JP2020105540A - 溶銑の脱りん方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精錬処理の脱りん吹錬の末期における脱炭反応の進行を抑制し、後続の脱炭吹錬における熱源としての炭素を溶銑中に残存させる。【解決手段】溶銑の脱りん方法は、前記溶銑に第一脱りん剤を投入する工程と、前記溶銑に酸素を吹き込むことにより前記溶銑を脱りん吹錬する工程と、を備え、前記脱りん吹錬する工程中に、さらに第二脱りん剤を前記溶銑に投入することによって溶銑の脱りんを行う。前記第二脱りん剤としては酸化鉄と融体を形成し、酸化鉄よりも炭素に対する反応性を低位化させる粉体状の脱りん剤が選択される。【選択図】図３

Description

本発明は、溶銑の脱りん方法に関する。

高炉で生産される溶銑は主要な不純物として、りん（以下、「Ｐ」という場合がある。）や炭素（以下、「Ｃ」という場合がある。）等を含んでいる。これら不純物は、強度や靱性、伸び等の鋼材の諸特性に悪影響を及ぼすため、転炉中の溶銑の不純物を取り除く、例えばＬＤ−ＯＲＰ（ＬＤ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ−Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｒｅｆｉｎｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ）法などの精錬処理としての転炉溶銑予備処理が行われている。

転炉溶銑予備処理においては、低温（例えば１３００℃程度）で進行する脱りん吹錬と、当該脱りん吹錬の後に行われ、高温（例えば１７００℃程度）で進行する脱炭吹錬とがそれぞれ連続的に行われる。しかしながら、脱りん吹錬の末期においては、当該脱りん吹錬における溶銑の温度上昇に伴い、脱りん反応と同時に脱炭反応が進行してしまう場合がある。

溶銑中の炭素は熱源として寄与する。上述のように脱りん吹錬中に脱炭反応が進行して炭素が消費され、溶銑中の炭素量が減ってしまうと、後続の脱炭吹錬において投入される昇熱材の使用量が増大し、精錬コストを増大させる一因となる。従って、脱りん吹錬の末期における脱炭反応の進行を抑制し、脱炭吹錬において投入される昇熱材の量を減少させることが望まれる。

特許文献１には、転炉内に保持した溶銑に、少なくとも精錬剤としての石灰石の一部を粉体として気体酸素と共に吹き付ける脱りん方法が開示されている。特許文献１に開示の脱りん方法によれば、精錬材としての石灰石の一部を粉体として吹き付けることにより、石灰石を塊で投入する場合と比べて熱ロスを低減させることができる。

特開２０１５−２０６０９１号公報

上述のように、特許文献１に開示の脱りん方法によれば、石灰石の投入方法を工夫することにより熱ロスを低減することができる。しかしながら、特許文献１には、脱りん吹錬の末期における脱炭反応を抑制することにより、後続の脱炭吹錬における昇熱材の投入量を減少させるという思想は開示も示唆もない。

上記事情に鑑み、本発明の目的は、精錬処理の脱りん吹錬の末期における脱炭反応の進行を抑制し、後続の脱炭吹錬における熱源としての炭素を溶銑中に残存させることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、溶銑の脱りん方法であって、前記溶銑に第一脱りん剤を投入する工程と、前記溶銑に酸素を吹き込むことにより前記溶銑を脱りん吹錬する工程と、を備え、前記脱りん吹錬する工程中に、さらに第二脱りん剤を前記溶銑に投入し、前記第二脱りん剤は、酸化鉄（ＦｅＯ）と融体を形成し、酸化鉄よりも炭素（Ｃ）に対する反応性を低位化させる粉体状の脱りん剤であることを特徴としている。

本発明によれば、酸化鉄と融体を形成し、酸化鉄よりも炭素に対する反応性を低位化させる粉体状の脱りん剤を溶銑中に投入することにより、脱りん吹錬の末期における脱炭反応を抑制して熱源としての炭素を残存させることができる。その結果後続の脱炭吹錬において投入される昇熱材の量を減少させることができる。

前記第二脱りん剤は、前記溶銑に供給される脱りん剤の総重量に対し、４０％〜７０％の重量比で投入されることが望ましい。なお、脱りん剤の総重量とは、第一脱りん剤の重量と第二脱りん剤と重量の和になる。

前記第二脱りん剤は、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＭｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、又は転炉スラグ若しくは二次精錬スラグであってＣａＯ、ＭｇＯ、ＭｎＯ若しくはＡｌ_２Ｏ_３を含むもの、から選択される一種以上を含むことが好ましい。

