JP2023068357A

JP2023068357A - 溶鋼処理炉の操業方法および溶鋼処理炉の副原料

Info

Publication number: JP2023068357A
Application number: JP2021179383A
Authority: JP
Inventors: 政洋関屋; Masahiro Sekiya; 利一青木; Riichi Aoki; 哲哉加藤; Tetsuya Kato; 淳史湯本; Atsushi Yumoto; 宗幸鎌田; Muneyuki Kamata
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2021-11-02
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2023-05-17

Abstract

【課題】溶鋼への加炭量を最小限にしつつ、ガスシールドによって大気から溶鋼への吸窒を防止する。【解決手段】溶鋼が貯留された炉内に揮発分の含有量が２０質量％よりも大きい副原料を投入する工程と、上記炉内に投入された上記副原料に酸素を供給する工程と、上記副原料の揮発分と上記酸素との反応によって発生したガスで上記溶鋼の湯面にガスシールドを形成する工程とを含む、溶鋼処理炉の操業方法が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、溶鋼処理炉の操業方法および溶鋼処理炉の副原料に関する。

溶鋼の精錬工程では、鋼種によって溶鋼中の窒素含有量を低減させる必要がある。例えば、特許文献１では、精錬炉から出鋼する含Ｃｒ溶鋼の大気からの吸窒を防止するために、転炉の出鋼口の周囲に窒素ガスを含まないガスを噴出するガス噴出機を設ける技術が記載されている。これによって、転炉の出鋼口から取鍋へ出鋼する含Ｃｒ溶鋼の出鋼流を、ガス噴出機からガスを噴出してシールドし、大気からの吸窒を防止することができる。

特開２０１０－１３８４４６号公報

上記のような溶鋼の大気からの吸窒の問題は、電気炉や転炉といった処理炉内でも生じうる。そこで、例えば電気炉では、処理される溶鋼に予め加炭しておくことで、溶鋼中への酸素の供給に伴って発生するＣＯおよびＣＯ_２で溶鋼湯面にガスシールドを形成し、大気から溶鋼への吸窒を防止する。転炉でも同様にＣＯおよびＣＯ_２のガスシールドで溶鋼への吸窒を防止するが、例えば吹錬末期には溶鋼中の炭素濃度が低下するため、吸窒を防止するために溶鋼に加炭をする場合がある。しかしながら、いずれも場合も溶鋼は最終的には脱炭によって炭素濃度を所定の値まで下げなければならないものであるため、吸窒を防止するために加炭するのは効率的とはいえない。

そこで、本発明は、溶鋼への加炭量を最小限にしつつ、ガスシールドによって大気から溶鋼への吸窒を防止することが可能な溶鋼処理炉の操業方法および溶鋼処理炉の副原料を提供することを目的とする。

［１］溶鋼が貯留された炉内に揮発分の含有量が２０質量％よりも大きい副原料を投入する工程と、上記炉内に投入された上記副原料に酸素を供給する工程と、上記副原料の揮発分と上記酸素との反応によって発生したガスで上記溶鋼の湯面にガスシールドを形成する工程とを含む、溶鋼処理炉の操業方法。
［２］上記副原料を投入する工程は継続的に実行され、上記酸素を供給する工程は、少なくとも上記副原料を投入する工程が継続的に実行される間は継続的に実行される、［１］に記載の溶鋼処理炉の操業方法。
［３］上記副原料は、硫黄分の含有量が０．０２％以下、かつ灰分の含有量が５％以下である、［１］または［２］に記載の溶鋼処理炉の操業方法。
［４］上記副原料は、廃プラスチックもしくはバイオマスを乾留処理することによって得られる炭化物、または乾留処理されていない廃プラスチックである、［１］から［３］のいずれか１項に記載の溶鋼処理炉の操業方法。
［５］揮発分の含有量が２０質量％よりも大きく、硫黄分の含有量が０．０２％以下、かつ灰分の含有量が５％以下である、溶鋼処理炉の副原料。

