JP2011246765A

JP2011246765A - 溶鋼の還元精錬方法

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Publication number: JP2011246765A
Application number: JP2010121266A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Haneda; 俊一羽田; Takashi Yamauchi; 貴司山内; Michinori Egami; 道憲江上
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2011-12-08

Abstract

【課題】融剤としてフッ素を含有したCaＦ_２を使用しなくても良好にスラグ形成でき、従来と同等レベルの脱硫性能を確保しつつ脱酸レベルを向上し得て、鋼材品質を従来に増して高めることのできる溶鋼の還元精錬方法を提供する。
【解決手段】造滓剤としてCaＯ及びカルシウムアルミネートを加え、スラグ組成を、塩基度CaＯ／SiＯ_２が2.0〜4.0且つCaＯ，SiＯ_２，Al_２Ｏ_３全体に対するAl_２Ｏ_３の割合が20〜80質量％の組成として溶鋼の還元精錬を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は溶鋼の還元精錬方法に関し、特に造滓剤として蛍石（CaＦ_２）を用いなくても良好に脱硫，脱酸を行うことのできる精錬方法に関する。

従来、一般構造溶鋼や低合金鋼の製鋼方法として電気炉、一般にはアーク式電気炉を用いた溶解と酸化精錬、取鍋を用いた還元精錬とを経て製鋼する方法が行われている。
ここでアーク式電気炉では炉内に装入した原料（主原料は鉄スクラップ）をアーク熱で溶解し、また酸化精錬では溶鋼中にランスパイプにて酸素を吹き込み、強制酸化を行ってスクラップ中に含有されるSi，Ｐ等の成分を酸化する。
これら成分の酸化物は溶鋼から除去されて浮上し、造滓剤として加えられたCaＯとスラグ形成する。
例えば溶鋼中に含まれた不純物成分としてのＰは酸化によってＰ_２Ｏ_５となり、Ｐ_２Ｏ_５は更にCaＯと反応してＰ_２Ｏ_５・CaＯとなりスラグ中に移行する。
このときFeも一部が酸化されてFe_２Ｏ_３となり、溶鋼上に浮上してスラグ中に移行する。

取鍋を用いた還元精錬では、酸化精錬を終えた電気炉の溶鋼を取鍋に移し、新たに造滓剤を加えてＳ，Ｏ等の不純物を除去する精錬を行う。
この還元精錬では、脱硫剤としてのCaＯを造滓剤として加える。但しCaＯの融点は約２５７０℃と高く、CaＯを単独で加えただけでは溶融しないため、この還元精錬では融点を低下させるための造滓剤（融剤）を併せて加える。

従来において、融点低下のための造滓剤として蛍石（CaＦ_２）が用いられていた。
CaＦ_２は融点が１４０２℃と低く、これを添加することでCaＯを溶融させてスラグ形成でき、またスラグの粘性を下げて流動性を高めることができる。
この還元精錬では、溶鋼中のＳが次式(１)
（CaＯ）＋［Ｓ］→（CaＳ）＋［Ｏ］・・・式(１)
によってCaＯと反応して脱硫され、スラグ中に移行する。
また溶鋼中のＯは脱酸剤として加えたSiと次式(２)
［Si］＋［Ｏ］→（SiＯ_２）・・・式(２)
によってSiと反応し、SiＯ_２となってスラグ中に移行する。即ちスラグの１成分を構成する。

従来、この還元精錬で生じたスラグ（還元スラグ）は、酸化精錬で生じたスラグ（酸化スラグ）と混合して、主として道路の路盤材として再利用されてきた。
近年、これを路盤材として用いたときのフッ素の溶出が環境に悪影響を与えるとしてその再利用が制限される状況にあり、ここにおいて製鋼副産物としてのスラグを再利用することが難しくなって、これを処分せざるを得ない状況に到っている。
しかしながらその処分のためにはコストがかかるとともに、資源の有効活用の上でも望ましくない。
このような状況の下で、蛍石（CaＦ_２）の代替材料としての造滓剤の開発が求められていた。

