JP2004043954A

JP2004043954A - 溶鋼の取鍋精錬方法

Info

Publication number: JP2004043954A
Application number: JP2003049510A
Authority: JP
Inventors: Naoki Kikuchi; 菊池　直樹; Seiji Nabeshima; 鍋島　誠司; Hideji Takeuchi; 竹内　秀次; Toshifumi Hachiman; 八幡　稔文; Hisashi Ogawa; 小川　尚志
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP4042587B2

Abstract

【課　題】取鍋に出鋼された溶鋼の脱酸処理を行なうにあたって、脱酸剤の添加量を削減することによって、清浄性に優れた溶鋼を安価に製造する方法を提供する。
【解決手段】脱炭処理の後、取鍋に出鋼された溶鋼に対して脱酸剤を添加するとともに水素および／または炭化水素を供給して攪拌し、次いで溶鋼中の水素を除去した後、脱酸処理を施す。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、清浄性に優れた鋼材を安価に製造するための溶鋼の取鍋精錬方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鋼材の高品質化のニーズが高まるにつれて、溶鋼の高清浄度化，高純度化が要求されている。転炉等の脱炭炉で脱炭処理を施して出鋼した溶鋼の脱酸処理はＡｌ，Ｓｉ等で行なわれ、その結果、Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２等の脱酸生成物（いわゆる１次脱酸生成物）が生成して、その一部が溶鋼中に非金属介在物として懸濁する。たとえば脱炭処理を施した溶鋼にＡｌを添加して脱酸処理を行なう場合、溶鋼中のＯと溶鋼に添加されたＡｌとの反応は下記の　（１）式で表わされる。
【０００３】
２Ａｌ＋３Ｏ→Ａｌ_２Ｏ_３　　　　　　　　　　　　　・・・　（１）
従来の溶鋼の脱酸方法としては、特開昭５９−１５０００９　号公報に開示されているように、転炉出鋼時にＡｌやＡｌドロスを添加し、さらに取鍋で底吹きと同時にスラグ／メタル界面近傍に浸漬した専用ランスから不活性ガスもしくは不活性ガスとともに脱酸剤を吹き込む方法がある。ここでＡｌ等の脱酸剤が過剰に添加された場合は、　（１）式の反応が終了した後、溶鋼中の余剰のＡｌが、スラグ中のＦｅＯ，ＭｎＯ等に代表される、いわゆる低級酸化物によって酸化されて、脱酸生成物（いわゆる２次脱酸生成物）が溶鋼中に非金属介在物として懸濁する。
【０００４】
そこで特開平５−２７１７４７号公報に開示されているように、脱ガス処理の初期に上吹きランスからＭｇＯを真空槽内の溶鋼浴面に吹き付け、浸漬管環流によって取鍋内のスラグにＭｇＯを供給してスラグを固化し、２次脱酸生成物の生成を防止する方法がある。あるいは特開昭６０−１５２６１１　号公報に開示されているように、ＣａＣＯ_３等のガス発生物質を還元剤（たとえばＡｌ，Ａｌ灰）とともに添加して、スラグの局所的な還元反応を促進する方法がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５９−１５０００９　号公報
【特許文献２】
特開平５−２７１７４７号公報
【特許文献３】
特開昭６０−１５２６１１　号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の　（１）式に示すように、脱酸剤（たとえばＡｌ等）を使用した場合の脱酸反応は、非金属介在物（たとえばＡｌ_２Ｏ_３等）が生成して溶鋼の清浄性を阻害する原因になる。
すなわち溶鋼の脱酸処理においては、たとえば特開昭５９−１５０００９　号公報に開示されているように、Ａｌ，Ａｌドロス等の金属脱酸剤を用いる場合は、添加された脱酸剤が主に溶鋼に溶解したり、あるいは溶鋼中のＯと反応するので、スラグの脱酸が不十分となる。その結果、非金属介在物（すなわち１次脱酸生成物や２次脱酸生成物）が多量に発生する。
【０００７】
また、特開平５−２７１７４７号公報に開示されているように、スラグを固化する場合は、スラグの流入量や成分の変動が大きいので、スラグを安定して固化するのは困難である。
