能的时期。以日本为例，1973 年粗钢产量达到峰值 1.19 亿吨（包括 2089 万吨电炉钢），1999年粗钢产量降低至 9419 万吨（包括 2983 万吨电炉钢），如只考虑高炉?转炉流程钢厂，此期间新日铁、川崎制铁、NKK、住友金属、神户制钢等企业钢产量合计减少了 30%以上。图 1 [4] 为住友金属和歌山钢铁厂历年来钢产量变化情况，在上世纪 60 年代日本钢铁快速发展时期，该厂钢产量增加至 900 万吨/年以上，70 年代后钢产量逐步降低，5 座高炉有 3 座先后被关闭，两个炼钢厂变为一个厂生产，钢产量最终缩减至 425 万吨/年左右。与和歌山钢铁厂相同，日本大多数高炉?转炉流程钢厂，如新日铁公司的室兰、名古屋、八幡钢铁厂，川崎制铁公司的千叶、水岛钢铁厂，NKK 公司的京滨钢铁厂等，都有类似关停部分生产设施大幅缩减产能的经历。
中国钢铁工业在今后 10~15 年间要大幅缩减过剩产能，除部分竞争力落后钢厂被淘汰之外，大多数钢厂须采取关停部分生产设施缩减产量的举措，低开工率、低负荷生产有可能成为“常态”，而在钢铁工业粗放式快速增长期间采用的许多工艺技术会变得不再适用，需要对其进行改进完善或开发新的工艺技术。本文以复吹转炉底吹优化、“脱磷转炉+脱碳转炉”炼钢工艺、转炉炉气分析吹炼控制、转炉全自动出钢为例，对新发展时期需重点关注转炉炼钢工艺技术进行了分析讨论。
2 复吹转炉炼钢底吹工艺优化
顶底复吹转炉炼钢是上世纪 80 年代开发成功的重要炼钢工艺，在主要由熔池上方氧枪供氧吹炼的同时，由炉底喷管吹入一定量气体（Ar，N 2 ，CO 2 ，O 2 ）搅拌金属熔池，可显著改善熔池成分和温度的均匀性，减少喷溅，加快脱磷、脱碳化学反应，降低冶炼终点钢水氧含量和炉渣 Fe t O 含量。
复吹转炉底吹气体对钢液的搅拌强度可以单位质量钢液吹入气体流量表示，图 2 [5] 为主要复吹炼钢工艺所采用的底吹搅拌强度及其对应的熔池混匀时间。可以看到，复吹转炉炼钢可采用的底吹强度范围很大，对熔池的搅拌混合作用随底吹流量增加而增强，如当底吹强度由0.04Nm3/min/t 增加至 0.5Nm3/min /t 时，熔池混匀时间可由 50s 大幅缩短至 25s 左右。
最近，Kishimoto 等 [6] 对日本复吹转炉炼钢技术进行了较系统分析评述，文中给出了日本 51座复吹转炉的底吹喷管类型、底吹气体种类和底吹搅拌强度。图 3 为据其数据得出的日本复吹转炉底吹搅拌强度的分布情况，在统计的 51 座转炉中，只有 8 座转炉底吹强度在0.05~0.1Nm3/min/t 之间，大部分转炉底吹搅拌强度在 0.1~ 0.2Nm3/min/t 范围（33 座转炉），另有 10 座转炉底吹强度在 0.3~0.5 Nm3/min/t 之间，所统计 51 座转炉底吹强度平均为 0.178
Nm3/min/t。
近十五年来国内复吹转炉炼钢发展很快，目前大中型转炉绝大多数采用了复合吹炼工艺，在自主开发双环缝型底吹喷管、底吹元件保护（形成炉渣蘑菇头）、底吹与转炉炉龄同步等方面都取得了很大成绩 [7,8] 。但是，与日、韩等国复吹转炉相比，国内转炉底吹强度明显偏低，除少数转炉能达到 0.1Nm 3 /min/t，绝大多数钢厂实际采用的底吹强度仅在 0.05 Nm 3 /min /t 左右。
除了底吹搅拌强度弱以外，国内转炉底吹元件数量也显著多于日、欧、韩等国复吹转炉。国外底吹气体为 Ar、N 2 、CO 2 的复吹转炉（包括大型转炉），普遍采用四支底吹喷管，而国内转炉除个别钢厂采用四支底吹喷管外，大多采用 8~12 支底吹喷管工艺，某钢厂大型转炉甚至采用了 16 支底吹喷管。与日、欧、韩等国转炉相比，国内转炉底吹总流量就低，加之底吹喷管数多，单支喷管气体流量显著低于日、欧、韩等国钢厂，因此容易堵塞（尤其在炉役中后期）。