下記特許文献１には、フッ素を使用しないでも効率高く脱硫を行えるようにすることを目的として、CaＯ及びAl_２Ｏ_３を主成分とする金属酸化物と融点の低いカルシウムアルミネートを配合したものを脱硫剤として用いる点が開示されている。
但しこの特許文献１に開示のものは、あくまで脱硫に関するもので脱酸に関しては着目しておらず、本発明とは別異のものである。

また下記特許文献２には「脱硫剤及び溶融鉄の脱硫処理方法」についての発明が示され、そこにおいてフッ素の環境への影響の問題点を解決することを狙いとして、フッ素を使用せずに脱硫剤の滓化を促進し脱硫速度を高める方法として、CaＯを主成分とする粉状の石灰と、Al_２Ｏ_３及びSiＯ_２を主に含有し且つ予め溶融した後に固化した固体粉状物質と、を含有する脱硫剤が開示されている。
しかしながらこのものも脱酸には着眼しておらず、これもまた本発明とは別異のものである。

特開２００４−２６３２８５号公報特開２００８−２３１４９４号公報

本発明は以上のような事情を背景とし、融剤として従来使用されていたCaＦ_２を用いなくても良好にスラグ形成でき、従来と同等レベルの脱硫性能を確保しつつ脱酸レベルを向上し得て鋼材品質を従来に増して高めることができ、また精錬後の還元スラグを路盤材等として再利用可能な溶鋼の還元精錬方法を提供することを目的としてなされたものである。

而して請求項１のものは、造滓剤としてCaＯ及びカルシウムアルミネートを加え、スラグ組成を、塩基度CaＯ／SiＯ_２が2.0〜4.0且つCaＯ，SiＯ_２，Al_２Ｏ_３全体に対するAl_２Ｏ_３の割合が20〜80質量％の組成として精錬を行うことを特徴とする。

発明の作用・効果

カルシウムアルミネート、中でも融点の最も低い12CaＯ・7Al_２Ｏ_３の組成のものはその融点が約１４５０℃で、従来融剤として用いられているCaＦ_２の融点とほぼ同等レベルである。
本発明ではその性質を利用して、またカルシウムアルミネートは環境に悪影響を与えるフッ素を含有していないため、従来のCaＦ_２に代わる融剤としてカルシウムアルミネートを造滓剤として加える。

造滓剤として加えたカルシウムアルミネートは通常の精錬温度で容易に溶けて液相生成し、脱硫剤としてのCaＯを溶融促進して脱硫スラグを生成する。
尤もカルシウムアルミネートはCaＯとAl_２Ｏ_３との比率によって融点が変化するため、本発明で用いるカルシウムアルミネートとしては融点が１５００℃以下のもの、組成としてはCaＯ：Al_２Ｏ_３が４５％：５５％〜５０％：５０％のものを用いるのが望ましい。

これにより、溶鋼中のＳが添加したCaＯと上記式(１)に従って反応し、溶鋼中ＳがCaＳとなってスラグ中に除去され、脱硫される。
但しこのときの脱硫能はスラグ組成によって左右される。
特に溶鋼の還元精錬において精錬の特性を左右するのはスラグ中の約８割強を占める主成分としてのCaＯ，SiＯ_２，Al_２Ｏ_３である。

スラグ組成のうち脱硫に関して特に重要なのはCaＯとSiＯ_２との比率である塩基度（CaＯ／SiＯ_２）であり、本発明では脱硫能確保のために塩基度を2.0〜4.0の範囲内とする。
塩基度が2未満であると脱硫能が不足し、十分に脱硫を行うことができない。
一方塩基度が4.0を超える領域は脱硫能に関して過剰品質領域である。

本発明では、塩基度を2.0〜4.0の範囲内とするのと併せて、スラグ組成を、CaＯ，SiＯ_２，Al_２Ｏ_３全体に対するAl_２Ｏ_３の割合が20〜80質量％の組成とする。
スラグ組成をこのような組成とすることで、脱硫能を従来と同等レベル、即ち融剤としてCaＦ_２を用いた場合と同等レベルに確保しつつ溶鋼に対する脱酸能を従来に増して高め得ることを見出した。
これは次のような理由による。