特開昭６０−１５２６１１　号公報に開示されているように、ＣａＣＯ_３を用いてスラグを局所的に還元する場合は、ＣａＣＯ_３から発生するＣＯガスがＡｌ等の脱酸剤と反応するので、脱酸剤の酸化ロスが増加する。しかも顕熱と分解熱とによって溶鋼の温度降下が増大する。
【０００８】
そこで転炉で脱炭処理を施した後、取鍋に出鋼された溶鋼の脱酸処理を行なうにあたって、Ａｌ等の脱酸剤（すなわち還元剤）の添加量を削減して効率良く脱酸反応を促進する技術が望まれていた。
本発明は、上記のような問題を解消し、取鍋に出鋼された溶鋼の脱酸処理を行なうにあたって、脱酸剤の添加量を削減することによって、清浄性に優れた溶鋼を安価に製造する方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、脱炭処理の後、取鍋に出鋼された溶鋼に対して脱酸剤添加、水素および／または炭化水素供給を行ない、攪拌して脱酸処理を施し、次いで溶鋼中の水素を除去する溶鋼の取鍋精錬方法である。
前記した発明においては、好適態様として、取鍋に出鋼されたスラグに対して還元剤を添加することが好ましい。また、水素および／または炭化水素を供給するにあたって、溶鋼中で熱分解して水素および／または炭化水素を発生する固体物質を供給することが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
転炉等の脱炭炉を用いて脱炭処理を施した溶鋼は、脱炭処理が終了した後、取鍋に出鋼される。次いで、取鍋に出鋼された溶鋼中の不純物（たとえばＯ，Ｓ等）を除去して清浄性を高めるために、取鍋内で種々の精錬処理（いわゆる取鍋精錬）を行なう。
【００１１】
そこで、まず取鍋精錬として脱酸処理を行なう場合について説明する。
脱酸処理を行なうにあたって、取鍋内の溶鋼に脱酸剤を添加する。本発明では脱酸剤の種類は、特定の成分に限定せず、従来から知られている脱酸剤が使用できる。ここでは脱酸剤としてＡｌを使用する例について説明する。
Ａｌを使用して脱酸処理（いわゆるＡｌ脱酸）を行なう場合、溶鋼中のＡｌ含有量０．０５質量％，酸素活量２ｐｐｍ　程度に脱酸し、その脱酸反応は、下記の　（１）式で表わされる。
【００１２】
２Ａｌ＋３Ｏ→Ａｌ_２Ｏ_３　　　　　　　　　　　　　・・・　（１）
Ａｌ等の脱酸剤を使用して脱酸処理を行なうと、　（１）式から明らかなように、Ａｌ_２Ｏ_３等の非金属介在物が生成するのは避けられない。したがって溶鋼の清浄性を高めるためには、脱酸剤の添加量を削減する必要がある。
そこで本発明においては溶鋼に水素および／または炭化水素を供給し、溶鋼を攪拌する。水素や炭化水素は、後述するように脱酸反応に寄与するので、水素や炭化水素を供給することによって脱酸剤の添加量を削減でき、その結果、溶鋼の清浄性を高めることができる。
【００１３】
溶鋼に水素を添加して脱酸処理（いわゆる水素脱酸）を行なう場合、脱酸反応は下記の　（２）式で表わされ、Ｈ_２とＨ_２Ｏの分圧比Ｐ_Ｈ２／Ｐ_Ｈ２Ｏによって反応速度が律速される。なお　（２）式の反応は溶鋼中で進行するので、Ｈ_２Ｏは気化されて気体として存在する。
Ｈ_２＋Ｏ→Ｈ_２Ｏ　　　　　　　　　　　　　　　・・・　（２）
この水素脱酸において、Ａｌ脱酸と同程度の脱酸能力を実現するためには、分圧比Ｐ_Ｈ２／Ｐ_Ｈ２Ｏ＝　１００〜１０００を満足する必要がある。このように雰囲気のＨ_２の分圧Ｐ_Ｈ２を高めると、水素脱酸が促進されるものの、溶鋼に水素が溶解して鋼材の品質を劣化させる原因になる。したがって、本発明においては転炉等において脱炭処理された高酸素濃度の溶鋼に対して全量水素脱酸を施すことなく、一部を脱酸剤とすることにより、雰囲気のＨ_２の分圧Ｐ_Ｈ２を過度に高めることなく溶鋼を水素で脱酸することができる。そして溶鋼に水素を供給して攪拌した後、　真空処理によって余剰の水素を除去する。
【００１４】
一方、　炭化水素は、　１００〜３００　℃程度で分解して、炭素と水素を発生する。その分解反応は下記の　（３）式で表わされる。
Ｃ_ｎＨ_ｍ→ｎＣ＋（ｍ／２）Ｈ_２　　　　　　　　・・・　（３）
溶鋼に添加された炭化水素が分解して発生したＨ_２は、溶鋼中のＯと反応して水素脱酸が進行する。しかし　（３）式の分解反応によってＨ_２が発生すると、Ｈ_２の分圧Ｐ_Ｈ２が上昇するので、溶鋼に水素が溶解して鋼材の品質を劣化させる原因になる。したがって溶鋼に炭化水素を供給して攪拌した後にも、　真空処理によって余剰の水素を除去する。
【００１５】
さらに炭化水素の分解によって発生したＣも、溶鋼中のＯと反応して下記の　（４）式の脱酸反応が進行する。
