JP2020132962A - 溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法及び鉄基粉末金属の格納容器 - Google Patents

Abstract

【課題】 粉末冶金などで使用する最小粒径未満の微細粒子の鉄粉を、高い歩留まり、高い精度で、且つ、短時間で、少なくとも一部分が固体であるスラグ層を上部に有する溶鋼中に添加する。【解決手段】 本発明に係る溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法は、少なくとも一部分が固体であるスラグ層１１を上部に有する溶鋼１０に鉄基粉末金属８を添加する、溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法であって、前記鉄基粉末金属を収納した鉄製の格納容器１を、前記スラグ層を貫通させて溶鋼中に浸漬させ、前記格納容器の底面を溶解させて開口させ、前記格納容器に収納させた前記鉄基粉末金属を溶鋼中に添加する。【選択図】 図１

Description

本発明は、少なくとも一部分が固体であるスラグ層を上部に有する溶鋼に鉄基粉末金属を添加する方法、及び、これに用いる鉄基粉末金属の格納容器に関する。

粉末冶金などに使用される鉄粉は、用途に応じて最大粒径及び最小粒径が決められている。最大粒径を超える粗粒は破砕されるが、最小粒径未満の微細粒子は再度還元炉に送られ、微細粒子は工程内を循環していた。その結果、還元後の鉄粉歩留まりの低下と処理コストの増加の一因となっていた。また、還元炉での還元剤として水素ガスが用いられるが、微細粒子が多いほど粒子間の空隙が少なくなり、通気性が悪化することにより還元反応を妨げることも問題となる。

これらの問題を解消するためには、鉄粉の微細粒子を溶鋼中へ添加することが、再資源化の観点からも有効であるが、取鍋内や炉内の溶鋼表面には、スラグが固化した固体層が存在し、鉄粉の微細粒子を溶鋼に直接添加することは困難である。

そこで、上部に、少なくとも一部分が固体であるスラグ層を有する溶鋼中に微細粒子などの原材料を添加する方法が、幾つか提案されている。

例えば、特許文献１には、浸漬ランスを溶鋼に浸漬させ、浸漬ランスの先端から、還元鉄粉を搬送用ガスとともに溶湯中に吹き込み添加する方法が提案されている。

特許文献２には、溶融金属容器蓋に尖頭付中空筒状スラグ割り治具を取り付け、スラグ割りに必要な応力は前記溶融金属容器蓋の自重を利用するとともに、該スラグ割り治具の中空部に成分調整剤、保温材などの添加剤を収納し、前記溶融金属に該治具が浸漬した後は、溶融金属での該浸漬部の溶解により前記添加剤を溶融金属中に添加する方法が提案されている。

また、特許文献３には、合金原料を収納した鉄製の格納容器を、スラグ層を貫通して溶鋼中に浸漬し、格納容器の底面を選択的に溶解、開口させて、上部にスラグ層を有する溶鋼中に合金原料を添加する方法が提案されている。

特開昭５３−９３１１０号公報 特開昭５８−１１７８４０号公報 特開２０１３−１３９６０８号公報

しかしながら、上記従来技術には以下の問題がある。

即ち、特許文献１は、搬送用ガスとともに鉄粉を溶湯中に吹き込んで添加する方法を採用しており、したがって、鉄粉と搬送用ガスとを混合するためのディスペンサー、鉄粉を収納するタンク、搬送用配管などの種々の設備が必要であり、設備費が高価であるという問題がある。また、鉄粉を気体で搬送することから、添加速度が遅く、添加時間が長くなるという問題もある。更に、溶鋼に添加する場合は、希ガスであるアルゴンガスを搬送用ガスとして使用する必要があり、アルゴンガスは高価であり、運転費用も高くなるという問題もある。