图 4 为国内某钢厂 210t 复吹转炉冶炼终点钢水碳氧积平均值在不同炉龄范围的分布情况，该厂转炉采用 12 支底吹喷管，底吹搅拌强度在 0.05Nm 3 /min/t 左右，炉龄控制在 6500 炉左右，以生产低碳、超低碳钢为主。由图 4 可以看到，炉龄低于 2000 炉时，碳氧积尚可在 0.0025 以下；当炉龄增加至 2000~3000 炉时，碳氧积上升至 0.0030 以上；而在炉役中后期（4000 炉以上），碳氧积大幅增加至 0.0035 以上。转炉终点钢水碳氧积随炉龄增长而显著提高的现象在国内钢厂普遍存在，宝钢、鞍钢、马钢等对此都有报道 [9-11] 。
国内钢厂之所以普遍采用较弱底吹强度和较多底吹喷管工艺，主要是为了减轻对底吹喷管及周边耐材的冲刷浸蚀，以使炉底与转炉炉龄寿命达到“同步”。在采用溅渣护炉技术后，国内复吹转炉实现了高炉龄和超高炉龄（6000~ 15000 炉），且即便在炉役后期，仪表显示仍有一定底吹气体流量，许多钢厂依此为依据，宣称实现了底吹与转炉高炉龄、超高炉龄“同步”。须指出的是，绝大多数情况下，尽管底吹仍保持有一定流量，但实际搅拌效果已经大幅度减弱了。
在钢铁业粗放式快速发展时期，大多数钢厂属于“产量效益”型企业，多产钢即可多获得利润。尽管大多数钢厂在转炉炉龄超过 4000 ~5000 炉后，如进一步提高炉龄其吨钢耐材成本即会增加，且底吹搅拌效果降低还会增加合金消耗，降低钢的洁净度等，但由于高炉龄、超高炉龄有利于增产，而在粗放式快速增长时期增产获得的收益更大，大多数钢厂因而选择了牺牲底吹搅拌效果以维持高炉龄或超高炉龄的策略。
钢铁工业进入转型发展期后，低开工率、低负荷生产逐步成为常态，高产量不再等于高收益（甚至相反），经营环境的重大改变促使钢铁企业对以往复吹转炉工艺进行反思。日、欧、韩等国高水平钢厂均高度重视转炉底吹搅拌效果，为此甚至不采用溅渣护炉工艺，炉龄大多低于5000 炉，德国蒂森?克虏伯等钢厂转炉炉龄甚至低于 2000 炉。
近年来国内许多钢厂开始采取措施增强转炉底吹搅拌效果，如首钢迁安钢铁公司将其 210t复吹转炉的底吹元件数目由 12 支减少至 4 支，为适应底吹喷管数目减少后单支喷管气体流量增加，将底吹喷管由双环缝型改为三环缝型和集束管型。此外，迁钢还采取了其称之为“动态维护”技术加强底吹喷管的管理维护，其关键是根据终点钢水碳氧积数据对底吹工艺进行调整，既要获得良好底吹搅拌效果，又要防止炉底过度损耗，取得了令业内同行瞩目的效果。
图 5 为首钢迁钢转炉炉龄 6000 炉时的炉内炉底照片，炉底 4 个底吹风口依旧清晰可见。图6 为 2016 年上半年迁钢 1#转炉终点钢水碳氧积随炉龄变化情况，可以看到，通过实施“动态维护”，整个炉役期间钢水碳氧积均控制在 0.0023 以下。尤其在炉役中后期（3000~6000 炉），碳氧积较炉役前期非但没有增加，反而有所降低，仍可控制在 0.0021 以下。
图 7 为首钢迁钢公司转炉底吹工艺优化前后终点钢水碳?氧含量之间关系的比较，其中共统计了 11500 炉数据（炉龄：1~6450 炉）。由于数据点多，为了更清楚地显示新旧工艺碳?氧关系的不同，作图时采用了微软 EXCEL 软件中的移动平均分析方法，即按钢液碳含量由低向高排序，对每 20 个碳含量所对应的氧含量取一平均值，然后将所有平均值相连成曲线（图中黑色与红色曲线）。