Ｃ＋Ｏ→ＣＯ　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・　（４）
このようにして溶鋼に水素や炭化水素を添加すると、　（２）式と　（４）式の脱酸反応が進行する。これらの脱酸反応から生成する脱酸生成物（すなわちＨ_２Ｏ，ＣＯ）は、いずれも気体であり溶鋼中に残留しない。したがって脱酸剤による脱酸処理と水素や炭化水素による脱酸処理とを併用することによって、脱酸剤の添加量を削減し、非金属介在物（たとえばＡｌ脱酸の場合はＡｌ_２Ｏ_３）の生成を抑制して、溶鋼の清浄性を高めることができる。
【００１６】
このようにして脱酸剤と水素および／または炭化水素とを併用して取鍋精錬を行なうと、非金属介在物を抑制して、溶鋼の清浄度を高めることができる。ここで取鍋精錬とは、下記の　（ａ），（ｂ）　の脱酸処理を指す。
（ａ）　脱炭処理を施した溶鋼を脱酸剤と水素および／または炭化水素を用いて脱酸処理する。
（ｂ）　脱炭処理を施した溶鋼の浴面上のスラグにスラグ改質処理を施し、さらに溶鋼を脱酸剤と水素および／または炭化水素を用いて脱酸処理する。
【００１７】
上記の　（ａ），（ｂ）　の取鍋精錬では、水素または炭化水素を単独で使用しても良いし、　あるいは水素および炭化水素を併用しても良い。
取鍋精錬を行なうにあたって、取鍋内の溶鋼に水素および／または炭化水素を添加する方法は、特定の方法に限定しない。水素や炭化水素を含むガスを溶鋼内に吹き込んでも良いし、あるいは熱分解によって水素や炭化水素を発生する固体物質を溶鋼に投入しても良い。
【００１８】
水素や炭化水素を含むガスの種類は、特定の種類に限定せず、プロパンガス等の水素や炭化水素を含むガスが使用できる。ただし、製鉄所内で大量に発生するコークス炉ガスには水素や炭化水素が含まれているので、コークス炉ガスを使用すると取鍋精錬のコストを削減する効果が得られる。またガスの吹込み方法は、特定の方法に限定せず、専用ランスや底吹きポーラスプラグ等の従来から知られている技術が使用できる。
【００１９】
熱分解によって水素や炭化水素を発生する固体物質の種類は、特定の物質に限定しない。ただし、プラスチック等の有機物質の廃棄物を使用すると、環境汚染を防止するとともに、取鍋精錬のコストを削減する効果が得られる。
また、上記　（ｂ）の取鍋精錬において行なうスラグ改質とは、スラグに脱酸剤を添加してスラグ中の低級酸化物を還元する処理である。ここにスラグ中の低級酸化物とは、溶鋼中のＡｌやＳｉあるいはＴｉ等の易酸化性成分を酸化し、自身は還元される性質を有するような酸化物をいい、ＦｅＯやＭｎＯが相当する。
【００２０】
スラグ改質に使用する脱酸剤（スラグ改質剤あるいはスラグ還元剤と呼ばれることもある）は、金属ＡｌあるいはＡｌ灰（Ａｌの溶解や精錬過程で生成した　Ａｌ_２Ｏ_３に金属Ａｌが巻き込まれた混合物であり、Ａｌ滓あるいはＡｌドロスとも呼ばれる）が適当である。特に金属Ａｌよりも価格の安価なＡｌ灰の使用が好ましい。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
図１に示す装置を用いて脱酸処理を行なった。すなわち転炉（図示せず）で脱炭処理を施した溶鋼１を取鍋３に出鋼した。次いで、溶鋼１内にランス５を浸漬してガス６を吹き込んだ。
【００２２】
溶鋼１に脱酸剤としてＡｌを添加した後、ガス６として水素ガス，プロパンガスおよびＡｒガスの混合ガスをランス５から溶鋼１内に吹き込んだ。これを発明例１とする。
また、ガス６として水素ガス，プロパンガスおよびＡｒガスの混合ガスをランス５から溶鋼１内に吹き込み、さらにプラスチック廃棄物を溶鋼１に投入した。これを発明例２とする。なおプラスチック廃棄物については、あらかじめ乾留実験を行ない、炭化水素ガスが発生することを確認した。
【００２３】
さらに、ガス６として水素ガス，プロパンガスおよびＡｒガスの混合ガスをランス５から溶鋼１内に吹き込み、さらにプラスチック廃棄物に金属Ａｌを混合成形したものを溶鋼１に投入した。これを発明例３とする。
一方、　比較例１として、溶鋼１を攪拌するためにＡｒガスのみをランス５から溶鋼１内に吹き込んだ。
【００２４】
これらの発明例１〜３および比較例１の脱酸処理の条件は、表１〜４に示す通りである。発明例１〜３および比較例１について、脱酸処理後の溶鋼温度（℃），溶鋼中のＯ濃度［Ｔ．Ｏ］（質量ｐｐｍ　），溶鋼中のＡｌ濃度ｓｏｌ．［％Ａｌ］（質量％）およびスラグ中のＦｅＯ濃度（ＦｅＯ）（質量％）を測定した。その結果を表５に示す。
【００２５】
【表１】

