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为应对诸如全球竞争、钢材产品需求的变化和高等级钢材稳定生产的要求，日本制铁公司不断推进炼钢技术的进步。在精炼工艺方面，致力于减少钢渣排放量、减少二氧化碳气体排放量和减少废气中粉尘含量等环保问题的研究与开发；在连铸工艺方面，积极推进高等级钢种的高效生产技术的研究与开发。
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精炼技术的发展
1.1脱气处理工艺的应用
日本制铁以往只对厚板用钢水进行脱氢处理，随着汽车工业的快速发展，对汽车用连续退火冷轧钢板、真空脱碳处理的IF钢（无间隙原子钢）等钢材的需求也快速增长。另外，随着汽车用钢板的宽幅化和连铸的高速化发展，必须缩短二次精炼的处理时间，提高脱碳速度。为缩短真空脱气设备RH（真空循环脱气）的处理时间，开发了扩大浸渍管口径和提高环流气体量来提高气体的环流速度及提高真空系统排气能力的技术。尤其是为缩短处理初期的真空到达时间，采用了预真空处理技术，即：把处理槽和后段的真空排气系统隔开，预先对后段进行真空排气的方法。
真空排气系统本身就装有高性能升压器和排出器，而且通过与高效机械泵的组合，可提高真空系统的排气能力。名古屋制铁所3号RH设备和君津制铁所3号RH设备分别于年和年新增了该真空排气系统。由此可缩短RH处理时间，大量生产IF钢。另外，通过增设RH设备，提高与连铸机的匹配能力，可在同一RH设备中进行超低碳连续处理，它还具有减少C夹杂的作用。通过计算，求出脱碳处理结束时间。为防止过剩的脱碳处理，还采用了各种脱碳模型进行控制。
另外，在RH装备中设置了多功能燃烧器（MFB）用于脱碳处理中的加热和真空槽的保温。由于MFB可采用插入RH槽内的同一只枪喷吹燃料和氧气，因此，可在真空处理和大气压下进行保温。通过保温，能减轻金属在槽内的粘附程度，有助于缩短超低碳钢的处理时间，同时也有助于降低终吹温度。
REDA是日本制铁的另一种真空脱气设备，它是在真空提升脱气装置（DH）的基础上开发的。它采用在钢水中插入大直径单浸渍管的方法，使钢包形成大的搅拌力，促进了钢包反应，并可连续有效地进行脱气处理。与DH的周期反应过程相比，它具有非常高的处理效率。八幡制铁所的户畑炼钢车间（T钢）和君津制铁所第一炼钢车间的DH在年之前就更换为REDA，一直使用至今。另外，随着要求脱气钢种的增加，户畑炼钢车间（T钢）于年增设了2号REDA装置，它与1号REDA装置一起共用当初的排气系统。随着要求脱气钢种的进一步增加，从年起，将真空排气系统改为2套独立的真空脱气设备。
另外，由于连续进行RH处理，可维持槽内温度，降低耐火材料成本和降低转炉终吹温度，因此，RH处理技术已广泛应用于普通钢种的生产。在RH处理能力与转炉能力匹配的大分制铁所和君津制铁所，正在向钢水全部实施RH处理的方向迈进。
1.2CAS-OB装置的作用
CAS-OB设备作为简单的二次精炼方法，已取代了以往在转炉出钢后，利用钢包顶渣起泡进行脱氧和成分调整的方法。该设备适用于不需脱气的钢种生产。近年来，随着RH处理比例的不断扩大，在提高RH简易处理比例的同时，经CAS-OB的处理比例呈下降趋势。尤其是在大分制铁所，由于已实现了钢水全部RH处理，因此，目前已不再使用CAS-OB处理方法。
1.3增设LF设备