首钢迁钢公司以生产汽车、家电、硅钢等冷轧薄板产品为主，转炉终点钢水碳含量绝大多数在 0.025~0.05%范围。由图 7 可以看到，在 0.025~0.05%碳含量范围，底吹工艺优化后钢水终点氧含量降低了 250ppm 以上，仅钢水氧含量降低一项，吨钢即可减少 0.8kg 左右脱氧用铝，降低成本 8 元/吨钢左右。除此之外，迁钢底吹工艺优化后，转炉终点炉渣 T.Fe 含量平均降低了4%以上，脱磷效率有明显提高，炉身部位耐材侵蚀减轻（因此取消了喷补），更重要的是汽车板、家电板等产品品质有了显著提升。
迁钢公司通过减少底吹元件数目和根据钢水碳氧积动态调整底吹工艺的技术，取得了上述令人瞩目成绩。但是，由于底吹流量仍较低，冶金效果与国外采用较大底吹强度的钢厂仍有差距。JFE、新日铁、加拿大 Dofasco 等钢厂复吹转炉采用更大底吹搅拌强度（>0.2Nm 3 / min/t）[12-14] ，吹炼终点碳控制在 0.035%左右时，钢液氧含量能控制在 500 ppm 以下，因此在降低成本、提高钢品质、生产高品质钢材方面可获得更大收益。国内以生产低碳、超低碳钢钢材品种为主的高水平钢厂应开展相关试验研究，将底吹搅拌强度逐步增加至 0.15Nm 3 /min/t 左右（甚至更高），并解决底吹强度增加引起的炉底侵蚀加剧等问题。
3 “ 脱磷转炉+ 脱碳转炉” 炼钢工艺技术
上世纪 80 年代初期，日本钢铁企业开发成功铁水脱硅、脱磷、脱硫预处理工艺技术（“三脱”预处理） [15-17] ，首先在高炉出铁沟（或鱼雷罐、铁水罐内）对铁水进行脱硅预处理，再在鱼雷罐或铁水罐内分别进行脱硫和脱磷预处理（或同时脱磷脱硫预处理），然后对处理过铁水在转炉进行冶炼。该工艺大幅提高了脱磷、脱硫效率，减少了炼钢熔剂消耗和炉渣量。但是，由于脱磷预处理在铁水罐或鱼雷罐内进行，罐内净空不足使脱磷反应效率受到很大影响。
上世纪 80 年代后期，随着日本钢铁业去产能进程发展，许多钢厂开始利用富余或闲置的转炉进行铁水脱磷预处理。1989 年新日铁名古屋钢铁厂开发了“LD?ORP”炼钢工艺 [16] ，将原第一炼钢厂转炉用于铁水脱磷、脱硅、脱硫预处理，处理后铁水由第二炼钢厂转炉进行炼钢。住友金属鹿岛钢铁厂一炼钢厂、NKK 福山钢铁厂三炼钢厂、川崎制铁京滨钢铁厂等则利用其原有三座或两座转炉中富余出的一座转炉进行铁水脱磷、脱硅预处理（该转炉简称为脱磷转炉），处理后铁水由另外转炉炼钢（称之为脱碳转炉）。目前，日本钢铁企业广泛采用了“脱磷转炉+脱碳转炉”炼钢工艺，其中除少数脱磷转炉为新建（新日铁住金和歌山钢铁厂 [4] ，神户加古川钢铁厂[18] ，JFE 福山钢铁厂 [19] ），绝大多数脱磷转炉为消减产能后富余或闲置的炼钢转炉。
采用“脱磷转炉+脱碳转炉”炼钢工艺的益处主要有：
（1）有利于生产低磷、超低磷钢，如抗酸管线钢、优质厚板等；
（2）脱碳转炉冶炼任务变得简单（主要是脱碳、升温），吹炼终点命中率提高；
（3）转炉冶炼周期缩短，更易与快速炉外精炼、连铸相匹配；
（4）炼钢熔剂消耗和炉渣量大幅减少。首钢京唐公司在国内钢企中率先采用了此炼钢工艺，目前应用比率在35~40%。
图 8 为首钢京唐公司脱磷转炉和脱碳转炉终点[P]含量分布情况。该厂高炉铁水磷含量在0.11%左右，经脱磷转炉冶炼，[P]平均降低至 0.033%左右，再经脱碳转炉冶炼，钢水[P]平均降低至 0.010%左右，显著低于传统转炉炼钢工艺生产钢水的[P]含量。在冶炼抗酸管线钢等超低磷钢种时，通过适当增加脱碳转炉石灰用量，采用合理氧枪枪位与供氧强度等，可以稳定地将钢水[P]降低至 0.007%以下。