本発明の脱りん方法によれば、精錬処理の脱りん吹錬の末期における脱炭反応の進行を抑制し、後続の脱炭吹錬における熱源としての炭素を溶銑中に残存させることができる。

本実施形態にかかる転炉設備の構成の概略を模式的に示す説明図である。 本実施形態にかかる脱りん吹錬における粉体重量比と炭素減少量との関係を示すプロット図である。 脱りん吹錬における第二脱りん剤の供給期間を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜転炉設備の構成＞
先ず、本発明の実施形態でも用いられる一般的な転炉の設備について説明する。図１は、転炉設備の構成の概略を模式的に示す説明図である。

転炉設備は、上底吹き型の転炉１を有している。転炉１には上部が開口した炉口２と、炉底を貫通する底吹き口３とが形成されている。また炉口２にはランス４が設けられている。ランス４は、その先端から転炉１内に貯留された溶銑５の火点６に向けて、酸素ガスや後述の粉体状の第二脱りん剤を吹き付けて投入することができる。

また、溶銑５の上面には、後述の塊状の第一脱りん剤が投入されることにより溶銑５中の不純物（例えばＰ）が酸化されて成るスラグ７が形成されている。

＜転炉設備における従来の作用＞
以上のように構成された転炉設備では、溶銑５の精錬処理として、例えば脱りん吹錬と脱炭吹錬とが連続して行われる。そこで次に、転炉１で行われる従来の精錬処理の一例について説明する。

先ず、高炉で生成された不純物を含む溶銑５が、転炉１の内部に供給される。溶銑５が転炉１の内部に貯留されると、底吹き口３を介して転炉１の内部に不活性ガス、及び、酸素ガスが吹き込まれる。また、これと同時にランス４から転炉１内の溶銑５に酸素ガスが吹き付けられることにより、低温下（例えば１３００℃程度）で脱りん処理が行われる（脱りん吹錬）。

脱りん吹錬が終了すると、続いて、転炉１の内部の溶銑５を出湯により転炉１の外部に設けられた取鍋（図示せず）内へ退避させる。その後、転炉１の内部の脱りん吹錬で生成されたスラグ７を転炉１から完全に排出した後、取鍋に退避させた溶銑５を転炉１の内部に再供給する。その後、転炉１内に新たに例えば石灰を添加し、底吹き口３を介して転炉１の内部に不活性ガス、及び、酸素ガスが吹き込まれる。これと同時に、ランス４から転炉１内の溶銑５に酸素ガスが吹き付けられることにより、高温下（例えば１７００℃程度）で脱炭処理が行われる（脱炭吹錬）。すなわち、酸素ガスが吹き付けられる溶銑５の火点６において脱炭反応が進行する。

以上の一連の手順により、従来、転炉設備における溶銑５の精錬処理が行われている。

ここで、脱りん吹錬における脱りん反応が進行すると、当該脱りん吹錬による溶銑５の温度上昇に伴って、脱りん反応と並行して、下記式（１）に示す脱炭反応が進行する場合がある。
（ＦｅＯ）＋［Ｃ］→［Ｆｅ］＋ＣＯ↑ ： 式（１）

なお、式（１）に記載された、丸括弧で囲まれた化学式はスラグ７中に溶融した成分の化学式であり、角括弧で囲まれた化学式は溶銑５中の成分の化学式である。また、式（１）に記載された上矢印は、当該上矢印で示した化学式がガスとなって溶銑５及びスラグ７から放出されることを示している。

溶銑５中の炭素は、後続の脱炭吹錬における熱源として寄与する。このため、式（１）に示すように、脱りん吹錬中において脱炭反応が進行して溶銑５中の炭素量が減少すると、上述のように、後続の脱炭吹錬において炉内を昇温するための昇熱材の投入量が増大し、精錬コストが増大する。

＜本実施形態にかかる転炉設備の作用＞
そこで次に、脱りん吹錬の進行に伴って反応を開始する前記式（１）に示す脱炭反応を抑制し、後続の脱炭吹錬における熱源として寄与する炭素を残存させるための、本実施形態にかかる脱りん方法について説明する。なお、以下の説明において、脱りん吹錬中において前記式（１）に示す脱炭反応が進行する期間のことを「脱りん吹錬末期」という場合がある。

本実施形態にかかる溶銑５の脱りん吹錬では、先ず、転炉１内の溶銑５に第一脱りん剤を投入する。第一脱りん剤としては、例えば塊状のＣａＯ、すなわち塊状の生石灰や石灰石、又は、例えばリサイクルスラグ等が使用される。