从二次精炼的高速处理来看，日本制铁对普通钢不采用LF处理，但对氧含量要求超低的钢种或棒线材、特殊钢厚板和高碳钢等采用LF处理。室兰制铁所炼钢车间为应对控制特殊钢夹杂物要求高的需要，在以往采用1台LF设备的基础上，又增设了1台LF装置，由此实现了钢水全部经过LF处理。
另外，在八幡制铁所户畑炼钢车间（T钢），由于钢轨用钢和机械用钢等高碳钢材对转炉终吹温度要求较高，为减轻转炉负荷，新增了LF设备。另外，在小仓厂的高炉停炉后，为生产线材新增了LF设备，并于年投入使用。
1.4高洁净钢的稳定生产
随着超低磷、低硫耐蚀钢管、低硫高强度薄钢板和低磷、低硫厚钢板等高端钢材需求的不断增加，为满足高洁净钢材的批量生产，开发了高洁净钢生产技术。
1）超低磷钢
对于超低磷钢的生产，可以采用转炉铁水脱磷工艺的LD-ORP法或SRP法进行生产，或通过TPC或铁水包的铁水脱磷处理进行生产，可生产磷上限为54ppm的产品。
2）超低硫钢
对于超低硫钢的生产，开发了钢水脱硫工艺。例如，RH脱硫处理的RH喷射法、RH-PB顶吹熔剂法和KIP钢包喷射脱硫法等。
RH喷射法是在RH处理过程中，用耐火材料制作的喷枪，将脱硫熔剂喷吹到RH设备的上升管内，在同一脱硫站进行脱气脱硫。RH-PB法是在RH处理过程中，从上方喷吹脱硫熔剂进行脱硫处理的方法。君津制铁所开发了KIP法和在真空槽内真空减压喷粉的V-KIP法，可生产硫上限为7ppm的超低硫钢。这些技术作为多功能二次精炼法都是在20世纪90年代开发的。
1.5不锈钢生产技术的发展
日本制铁在八幡制铁所和室兰制铁所采用转炉熔化铁水中的铬铁后进行粗脱碳，并在后道脱气处理工序中，进行深脱硫处理生产不锈钢，但随着室兰制铁所热轧工序的退出（年），不锈钢的生产全部转移到八幡制铁所。当初，八幡制铁所采用VOD进行深脱碳，但在开发出REDA之后，将REDA技术应用于不锈钢的脱碳。REDA技术具有脱气效率高、吸氮少的优点。
另外，年八幡制铁所使用电炉熔化铬铁和不锈钢屑，生产不锈钢用的高铬钢水。这种高铬钢水是在与铁水混合后装入转炉进行脱碳吹炼，该电炉还具有对氧化铬含量高、未还原的转炉渣进行还原的功能，不仅能使用廉价的铬铁原料和对厂内产生的不锈钢屑进行再利用，而且能最大限度地减少铬资源的外排。
1.6自动化和省力化
自20世纪90年代以来，日本制铁公司炼钢各工序开始迎来升级改造时期。由于各厂相继采用直接数字控制装置（DDC），实现了铁水预处理操作室的合并、转炉操作室的合并、二次精炼操作室的合并等，因此，各工序的操作人员大幅度减少，如转炉车间减少到1炉3人/班，二次精炼车间减少到1座1人/班。
近年来，以数字控制装置为基础，利用计算模型的精炼反应解析技术，提高了钢水终点预测精度，使控制精度接近以往的人工操作，为未来的自动化操作奠定了基础。
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节能和环保技术的发展
2.1节能技术的进步
为节约能源成本和减少二氧化碳排放，日本制铁积极推进节能工作，增加蒸汽回收和LDG（LDGas）的回收量。关于OG（氧气转炉煤气回收系统）锅炉，通过定时更新老化的OG烟罩和锅炉改造，使回收的蒸汽量超过80kg/t。通过缩短转炉气体分析时间，可提前制定LDG回收时间，由此提高了蒸汽的回收量。
另外，对于使用大型电机的除尘器，由于即使在正常运转情况下，也需要根据操作情况，改变风量。因此，采用变频调速系统（VVVF），可以控制除尘风量，节省电力。
2.2炼钢粉尘再利用技术