图 9 为首钢京唐公司脱碳转炉冶炼周期（出钢?出钢时间）分布情况，为了对比也给出了同期传统转炉炼钢工艺的冶炼周期（铁水未经脱磷预处理）。经脱磷转炉处理后的铁水，碳、硅、磷含量降低，脱碳转炉吹炼时间可缩短，加之脱碳转炉不装废钢，因此其冶炼周期较常规转炉冶炼减少了 5min 左右。采用“脱磷转炉+脱碳转炉”炼钢工艺，脱碳转炉冶炼周期短，因此更容易与快速炉外精炼和高拉速连铸相匹配，实现“转炉?精炼?连铸”产线快节奏运行。韩国浦项钢铁公司光阳钢铁厂增设了脱磷转炉，每天冶炼 60 炉以上，主要用于其快节奏炼钢产线（板坯连铸通钢量：~4.5t/min/流）。由于生产节奏快，钢水温降少，该厂生产超低碳钢，转炉终点温度可低至 1650℃。
近年来，由于铁矿石磷含量逐步提高以及钢厂“回吃”钢渣等原因，铁水磷含量呈增加趋势。另一方面，国内钢铁业要实现转型升级发展，必须进一步节能、降耗，减少炉渣等固体废弃物排放，提高绿色化生产水平。鉴于“脱磷转炉+脱碳转炉”炼钢工艺能够大幅减少原材料消耗，降低炉渣排放量，并能够提高钢材品质，随着钢铁工业去产能逐步深入，国内有条件的钢厂应利用富余、闲置的转炉进行铁水脱磷预处理，采用“脱磷转炉+脱碳转炉”先进炼钢工艺技术。
采用转炉铁水脱磷预处理工艺，底吹搅拌强度须远大于常规复吹炼钢转炉，以新日铁住金公司和歌山钢铁厂的脱磷转炉为例[20]，该转炉底吹搅拌强度高达 0.38Nm3/min/t。本节以下对脱磷转炉必须采用强底吹搅拌的原因加以分析讨论。
脱磷转炉冶炼过程，脱磷反应或可在铁水熔池内部、渣?铁界面、泡沫渣内金属液滴表面等处进行，其中熔池内部脱磷反应及其标准自由能变化可由（1）、（2）式表示，自由能变化则可由（3）式计算：
脱磷转炉铁水[C]含量在 3.2~4.2%范围，铁液中氧活度 a [O] 主要被[C]控制，可表示为：
（3）式和（6）式中，a P2O5 为脱磷反应产物 P 2 O 5 的活度，f [P] 与 f [C] 分别为铁液中[P]与[C]的活度系数，a [O] 为铁液中[O]的活度。
高碳铁液中[P]和[C]的活度系数可分别由（7）式和（8）式算出（忽略其它组元影响），取脱磷反应产物 P 2 O 5 活度为 1（熔池内无炉渣），将（6）式和以上相关数据带入（3）式，计算得出温度 1320~1360℃、[C]含量 3.2~4.2%条件下，（1）式所示熔池内部脱磷反应?G 值在672700~742400 J/mol 范围，表明脱磷转炉金属熔池内部，由于铁水[C]含量高，[O]含量低，加之无碱性渣存在，脱磷反应基本上无法进行。
但是，由于脱磷转炉采用顶吹氧方式，即便熔池[C]含量高，也可以通过调整氧枪枪位和供氧参数等将熔池上方炉渣中 Fe t O 控制在较高含量范围（10~15%），在渣?铁界面或泡沫渣内金属液滴表面发生如（9）式所示的脱磷反应，其标准自由能和自由能变化分别见（10）和（11）式，式中? P2O5 和 N P2O5 分别为渣中 P 2 O 5 活度系数与摩尔分数，? FeO 和 N FeO 分别为渣中 FeO 的活度系数与摩尔分数。
首钢京唐公司脱磷转炉炉渣碱度 CaO/SiO 2 在 1.8~2.2 范围，Fe t O 含量在 10~15%，N FeO 在0.08~0.13 之间，P 2 O 5 含量在 2.5~8%，N P2O5 在 0.015~0.05 之间。