Al_２Ｏ_３を含有していない従来のCaＦ_２に代えて、Al_２Ｏ_３を含有したカルシウムアルミネートを融剤として加えることによって、CaＯ，SiＯ_２，Al_２Ｏ_３全体に対するAl_２Ｏ_３の割合を多くすることができる。
そして本発明ではその割合を20％以上とすることで、CaＯ，SiＯ_２，Al_２Ｏ_３の３元系から成る主要スラグ中に占めるSiＯ_２の割合が少なくなる。
即ちSiＯ_２の量（濃度）が相対的に少なく（濃度が薄く）なる。

結果としてSiＯ_２の活量が低くなり、上記式(２)の反応が促進されて、即ち脱酸剤として加えられたSiと鋼中Ｏとの反応によるSiＯ_２の生成が促進されて、溶鋼からの脱酸が促進される。
これにより鋼材の酸素含有量を従来に増して低くでき、鋼材の清浄度を高め得て鋼材品質を向上せしめることができる。

但しAl_２Ｏ_３が20％未満であるとSiＯ_２の活量を十分に低くできず、またスラグの融点（CaＯ，SiＯ_２，Al_２Ｏ_３から成るスラグの融点）が１８００℃よりも高くなって脱硫が阻害されるようになる。即ちAl_２Ｏ_３２０％未満とすると、スラグ組成が脱硫を阻害する領域に入ってしまう。
一方Al_２Ｏ_３を80％を超えて多くしても、Al_２Ｏ_３含有量を高めることによって得られる効果は飽和してしまう。

またAl_２Ｏ_３を上記20％から多くして行くとスラグの融点は低くなって行くが、あるところを境として逆に融点が上昇する傾向に転じ、Al_２Ｏ_３80％で融点が１８００℃に達する。そしてこれよりもAl_２Ｏ_３を更に多くすると融点が高くなり過ぎて、脱硫能を含む精錬能が逆に低下してしまう。即ちスラグの組成が、脱硫を含む精錬を阻害する領域に入ってしまう。

尚、スラグの上記３成分のうちのSiＯ_２は主として溶鋼中のＯと脱酸剤として添加したSiとの反応によって生成する。
精錬に際して生ずるSiＯ_２の量は、鋼の溶解に際して用いる資材や鉄スクラップによってほぼ一定していて、その生成量は予見可能であり、本発明では発生するSiＯ_２の量に見合った量でCaＯやカルシウムアルミネートを加えることで、スラグの組成を上記組成に制御することができる。
但し、還元精錬に際して生じるスラグの組成を分析し、その分析値に基づいてCaＯやカルシウムアルミネートの添加量をコントロールすることで、スラグ組成を上記組成とすることもできる。

以上ような本発明によれば、脱硫能を従来と同等レベルに確保しつつ、溶鋼の脱酸レベルを従来に増して高めることができ、鋼の品質を一層向上させることができる。
また本発明ではフッ素を含有するCaＦ_２を融剤として用いなくても精錬を行うことができ、従って精錬後のスラグ（還元スラグ）をフッ素分を含有しないものとなし得て、スラグを再利用するに際し環境に悪影響を与える問題を解決でき、これを路盤材その他として再利用することが可能となって、資源の有効活用に資することができる。

実施形態で実施した還元精錬におけるスラグ中のCaＯ，SiＯ_２，Al_２Ｏ_３３成分の組成を塩基度とともに本発明の範囲との関係において示した図である。表２の鋼中[Ｏ]値を縦軸に、SiＯ_２量を横軸にとって表した図である。

次に本発明の実施形態を以下に説明する。
表１に示す化学成分の鋼種（JIS S40VC）８０トンを先ずアーク式電気炉にて溶解し、続いて炉内の溶鋼中にランスパイプを通じて酸素吹込みを行い、酸化精錬した。
次いで酸化精錬で生じたスラグを掻き取って、炉内の溶鋼を取鍋に移して還元精錬を実施した。