なお、第一脱りん剤の投入量は、第一脱りん剤のＣａＯ等量と溶銑５の初期成分におけるＳｉから計算されるＳｉＯ_２等量との比（以下、「塩基度」という。）が、およそ１．０となるように決定される。かかる塩基度が高くなると、すなわち第一脱りん剤の投入量が増えると、脱りん吹錬における脱りん性能を向上させることができる反面、第一脱りん剤の投入量が増えるため、精錬コストが増大する。また、塩基度が過剰に高くなると、すなわち第一脱りん剤の投入量が過剰に増えると、ＣａＯの滓化が悪くなり、一定以上の脱りんの良化は望めない。一方、塩基度が低くなると、すなわち第一脱りん剤の投入量が減ると、脱りん精錬における脱りん性能が悪化する。これら脱りん性能及び精錬コストとのバランスにより、第一脱りん剤の投入量は、上述の通り塩基度がおよそ１．０となるように制御されることが好ましい。

第一脱りん剤が溶銑５に投入されると、ランス４から転炉１内の溶銑５に酸素ガスが吹き付けられる。これにより転炉１内では、以下の式（２）及び式（３）で示すような脱りん吹錬が進行する。
２［Ｐ］＋５（ＦｅＯ）→（Ｐ_２Ｏ_５）＋５［Ｆｅ］ ： 式（２）
（Ｐ_２Ｏ_５）＋３（ＣａＯ）→（３ＣａＯ・Ｐ_２Ｏ_５） ： 式（３）

このように、溶銑５中のＰがスラグ７中のＦｅＯによって酸化されてＰ_２Ｏ_５となる。そして、このＰ_２Ｏ_５がスラグ中の溶融ＣａＯに固定されて、安定化された化合物である（３ＣａＯ・Ｐ_２Ｏ_５）が生成される。

脱りん吹錬末期に差し掛かると、すなわち、脱りん吹錬にかかる反応の進行により転炉１内の温度が上昇すると、かかる温度上昇に伴って前記式（１）に示す脱炭反応の進行がする。

そこで本実施形態においては、かかる脱炭反応の進行を抑制するため、脱りん吹錬する工程において、第二脱りん剤を溶銑５に供給する。第二脱りん剤としては、例えば粉体状のＣａＯが使用され、脱りん吹錬における酸素ガスの吹き付けと同時に、ランス４から溶銑５に対して吹き付けられる。

転炉１内に第二脱りん剤が供給されると、ランス４直下の火点６において以下の式（４）に示す反応が促進されることにより、以下の式（５）に示す脱炭反応が抑制される。
（ＣａＯ）＋［Ｆｅ］＋１／２Ｏ_２→（ＣａＯ−ＦｅＯ） ： 式（４）
ＦｅＯ＋Ｃ→Ｆｅ＋ＣＯ ： 式（５）

このように、本実施形態によれば、脱りん吹錬中の転炉１内に第二脱りん剤を供給することにより、当該脱りん吹錬末期における脱炭反応の進行を抑制し、後続の脱炭吹錬において熱源として寄与する炭素を溶銑５内に残存させることができる。

図２は、本実施形態にかかる第二脱りん剤の、第一脱りん剤の重量に対する重量比（以下、粉体重量比という。）と、従来の脱りん吹錬における炭素の消費量に対する、本実施形態にかかる脱りん吹錬の炭素消費量の比率（ΔＣ）との関係を表したプロット図である。

なお、炭素消費量の比率ΔＣは、下記式（６）により求められる。式（６）において溶銑Ｃ１（％）は転炉１内の溶銑５に含まれる炭素の割合、溶銑率（％）は転炉１内の溶銑５の割合、脱りん後Ｃ２（％）は脱りん精錬終了後における溶銑５中に含まれる炭素の割合を表している。
ΔＣ＝溶銑Ｃ１（％）×溶銑率（％）−脱りん後Ｃ２（％） ： 式（６）

また、図２縦軸のΔＣ＝１．０は、従来の脱りん吹錬における炭素消費量を基準としたものであり、すなわち、縦軸１．０よりも小さな値であるほど、溶銑５中の炭素の消費が抑えられ、溶銑５中の炭素の残存量が多いことを示している。

図２に示すように、溶銑５中の炭素の消費量は、粉体重量比がおよそ４０％を境に従来に比べて減少をはじめ、粉体重量比が高くなるほど低くなっていることがわかる。

これは、前記所定の供給速度で第二脱りん剤を転炉１内に供給する場合、粉体重量比が大きくなることにより転炉１内に供給する第２脱りん剤の総量が増え、第二脱りん剤の供給期間が長くなることに起因する。すなわち、図３に示すように第二脱りん剤の供給開始のタイミングＳを一定（本実施形態においては脱りん吹錬の開始直後）とした場合、およそ４０％を境として第二脱りん剤の供給期間Ｔが脱りん吹錬末期の期間と重複するようになる。そして、粉体重量比が大きくなるほど脱りん吹錬末期の期間と重複する第二脱りん剤の供給期間が長くなり、すなわち長期間にわたって脱炭反応を抑制することができる。