关于炼钢工序产生粉尘的再利用，除了用于转炉外，还开发了扩大应用到其他工序的技术。例如，君津制铁所、広畑制铁所和山口制造所采用转底炉（RHF），实现了粉尘的还原处理。尤其是，君津制铁所采用3座RHF，对厂内产生的粉尘进行还原和脱锌处理后，再用于炼铁。另外，山口制造所采用RHF对不锈钢粉尘进行还原后，作为电炉原料再利用，君津制铁所转底炉粉尘回收工艺示于图1。
图1 君津制铁所转底炉工艺流程
在広畑制铁所，废钢熔化法（SMP）已常态化应用，并在年高炉停炉后，采用以购入废钢和粉尘为主的厂内铁源熔化工艺生产铁水，然后装入普通转炉进行吹炼。后来，通过与转底炉的组合，开发了把用转底炉生产的HBI（热压铁）采用废钢熔化法进行熔化的工艺，扩大了粉尘原料的使用比例，并一直使用至今。但是，由于这种铁源的生产成本高，缺乏竞争力，因此，目前正准备把采用熔化炉-转炉来熔化废钢的生产工艺，改为节能效率高、生产组织更加灵活的电炉冶炼工艺。
关于炼钢车间厂房产生粉尘的问题，采取了在提高产量的同时，降低热铁水加入比例（HMR），扩大废钢比的措施。对于产生的粉尘主要是采用OG设备，对转炉装入铁水时产生的粉尘进行一次除尘，但如果仅通过炉口烟罩进行除尘，有时是无法吸干净，因此研究了安装厂房除尘器的措施。为此，对厂房内的气体和粉尘流动进行了模拟，通过计算，求出炉口和厂房内除尘所需的风量。厂房除尘器投用后，粉尘浓度的计算值与实测值十分吻合，其后采用这一方法对除尘器进行设计。最近，研究了室兰制铁所炼钢车间的红烟处理措施，并正在增设除尘器。
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未来精炼技术研究方向
关于年研究报告中所述的优化精炼功能分离、扩大主原料的使用柔性和环保等课题项目，目前已取得某种程度的进展，正在考虑实际应用的措施。另一方面，为应对未来20年经营环境的日益严峻状况，在降低高端钢种精炼成本的同时，要继续推进普通钢的精炼降本工作。关于精炼反应，从石灰在脱硫和脱磷反应的效率来看，还有许多需要改进的地方。除了推进渣的再利用外，还要从提高反应效率方面进行研究。
在这种情况下，利用目前已开发的各种计算方法也是很重要的。另外，关于操作中反应工程的计算依据，即反应容器内的传感技术的有效利用也是未来的研究课题。可以预见，随着铁矿石质量变差，铁水的磷含量会升高，在向铁水全部预处理转变的情况下，提高预处理的效率成当务之急。在无氟化之后，采取了低碱度的脱磷操作，但在吹炼时间短的脱磷冶炼中，为进一步提高脱磷效率，必须使初期渣早化，未来将向有利于促进渣化的最佳渣组成和助熔剂研究的方向发展，以提高预处理效率。
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连铸技术的发展
在连铸工序方面，为应对前述的产品高端化的需求，积极推进高等级铸坯包括生产难度大的铸坯高效生产技术的开发。以下就这些技术的研究概况和日本制铁公司合并以来新设的八幡制铁所户畑厂的3号连铸机的设备情况进行介绍。
4.1提高连铸生产率
提高连铸机生产能力的决定因素是平均连铸速度和连铸坯断面尺寸与浇注时间的积。以往，为最大限度地提高连铸速度，对连铸机进行了立弯式改造，以延长连铸机的长度，并在年代前就基本完成了相应改造。表1示出日本制铁公司连铸机的主要技术参数。另外，为有效利用连铸机的最大长度，提高平均浇铸速度，因此，要强化钢包钢水温度管理技术，采用中间包（TD）等离子加热和感应加热技术，稳定钢水温度，通过稳定钢水液面，防止钢水发生溢出，通过改变结晶器锥度，稳定结晶器的散热。这些措施有助于稳定铸坯的初期凝固，也有助于稳定操作，如在提高生产率的同时，可降低铸坯发生拉漏（BO）的故障频率。图2显示了日本制铁公司主要连铸机拉漏发生次数的变化。