特許文献２は、溶融金属容器が蓋を具備することが必須であり、蓋を具備しない溶融金属容器の場合には適用することができないという問題がある。

特許文献３は、優れた方法であるが、添加する合金元素として、Ｔｉ単体金属顆粒（実施例１）やＬａ単体金属顆粒（実施例２）を使用しており、微細な鉄粉、特に、粉末冶金などで使用する最小粒径未満の微細粒子の鉄粉を使用すること、及び、使用可能であることは言及していない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、大量の鉄基粉末金属を、特に、粉末冶金などで使用する最小粒径未満の微細粒子の鉄基粉末金属を、高い歩留まり、高い精度で、且つ、短時間で、少なくとも一部分が固体であるスラグ層を上部に有する溶鋼中に添加する方法を提供することであり、また、これに使用する鉄基粉末金属の格納容器を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］少なくとも一部分が固体であるスラグ層を上部に有する溶鋼中に鉄基粉末金属を添加する、溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法であって、
前記鉄基粉末金属を収納した鉄製の格納容器を、前記スラグ層を貫通させて溶鋼中に浸漬させ、前記格納容器の底面を溶解させて開口させ、前記格納容器に収納させた前記鉄基粉末金属を溶鋼中に添加することを特徴とする、溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法。
［２］前記格納容器の底面の溶鋼中への浸漬深さを、スラグ層と溶鋼との界面から１００ｍｍ以上とすることを特徴とする、上記［１］に記載の溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法。
［３］前記鉄基粉末金属は、鉄分が５０質量％以上の組成で、且つ、粒径（篩分けによる粒径）が４４μｍ未満であることを特徴とする、上記［１］または上記［２］に記載の溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法。
［４］上記［１］から上記［３］のいずれかに記載の溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法で使用する鉄製の格納容器であって、
板厚が３．０〜４．５ｍｍの鋼板からなる底面と、板厚が６．０ｍｍ以上の鋼板からなる側面とを、有することを特徴とする、鉄基粉末金属の格納容器。
［５］前記格納容器は、上段部及び下段部の上下２段に分割可能で、下段部を溶鋼中に浸漬し、下段部は交換可能な構造であることを特徴とする、上記［４］に記載の鉄基粉末金属の格納容器。

本発明によれば、鉄製の格納容器内に所定量の鉄基粉末金属を装入し、この格納容器の下部を溶鋼中に浸漬させ、格納容器の底面を選択的に溶解させて開口させることで、大量の鉄基粉末金属を、高い歩留まり、高い精度で、且つ、短時間で、少なくとも一部分が固体であるスラグ層を上部に有する溶鋼中に添加することが可能になり、鉄基粉末金属の再利用を行うことが実現される。

本発明に係る溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法の実施形態を示す概略断面図である。 図１に示す、鉄基粉末金属を収納するための本発明に係る鉄製の格納容器の一例を示す斜視図である。 本発明に係る鉄基粉末金属の添加方法の原理を説明する概略断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、本発明に係る溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法の実施形態を示す概略断面図であって、取鍋に収納された溶鋼に本発明を適用して鉄基粉末金属を添加する状況を示す概略断面図、図２は、図１に示す、鉄基粉末金属を収納するための本発明に係る鉄製の格納容器の一例を示す斜視図である。

本発明に係る溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法は、少なくとも一部分が固体であるスラグ層を上部に有する溶鋼中に鉄基粉末金属を添加する方法である。ここで、対象とする鉄基粉末金属は、鉄分が５０質量％以上の組成で、且つ、粒径（篩分けによる粒径）が４４μｍ未満であることが好ましい。鉄基粉末金属は、鉄分が５０質量％以上の組成であるので、比重が高く、溶鋼に混じり易い。また、粒径（篩分けによる粒径）が４４μｍ以上の鉄基粉末金属は再溶解することなくリサイクル可能であり、再溶解することで却ってコスト増になることがある。

図１に示すように、鉄基粉末金属８を収納した格納容器１の下部を、少なくとも一部分が固化した固体状態であるスラグ層１１を貫通させて、取鍋９に収納された溶鋼１０に浸漬させる。浸漬させた格納容器１の底面を、溶鋼１０の顕熱によって選択的に溶解させて開口させ、格納容器１に収納させた鉄基粉末金属８を溶鋼中に添加する。溶鋼中に添加された鉄基粉末金属８は、溶鋼１０の顕熱によって溶鋼中に溶解する。尚、図１中の符号の９ａは鉄皮、９ｂは耐火物、Ｄは、格納容器１の浸漬深さ（溶鋼１０とスラグ層１１との界面から格納容器１の底面までの距離）である。

図３に、本発明に係る鉄基粉末金属の添加方法の原理を説明する概略断面図を示す。図３（Ａ）は、鉄基粉末金属８を収納した格納容器１の下部を溶鋼中に浸漬させた直後の状態を示す概略断面図で、図３（Ｂ）は、格納容器１の底面が溶解して格納容器１に収納された鉄基粉末金属８が溶鋼中に添加される状態を示す概略断面図である。本発明に係る鉄基粉末金属の添加方法では、鉄基粉末金属８を収納した格納容器１の下部がスラグ層１１を突き抜けて１５５０〜１６５０℃の温度の溶鋼中に浸漬され、格納容器１の底面が溶解して開口することで、鉄基粉末金属８を溶鋼中に添加し、溶解させる。