【００２６】
【表２】

【００２７】
【表３】

【００２８】
【表４】

【００２９】
【表５】

【００３０】
表５から明らかなように、発明例１〜３は、比較例１に比べてＡｌ歩留りが向上し、　かつ溶鋼中の酸素活量，スラグ中のＦｅＯ濃度が低下した。特に発明例２，３では、発明例１に比べてＡｌ歩留りの向上および溶鋼中の酸素活量，スラグ中のＦｅＯ濃度の低下が顕著に現われた。水素，炭化水素，プラスチック廃棄物の溶鋼に供給することによって、脱酸処理後の溶鋼中の水素濃度［Ｈ］が１５〜２０ｐｐｍ　まで上昇したが、次工程のＲＨ脱ガス設備において真空脱ガス処理を施すことによって水素の除去を行なった結果、全て２ｐｐｍ　以下まで低下した。
【００３１】
また炭化水素を供給する場合は、水素のみを供給する場合に比べて脱酸量が増大した。一方、　プラスチック廃棄物の供給による溶鋼中の炭素濃度の増加は認められなかった。
（実施例２）
実施例１と同じく図１に示す装置を用いて、脱酸剤と水素ガス，プロパンガスの添加時期を変える方法を実施した。
【００３２】
溶鋼１にガス６として水素ガス，プロパンガスおよびＡｒガスの混合ガスをランス５から溶鋼１内に吹き込んだ後に、脱酸剤としてＡｌを添加した。これを発明例４とする。
また、ガス６として水素ガス，プロパンガスおよびＡｒガスの混合ガスをランス５から溶鋼１内に吹き込み、さらにプラスチック廃棄物を溶鋼１に投入した。これを発明例５とする。なおプラスチック廃棄物については、あらかじめ乾留実験を行ない、炭化水素ガスが発生することを確認した。
【００３３】
さらに、ガス６として水素ガス，プロパンガスおよびＡｒガスの混合ガスをランス５から溶鋼１内に吹き込み、さらにプラスチック廃棄物に金属Ａｌを混合成形したものを溶鋼１に投入した。これを発明例６とする。
一方、　比較例１は上記の比較例１と同一であり、溶鋼１を攪拌するためにＡｒ　のみをランス５から溶鋼１内に吹き込んだ。
【００３４】
これらの発明例４〜６および比較例１の脱酸処理の条件は、実施例１と同様に表１〜４に示す通りである。発明例４〜６および比較例１について、脱酸処理後の溶鋼温度（℃），溶鋼中のＯ濃度［Ｔ．Ｏ］（質量ｐｐｍ　），溶鋼中のＡｌ濃度ｓｏｌ．［％Ａｌ］（質量％）およびスラグ中のＦｅＯ濃度（ＦｅＯ）（質量％）を測定した。その結果を表６に示す。
【００３５】
【表６】