表1日本制铁公司板坯连铸机主要技术参数图2 日本制铁主要连铸机发生BO次数的变化趋势
关于浇包钢水温度的管理技术，主要采用数理优化方法安排炼钢生产计划，构建钢水温度优化模型。另外，采用中间包等离子加热装置，按照钢种的不同，分别使用单火焰喷嘴和双火焰喷嘴，使用双火焰喷嘴，可使等离子的输出功率达到最大。而且，还研究了用不需要冷却的石墨火焰喷嘴替代需要冷却的金属制火焰喷嘴。由于喷嘴设备使用的是只有电极部分为石墨、TD盖附近的火焰喷嘴为金属（实施冷却）的混合火焰喷嘴，因此，可最大限度地提高等离子的输出功率和加热效率。目前，该火焰喷嘴已应用于和歌山制铁所，今后将逐步应用于其他连铸机。
4.2应对高品质钢的需求
随着对钢材质量要求的不断提高和产品向高端化的发展，合金的添加量不断增加，难生产的钢种也比以往增多。为满足这一要求，开发一种能稳定生产高品质铸坯的浇铸技术变得越来越重要，主要应对技术介绍如下。
4.2.1表面缺陷对策
铸坯表层夹杂物和铸坯表面裂纹是造成铸坯表面缺陷的主要原因。
对于因夹杂物而产生的表面缺陷，为最大限度地减少夹杂物进入结晶器内，采取了TD大型化技术、等离子加热技术和感应加热技术来加热钢水，以促进夹杂物的上浮分离。另外，作为结晶器内的改善技术，采用了钢液面控制技术、提高结晶器保护渣技术和使用浸渍水口等防止浇注系统发生堵塞等技术。另外，为防止夹杂物在凝固壳的粘附，采用了结晶器内电磁搅拌技术，有助于提高铸坯的表面质量。
结晶器内的钢水流动，不仅会因浇注宽度、浇注速度、浸渍水口直径和吐出孔角度等条件的不同而发生较大的变化，也会因电磁搅拌装置的电力条件的不同而发生大的变化。为优化这些条件，采用近年来已取得飞速发展的计算机模拟技术，通过与过去的铸坯调查结果进行比较，利用高精度的电磁流动解析工具，就可以高精度地预测铸坯质量，由此进一步改善了连铸的操作条件。
关于因铸坯表面裂纹而产生的铸坯表面缺陷的问题，它与对钢材性能要求的不断提高和对应的生产难度的提高有关。也就是说，随着产品的高端化，合金的添加量增大，导致了高温脆化区域的扩大，即扩大为所谓的Ⅲ区域脆化裂纹，影响了钢材的强度、延性和韧性，例如在亚包晶钢中，会出现铸坯纵裂纹。关于Ⅲ区域脆化裂纹，通过优化结晶器的振动条件和优化结晶器保护渣条件，采用二次喷雾冷却技术进行缓冷却和优化铸坯角部的冷却等，可以改善因铸坯表面裂纹而产生的铸坯表面缺陷的问题。
而且，还采取了在连铸机内进行急冷换热，使表面组织由相变和使晶粒细化的调质处理措施。关于铸坯的纵裂纹，主要是通过优化结晶器的振动和优化结晶器保护渣予以解决。尤其是在结晶器内，采取缓冷的办法，对优化结晶器保护渣条件来说极为重要，因此，采用了高碱度结晶器保护渣。而且，由于它还具有防止结晶器保护渣卷入的功能，因此开发了粘性高且碱度高的结晶器保护渣。通过析出陨磷钙纳石，可以把包含Al2O3和MgO的化合物，作为枪晶石以外的稳定结晶相，用于改善操作的稳定性。
4.2.2内部缺陷对策
连铸坯内部的夹杂物和Ar气泡等是造成铸坯内部缺陷的主要原因。为防止IF钢发生气孔，日本制铁将主要的板坯连铸机全部改为立弯式连铸机。而且，为控制因浸渍水口的吐出流而造成钢水的向下流动，因此，在一部分连铸机上采用了电磁制动器。电磁制动器利用在结晶器内外加静磁场后，会在与作为导电体的钢水流动相反的方向上产生制动力的原理，减弱钢水的下降速度，促进钢水中夹杂物的上浮。