その際、重要なことは、格納容器１の底面が溶解、開口した後、鉄基粉末金属８が溶鋼中に完全に溶解するまでの期間、鉄基粉末金属８がスラグ層１１と直接接触することを防止することである。そのためには、格納容器１の底面が溶鋼１０の顕熱によって溶解、開口しても、その開口部からスラグ層１１が格納容器１に侵入しないこと、及び、格納容器１の側面は、溶鋼１０の顕熱によって溶鋼１０と接触する側の表面の一部が溶解しても開口に至らないことが必要である。即ち、格納容器１は、格納容器１の底面と側面とで、溶鋼１０の顕熱によって開口に至るまでの溶解時間に差を付けることが必要である。

また、鉄基粉末金属８とスラグ層１１とを直接接触させないためには、格納容器１の底面をスラグ層１１と溶鋼１０との界面から少なくとも１００ｍｍの深さまで浸漬させること、つまり、浸漬深さＤを１００ｍｍ以上とすることが好ましい。但し、攪拌用ガス１２が溶鋼表面から吹き出る位置では、スラグ層１１が薄くなる傾向にあり、その際には浸漬深さＤを短くできる可能性がある。

上記観点から、スラグ層１１の厚さ、及び、取鍋９の底部に設置した底吹きポーラスプラグ９ｃから攪拌用ガス１２を吹き込んでいる場合の溶鋼１０の湯面変動などを考慮して、格納容器１の寸法を決める必要がある。

また、格納容器１は溶鋼１０に対して或る程度の溶解時間を確保する必要があること、及び、格納容器１を構成する材料の入手の容易性から、格納容器１は鉄製（鋼板製）であることが好ましい。そして、格納容器１の底面を選択的に溶解、開口させるためには、格納容器１の側面は、底面以上の溶解時間を有する鋼板であること、具体的には、格納容器１の側面は、底面を構成する鋼板の厚み以上の鋼板であることが好ましい。

溶鋼温度が１５５０〜１６５０℃の場合、本発明に係る鉄基粉末金属８の格納容器１は、上記溶解時間を確保するために、格納容器１の底面を構成する鋼板板厚は３．０〜４．５ｍｍとし、側面を構成する鋼板板厚は６．０ｍｍ以上とすることが好ましい。底面を構成する鋼板板厚が３．０ｍｍ未満では、格納容器１を溶鋼中に所定の深さまで浸漬させる前に溶解し、開口してしまうおそれがあり、一方、４．５ｍｍを超えると、開口までの時間が長時間となり、格納容器１の側面が溶解し、開口してしまうおそれがあるからである。底面を構成する鋼板板厚を３．０〜４．５ｍｍとしたうえで、側面を構成する鋼板板厚を６．０ｍｍ以上とすることで、格納容器１の側面が底面よりも早く溶解することを防止できる。

また、格納容器１を再利用する観点から、図１及び図２に示すように、格納容器１を上段部２と下段部３との上下２段に分割可能とし、上段部２の下部に設置したフランジ２ａと、下段部３の上部に設置したフランジ３ａとを、ボルト６及びナット７で結合することにより、一体構造の格納容器１を形成することが好ましい。フランジ２ａ及びフランジ３ａをスラグ層１１に浸漬させずに、下段部３のみを溶鋼１０に浸漬させる。このようにして格納容器１に収納した鉄基粉末金属８を溶鋼１０に添加した後は、下段部３のみを交換することで、新たに格納容器１が形成される。下段部３を交換可能とすることで、上段部２を再利用でき、コストの削減に有効である。

図１及び図２に示す格納容器１は、作業の効率化のために、上段部２に斜面を設けており、このように斜面を設けた場合、鉄基粉末金属８の安息角が最大４５°であることを考慮し、斜面の水平面に対する角度θは、４５°超えとすることが好ましく、望ましくは５０°以上とする。尚、斜面を構成する鋼板の接合部（対角線）についても上記の角度とすることが好ましい。

格納容器１の使用にあたり、必要に応じて格納容器１に以下の器具を設置してもよい。
［１］クレーンやホイストのフックで吊り下げるための取り付け治具
［２］格納容器１の上面を覆う蓋（ガス抜きを行うための穴を設置することが好ましい）
［３］溶鋼への添加中に格納容器１が傾くことを防止するための重り
［４］鉄基粉末金属８の添加状況を確認するためのカメラ及び照明
図１は、格納容器１の上部に設置した取り付け治具４にホイスト（図示せず）のフック５を通し、ホイストで、格納容器１を吊り上げ及び吊り下げる形態を示している。