炼钢炉渣中 P 2 O 5 活度系数可由（12）式计算，根据首钢京唐公司脱磷转炉炉渣成分，取CaO 含量为 40%，MgO 含量为 7.5%，N FeO 为 0.14，N P2O5 为 0.028，? FeO 值选取 3 [22] 。将以上数据与（7）式和（12）式计算出的 f [P] 和? P2O5 带入（11）式。由此计算出（9）式所表示的渣?铁间脱磷反应自由能变化值在?74800 ~ ?88700 J/mol 之间，表明反应可以进行。
由以上分析可知，在转炉脱磷预处理冶炼中，金属熔池内部基本不能脱磷，因此必须采用大底吹气体流量，加强对熔池的搅拌，促进熔池内部[P]向渣?铁界面传输，并在渣?铁界面发生脱磷反应，从而获得高脱磷效率。
国内钢厂采用“脱磷转炉+脱碳转炉”工艺，该工艺难以支持转炉高温出钢是应予以高度重视的问题，这主要是因为经脱磷转炉冶炼后，铁水碳、硅、磷、锰含量降低，而为获得高脱磷效率又须将脱磷转炉终点温度控制得较低，由此造成脱碳转炉冶炼较高出钢温度钢种时热量不足，必须加入煤、焦、SiC、SiFe 等提温材料。首钢京唐公司以生产低碳、超低碳钢种为主，“脱磷转炉+脱碳转炉”工艺应用比率在 35~40%，脱碳转炉热量不足是影响该工艺应用比率进一步提高的主要问题。
为更好地说明“脱磷转炉+脱碳转炉”工艺难以支持高出钢温度这一问题，以下对脱碳转炉热量平衡进行简要计算，其中选用的反应热效应见表 2 [24] ，相关物质比热数据见表 3 [25,26] 。根据首钢京唐公司脱碳转炉生产数据，计算中石灰加入量取 20kg/t，轻烧白云石加入量取 9.5kg/t，铁矿石加入量为 7.5kg/t，炉渣量为 50.5kg/t，[C]由 3.3%去除至 0.04%，[Si]由 0.017%去除至0.005%以下，[P]由 0.032%去除至 0.009%，[Mn]由 0.024%降低至 0.022%，炉渣 Fe t O 含量为22%（其中 FeO 和 Fe 2 O 3 比率分别为 85%和 15%），烟尘量为铁水量的 1.5%（其中 FeO 和Fe 2 O 3 比率分别为 77%和 20%），脱磷铁水装入脱碳转炉后温度为 1270℃。
图 10 为上述热量平衡计算得出的脱碳转炉终点钢水温度与转炉冶炼热损失率关系，可以看到，热损失率在 4~5%情况下时，如不添加提温剂（煤、焦炭、碳化硅、硅铁等），脱碳转炉终点钢水温度仅能达到 1660℃左右。目前国内钢厂生产 LCAK、IF 等低碳、超低碳钢品种，转炉终点温度大多控制在 1680℃以上，如采用“脱磷转炉?脱碳转炉”工艺，将会遇到脱碳转炉热量不足而必须加入提温剂的情况。
新日铁住金公司名古屋钢铁厂、浦项钢铁公司光阳钢铁厂等大规模采用了“脱磷转炉?脱碳转炉”炼钢工艺，且主要用于低碳、超低碳钢种生产，脱碳转炉基本不需加入提温剂，主要是因为其后续 RH 精炼和连铸生产节奏快，钢水温降少，脱碳转炉出钢温度因而可降低至 1650℃左右（甚至更低）。如新日铁住金公司名古屋钢铁厂、JFE 千叶钢铁厂等采用 RH?OB、RH?KTB工艺，IF 钢真空精炼时间可控制在 25min 以内，浦项钢铁公司光阳钢铁厂转炉出钢结束至连铸开浇时间则可以控制在 50min 以内。由于精炼速度快，这些钢厂大多采用单工位 RH 装置，精炼过程钢水温降很少甚至不降低。国内钢厂在快节奏精炼和连铸生产方面与日、韩钢厂尚有差距，今后更多钢厂采用“脱磷转炉?脱碳转炉”炼钢工艺，加快精炼和连铸生产节奏，降低脱碳转炉出钢温度是必须加以重视的问题。
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