另外，名古屋制铁所采用被缓冲式坡形内浇口完全分开的双结构H型TD进行无缝操作，有助于促进钢水中夹杂物在TD内的上浮。尤其是，随着整个日本制铁公司浇铸生产能力的不断提高，各制铁所为确保夹杂物在TD内的上浮时间，采用计算机模拟技术，对TD进行重新设计，扩大了TD容量，优化了TD的形状。
4.2.3防止中心偏析和疏松的措施
作为防止厚板和制管用钢板发生中心偏析的措施，主要是针对连铸机端部的最终凝固部轻压下问题，采用分辊连铸最佳压下量（CORD）等稠密辊和无偏析技术（SEFT）等表面压下时的轻压下技术改善偏析。君津制铁所6号连铸机应用该技术后，可批量生产UO钢管用管材和海洋结构件等对中心偏析要求很严格的钢材。另外，对于产品板厚超过mm的极厚板材等内部组织要求很高的钢种，在无法确保轧制力（铸造厚度/产品厚度）的情况下，由于轧制后的铸坯中心疏松难以被压实，因此，必须提高铸坯质量。作为其对策，开发了在连铸机内凝固末期进行强压下的技术——连铸板坯的疏松控制技术（PCCS），该技术已应用于鹿岛制铁所的2号连铸机。
作为防止棒线材用铸坯发生中心偏析的措施，采用的是通过电磁搅拌，使凝固组织形成等轴晶和采用圆盘辊进行轻压下的措施。日本制铁合并以后，新设的八幡制铁所户畑厂3号连铸机是汇集整个日本制铁公司的技术优势，进行设计建设。该连铸机已于年底建成投产，目前，正在不断提高产品质量的可靠性，今后有助于棒线材用高端钢材的批量生产。
氧化物是造成铸坯缺陷的原因，为此开发了在去除氧化物的同时控制脱氧条件，使微细氧化物在钢中弥散，提高产品性能的金属氧化物去除技术。该技术以微细氧化物作为晶粒内相变的晶核生成位置，可用于提高厚板焊接热影响区的韧性，广泛应用于海洋结构件等钢种的生产。另外，最近还开发了使数10nm的氧化物弥散，抑制晶粒成长的超大线能量焊接用钢（H-TUFF钢），这些技术已应用于日本制铁各厂，发挥了最佳效果，大大提高了钢材的附加值。
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未来连铸技术发展趋势
随着新兴国家经济的不断发展，全球钢铁业竞争日益加剧，因此，进一步优化已培育的技术是很重要的。而且，先进信息技术的利用也极为重要。也就是说，采用比较经济的计算机信息技术，可以对以往只作为图像进行监控的数据，通过解析后变为传感工具，然后把由此得出的大量数据与现有的传感数据进行对照解析。关于这些数据如何解析利用的问题，也可以采用计算机人工智能技术（AI）进行解析，如果AI技术与操作技能相结合，就会成为一种可产生高附加值的工具。
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结语
随着国际竞争的日益加剧，日本制铁通过经营合并，不断扩大生产规模，在炼钢技术方面，通过技术和操作技能的横向发展，获得了合并后的最佳效益。尤其是当前世界经济正在发生巨大变化，有必要采取更加积极的措施，以应对国际环境的进一步变化。今后不仅要不断优化已培育的技术，而且要利用不断发展的信息技术，来应对不断变化的经营环境。
世界金属导报社出品
世界金属导报
本文摘选自本报年第25期B02部分内容，若要详细了解更多相关行业和技术信息，请
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