また、本発明に係る鉄基粉末金属の添加方法を適用するにあたり、精錬の効率化、アルミニウム添加による溶鋼温度の昇熱、溶鋼成分の調整、溶鋼温度の調整などを目的として、取鍋９の底部に設置した底吹きポーラスプラグ９ｃ（通気性耐火物）を通して溶鋼中にアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスを攪拌用ガス１２として吹き込んで、溶鋼１０を攪拌する場合には、格納容器１の下部を溶鋼１０に浸漬した後は、攪拌用ガス１２の流量は適宜抑制することが好ましい。これは、攪拌用ガス１２の流量が少ない場合は、攪拌効果が小さく添加時間の延長を招く。一方、攪拌用ガス１２の流量が多すぎる場合は、攪拌効果が大きくなり過ぎてスラグ層１１の巻き込みを引き起こし、鉄基粉末金属８の添加が不安定になるおそれがある。

尚、図１及び図２に示す格納容器１は、水平断面が四角形であり、且つ、上段部２の横断面積が下段部３の横断面積よりも大きいが、格納容器１は、底面が溶鋼に対して選択的に溶解し、開口するものであれば、形状については特に問わない。

以上説明したように、本発明によれば、鉄製の格納容器内に所定量の鉄基粉末金属８を装入し、この格納容器１の下部を溶鋼中に浸漬させ、格納容器１の底面を選択的に溶解させて開口させることで、大量の鉄基粉末金属８を、高い歩留まり、高い精度で、且つ、短時間で、少なくとも一部分が固体であるスラグ層１１を上部に有する溶鋼中に添加することが可能になり、鉄基粉末金属８の再利用を行うことが実現される。

図１及び図２に示す形状の格納容器を用いて、鉄基粉末金属を取鍋に収納された溶鋼に添加した。格納容器は、下段部の底面の鋼板板厚を３．２ｍｍ、上段部及び下段部の側面の鋼板板厚を６．４ｍｍ、格納容器の高さを６００ｍｍとし、上段部の傾斜部の角度θを５５°以上となるように製作した。この格納容器に、１０００ｋｇの粒子径４４μｍ未満の鉄基粉末金属（鉄分：５０質量％）を装入し、溶鋼（中炭素アルミキルド溶鋼）への添加実験を行った。添加状況の確認は、格納容器の上部に設置した無線カメラによる鉄基粉末金属の層高さの観察に基づいて行った。

格納容器を溶鋼上に存在するスラグ層に降下させ、格納容器の底面をスラグ層と溶鋼との界面から１３０ｍｍとなるまで浸漬させた。浸漬開始から１分経過以内に鉄基粉末金属の降下開始が認められ、浸漬開始から４分経過後に溶鋼の一部がカメラ画像で確認された。その後、鉄基粉末金属の溶解が確認された時点で格納容器を引き上げた。

使用後の格納容器内には鉄基粉末金属は存在せず、全ての鉄基粉末金属が排出されていた。その後、格納容器の上段部と下段部とを連結するボルト及びナットを外して上段部及び下段部に分離して回収した。格納容器の上段部は、再度利用できることが確認できた。

１ 格納容器
２ 上段部
２ａ フランジ
３ 下段部
３ａ フランジ
４ 取り付け治具
５ フック
６ ボルト
７ ナット
８ 鉄基粉末金属
９ 取鍋
９ａ 鉄皮
９ｂ 耐火物
９ｃ 底吹きポーラスプラグ
１０ 溶鋼
１１ スラグ層
１２ 攪拌用ガス

Claims (5)

1. 少なくとも一部分が固体であるスラグ層を上部に有する溶鋼中に鉄基粉末金属を添加する、溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法であって、
   前記鉄基粉末金属を収納した鉄製の格納容器を、前記スラグ層を貫通させて溶鋼中に浸漬させ、前記格納容器の底面を溶解させて開口させ、前記格納容器に収納させた前記鉄基粉末金属を溶鋼中に添加することを特徴とする、溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法。
2. 前記格納容器の底面の溶鋼中への浸漬深さを、スラグ層と溶鋼との界面から１００ｍｍ以上とすることを特徴とする、請求項１に記載の溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法。
3. 前記鉄基粉末金属は、鉄分が５０質量％以上の組成で、且つ、粒径（篩分けによる粒径）が４４μｍ未満であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の溶鋼への鉄基粉末金属の添加方法で使用する鉄製の格納容器であって、
   板厚が３．０〜４．５ｍｍの鋼板からなる底面と、板厚が６．０ｍｍ以上の鋼板からなる側面とを、有することを特徴とする、鉄基粉末金属の格納容器。
5. 前記格納容器は、上段部及び下段部の上下２段に分割可能で、下段部を溶鋼中に浸漬し、下段部は交換可能な構造であることを特徴とする、請求項４に記載の鉄基粉末金属の格納容器。