【００３６】
表６から明らかなように、発明例４〜６は、比較例１に比べてＡｌ歩留りが向上し、　かつ溶鋼中の酸素活量，スラグ中のＦｅＯ濃度が低下した。特に発明例５，６では、発明例４に比べてＡｌ歩留りの向上および溶鋼中の酸素活量，スラグ中のＦｅＯ濃度の低下が顕著に現われた。水素，炭化水素，プラスチック廃棄物の溶鋼に供給することによって、脱酸処理後の溶鋼中の水素濃度［Ｈ］が１５〜２０ｐｐｍ　まで上昇したが、次工程のＲＨ脱ガス設備において真空脱ガス処理を施すことによって水素の除去を行なった結果、全て２ｐｐｍ　以下まで低下した。
【００３７】
また炭化水素を供給する場合は、水素のみを供給する場合に比べて脱酸量が増大した。一方、　プラスチック廃棄物の供給による溶鋼中の炭素濃度の増加は認められなかった。
（実施例３）
実施例１と同じく図１に示す装置を用いて、実施例１にスラグ改質を併用する方法を実施した。
【００３８】
転炉から溶鋼１とともに排出されたスラグ２に対してＡｌ灰（金属Ａｌ含有量３０質量％）を溶鋼１トンあたり０．５ｋｇ　添加し、あらかじめスラグ改質を行なった。出鋼された溶鋼１に脱酸剤としてＡｌを添加し、その後にガス６として水素ガス，プロパンガスおよびＡｒガスの混合ガスをランス５から溶鋼１内に吹き込んだ。これを発明例７とする。一方、溶鋼１にあらかじめガス６として水素ガス，プロパンガスおよびＡｒガスの混合ガスをランス５から溶鋼１内に吹き込み、その後に脱酸剤としてＡｌを添加した。これを発明例８とする。
【００３９】
また、発明例７に対し、さらにプラスチック廃棄物を溶鋼１に投入した場合を発明例９とし、発明例８に対し、さらにプラスチック廃棄物を溶鋼１に投入した場合を発明例１０とする。なおプラスチック廃棄物については、あらかじめ乾留実験を行ない、炭化水素ガスが発生することを確認した。
発明例７に対し、さらにプラスチック廃棄物に金属Ａｌを混合成形したものを溶鋼１に投入する場合を発明例１１とし、発明例８に対し、さらにプラスチック廃棄物に金属Ａｌを混合成形したものを溶鋼１に投入する場合を発明例１２とする。
【００４０】
一方、　比較例２は、スラグ改質の条件を同一とし、溶鋼１を攪拌するためにＡｒのみをランス５から溶鋼１内に吹き込んだ。
これらの発明例７〜１２および比較例２の脱酸処理の条件は、表１〜４に示す通りである。発明例７〜１２および比較例２について、脱酸処理後の溶鋼温度（℃），溶鋼中のＯ濃度［Ｔ．Ｏ］（質量ｐｐｍ　），溶鋼中のＡｌ濃度ｓｏｌ．［％Ａｌ］（質量％）およびスラグ中のＦｅＯ濃度（ＦｅＯ）（質量％）を測定した。その結果を表７に示す。
【００４１】
【表７】

【００４２】
表７から明らかなように、発明例７〜１２は、比較例２に比べてＡｌ歩留りが向上し、　かつ溶鋼中の酸素活量，スラグ中のＦｅＯ濃度が低下した。特に発明例９〜１２では、発明例７，８に比べてＡｌ歩留りの向上および溶鋼中の酸素活量，スラグ中のＦｅＯ濃度の低下が顕著に現われた。水素，炭化水素，プラスチック廃棄物の溶鋼に供給することによって、脱酸処理後の溶鋼中の水素濃度［Ｈ］が１５〜２０ｐｐｍ　まで上昇したが、次工程のＲＨ脱ガス設備において真空脱ガス処理を施すことによって水素の除去を行なった結果、全て２ｐｐｍ　以下まで低下した。
【００４３】
また炭化水素を供給する場合は、水素のみを供給する場合に比べて脱酸量が増大した。一方、　プラスチック廃棄物の供給による溶鋼中の炭素濃度の増加は認められなかった。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、簡易な処理で高清浄度鋼を安価に溶製できる。しかもプラスチック廃棄物の再利用が可能であり、環境汚染を防止する観点からも好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する装置の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１　溶鋼
２　スラグ
３　取鍋
４　シール蓋
５　　ランス
６　ガス

Claims

脱炭処理の後、取鍋に出鋼された溶鋼に対して脱酸剤を添加した後に水素および／または炭化水素を供給して攪拌し、脱酸処理を施し、　次いで溶鋼中の水素を除去することを特徴とする溶鋼の取鍋精錬方法。
脱炭処理の後、取鍋に出鋼された溶鋼に対して水素および／または炭化水素を供給して攪拌した後に脱酸剤を添加し、脱酸処理を施し、　次いで真空処理によって水素を除去することを特徴とする溶鋼の取鍋精錬方法。
前記取鍋内に溶鋼とともに排出されたスラグに対し、脱酸剤を添加して前記スラグ中の低級酸化物を還元するスラグ改質を行なうことを特徴とする請求項１または２に記載の溶鋼の取鍋精錬方法。
前記水素および／または炭化水素を供給するにあたって、前記溶鋼中で熱分解して水素および／または炭化水素を発生する固体物質を供給することを特徴とする請求項１、２または３に記載の溶鋼の取鍋精錬方法。