なお、図２及び図３に示すように粉体重量比が大きくなることにより脱炭反応を抑制できる期間を長くすることができる。しかしながら、例えば生成スラグの塩基度の上限などにおいて制限があり、第二脱りん剤の投入量、すなわち粉体重量比は、６０％〜７０％を上限値とすることが望まれる。なお、上限の７０％は、上述したように塩基度が過剰に高くなると（例えば塩基度が３．５以上）、ＣａＯの滓化が悪くなり、一定以上の脱りんの良化は望めない。そこで、塩基度が３．５となる場合の第二脱りん剤の粉体重量比７０％を、上限とするのが望ましい。

以上により、第二脱りん剤の投入量は前記粉体重量比が、４０％〜７０％、好ましくは４０％〜６０％となるように決定されることが望ましい。

なお、上記実施形態においては第二脱りん剤として粉体状のＣａＯを使用したが、上述のように前記式（１）に示す脱炭反応の進行を抑制し、酸化鉄とスラグ７を形成するものであれば、第二脱りん剤の材料はこれに限定されない。すなわち、酸化鉄と融体を形成し、酸化鉄よりも炭素に対する反応性を低位化させるものであれば、第二脱りん剤の材料は任意に選択することができ、例えばＭｇＯやＭｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等を選択することができる。または、転炉スラグや二次精錬スラグであって、これらＣａＯ、ＭｇＯ、ＭｎＯ、若しくは、Ａｌ_２Ｏ_３成分を含むものであってもよい。また更に、これらから選択される一種以上を含むものであれば複数の材料が混合された第二脱りん剤を使用してもよい。

以上より選択される第二脱りん剤として、例えば転炉スラグや二次精錬スラグを使用した場合、精錬処理における環境負荷の低減、及び、製鋼におけるコストの低減を図ることができる。

なお、第二脱りん剤の溶銑５への供給は、前記式（１）に示す脱炭反応を抑制し、前記式（４）に示すＦｅ成分との反応を進行させることができれば、任意のタイミングで適宜開始することができる。すなわち、少なくとも脱りん精錬末期に第二脱りん剤を溶銑５に供給することができれば、脱炭反応の抑制を抑制し、後続の脱炭吹錬における熱源としての炭素を残存させることができる。

ただし、例えば第二脱りん剤の供給開始のタイミングを遅くした場合、脱りん吹錬における脱りん反応が悪化してしまうことが考えられる。これにより第二脱りん剤は、脱りん精錬の開始後に遅滞なく供給を開始し、溶銑５の塩基度を１．０以上にで維持できるように制御することが最も好ましい。

なお、例えば上述のように第二脱りん剤の供給開始のタイミングを遅くする場合、第二脱りん剤の供給期間を脱りん吹錬末期の期間により長く重複させることができるため、脱炭反応の抑制効果をより適切に享受することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、以上の実施形態によれば、脱りん吹錬が上底吹き型の転炉において行われる場合を例に説明したが、本発明にかかる脱りん吹錬が行われる転炉設備の構成は上底吹き型の転炉に限定されない。例えば本発明にかかる脱りん吹錬は、上吹き型転炉などにおいて行われてもよい。

本発明は、転炉における脱りん吹錬を行う際に有用である。

１ 転炉
２ 炉口
３ 底吹き口
４ ランス
５ 溶銑
６ 火点
７ スラグ

Claims (3)

1. 溶銑の脱りん方法であって、
   前記溶銑に第一脱りん剤を投入する工程と、
   前記溶銑に酸素を吹き込むことにより前記溶銑を脱りん吹錬する工程と、
   を備え、
   前記脱りん吹錬する工程中に、さらに第二脱りん剤を前記溶銑に投入し、
   前記第二脱りん剤は、酸化鉄と融体を形成し、酸化鉄よりも炭素に対する反応性を低位化させる粉体状の脱りん剤であることを特徴とする、溶銑の脱りん方法。
2. 前記第二脱りん剤は、前記溶銑に供給される脱りん剤の総重量に対し、４０％〜７０％の重量比で投入されることを特徴とする、請求項１に記載の溶銑の脱りん方法。
3. 前記第二脱りん剤は、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＭｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、又は転炉スラグ若しくは二次精錬スラグであってＣａＯ、ＭｇＯ、ＭｎＯ若しくはＡｌ_２Ｏ_３を含むもの、から選択される一種以上を含むことを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の溶銑の脱りん方法。

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