この還元精錬では、脱硫剤としてのCaＯ，融剤としてのカルシウムアルミネート、ここでは12CaＯ・5Al_２Ｏ_３（CaＯ：45質量％，Al_２Ｏ_３：55質量％）又はCaＦ_２，脱酸剤としてのFeSi（フェロシリコン），MgＯを造滓剤として添加し、電極と溶鋼との間でアークを発生させて、アーク熱による加熱の下で精錬を行った。
尚ここではカルシウムアルミネートとしてプリメルト品（事前溶融した後に固化してあるもの）を用いた。

この精錬で生じたスラグの組成，塩基度，脱硫レベル，鋼中[Ｏ]の値が表２に示してある。
尚精錬は全部で１５チャージ行った。表２には各チャージごとの値が個別に示してある。
ここでスラグの組成、具体的にはCaＯ，SiＯ_２，Al_２Ｏ_３の組成に関しては塩基度と併せて図１に示してある。
尚、図１における枠内は請求項１に規定する本発明のスラグ組成の範囲を示している。

尚この精錬ではCaＯ，SiＯ_２，Al_２Ｏ_３以外にもMgＯ，MnＯその他の成分もスラグ中に含まれるが、スラグ中の成分の大部分はCaＯ，SiＯ_２，Al_２Ｏ_３であり、また精錬の特性を主として左右するのはこれら３成分であるため、他のスラグ成分については割愛した。

脱硫能に関しては、還元精錬前の溶鋼中のＳ量及び還元精錬後の溶鋼中のＳ量をそれぞれ測定し、還元精錬で除去された全Ｓ量に基づいて単位時間当りの脱Ｓ速度として表２に示した。
これは、各チャージごとに精錬の時間が一定ではなく、精錬時間に長短があるため、平均の脱硫速度を取って各チャージごとで比較を行った。
また鋼中[Ｏ]についてはガス成分であるため溶鋼状態では測定できず、そこで溶鋼が固まって鋼材となった後に鋼中[Ｏ]として測定を行った。

表２の結果において、脱硫速度については融剤としてCaＦ_２を用いたNo.１〜No.６の平均値（各値を加えたものを６で除した値）が0.0156(％)，本発明例のNo.８〜No.１５の同様の平均値が0.0163(％)であり、No.８〜No.１５の本発明例のものは、CaＦ_２を用いたNo.１〜No.６のものと同等レベルないしこれより僅かに高い値であった。
尚、No.７のものは融剤としてカルシウムアルミネートを用いているが、スラグ組成が本発明の範囲から外れているため（Al_２Ｏ_３の量が20％よりも少ない。図１参照）、脱硫速度が0.013(％)と低い値であった。

一方鋼中[Ｏ]値については、融剤としてCaＦ_２を用いた比較例のNo.１〜No.６については平均値が0.0008％であるのに対し、融剤としてカルシウムアルミネート（CaAl）を使用した本発明例のNo.８〜No.１５については平均値が0.0007％であって比較例に対し１ｐｐｍ低い値であり、脱酸能に関しては本発明例の方が優れている。

図２は、各チャージごとの鋼中[Ｏ]値を縦軸に、スラグ中のSiＯ_２の量を横軸に取って表したもので、図２に示しているように本発明例のものは全体としてCaＦ_２を用いた比較例のものに比べて鋼中[Ｏ]値が低い。
これは、同図に示しているように、本発明例のものが融剤としてカルシウムアルミネートを用いることでスラグ中のSiＯ_２の割合を相対的に低い値となしていることで脱酸レベルが向上したものである。

以上本発明の実施形態について述べたが、本発明はカルシウムアルミネートとして上記例示した以外のものを用いてスラグ組成を上記した本発明の範囲内に制御することが可能であり、また上例以外の他の鋼種の精錬に際して適用することも可能である等、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。

Claims

造滓剤としてCaＯ及びカルシウムアルミネートを加え、スラグ組成を、塩基度CaＯ／SiＯ_２が2.0〜4.0且つCaＯ，SiＯ_２，Al_２Ｏ_３全体に対するAl_２Ｏ_３の割合が20〜80質量％の組成として精錬を行うことを特徴とする溶鋼の還元精錬方法。