上記の構成によれば、揮発分の含有量が２０質量％よりも大きい副原料を炉内に投入して酸素と反応させることによって効率的にガスを発生させられるため、溶鋼への加炭量を最小限にしつつ、ガスシールドによって大気から溶鋼への吸窒を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る処理炉の操業方法を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。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した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る処理炉の操業方法を示す図である。図示された例では、処理炉１の炉内に、溶鋼２が貯留されている。処理炉１は、例えば鉄スクラップを溶解して溶鋼にする電気炉、または溶銑を吹錬によって溶鋼にする転炉である。いずれの場合も、処理炉１の炉内には溶鋼２が吹錬などの処理のために一時的に貯留される。なお、以下で説明する操業方法に関係しない処理炉１の部分については図示を省略している。

本実施形態では、溶鋼２が一時的に貯留された処理炉１の炉内に、副原料３が投入される。また、炉内の溶鋼２には、送酸ランス４を用いて酸素含有ガスが供給（送酸）される。送酸によって供給された酸素は溶鋼２だけではなく副原料３とも反応し、副原料３の気化、熱分解および燃焼によってＣＯ、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏのガスが発生する。これらのガスは溶鋼２の湯面５に沿って広がり、ガスシールド６を形成する。ガスシールド６によって、炉内の大気中から溶鋼２への吸窒が防止される。

ここで、副原料３は、揮発分の含有量が２０質量％よりも大きく、硫黄分の含有量が０．０２％以下、かつ灰分の含有量が５％以下である。揮発分および灰分はＪＩＳＭ０１０４「石炭利用技術用語」によって定義され、ＪＩＳＭ８８１２「石炭類及びコークス類－工業分析方法」に従って定量することができる。また、硫黄分はＪＩＳＭ０１０４において全硫黄として定義され、ＪＩＳＭ８８１３「石炭類及びコークス類－元素分析方法」に従って定量することができる。本明細書において、含有量は副原料の全体に対する乾燥質量で定義される。

なお、上記の定義は石炭類、コークス類、木炭および煉炭類のような炭材に一般的に適用されるが、本実施形態では、必ずしも炭材とは呼ばれない材料であっても、上記のように定義および定量される揮発分、灰分および硫黄分を含有する材料を副原料３として用いることができる。例えば、副原料３は、廃プラスチックもしくはバイオマスを乾留処理することによって得られる炭化物、または乾留処理されていない廃プラスチックなどであってもよい。

以下で説明するように、副原料３における揮発分の含有量が２０質量％よりも大きいことによって、副原料３の投入量に対して効率的に、かつ迅速にガスを発生させてガスシールド６を形成し、溶鋼２の吸窒を防止することができる。吸窒を防止するために溶鋼２に加炭する必要はないため、余分な脱炭の工程が必要なくなる。副原料３に含まれる揮発分以外の固定炭素が溶鋼２に溶解することによって抜熱が生じうるが、揮発分の含有量を２０質量％よりも大きくすることによって、揮発分と酸素との燃焼反応による輻射熱で抜熱を補償し溶鋼２の温度低下を防止することができる。

（副原料投入量に対するガス発生量）
副原料における固定炭素の含有率をα、揮発分の含有率をβとし、残部を灰分とする。また、揮発分は炭素系直鎖（ＣＨ_２）_ｎと仮定する。この場合、副原料の単位投入量あたりのガス発生量は次のようにして算出することができる。まず、固定炭素は、一旦溶鋼に溶解してから、酸化鉄と反応してＣＯガスを発生させる。このときの反応はＣ＋1/2Ｏ_２→ＣＯであり、ＣＯは「（10⁶×α）÷12」ｍｏｌ発生する。一方、揮発分は、気化および熱分解するとすぐに、送酸された酸素と反応してＣＯ_２およびＨ_２Ｏガスを発生させる。このときの反応は（ＣＨ_２）_ｎ＋Ｏ_２→ｎ・ＣＯ_２＋ｎ・Ｈ_２Ｏであり、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏは合計で「（10⁶×β）÷14×2」ｍｏｌ発生する。従って、副原料の単位投入量あたりのガス発生体積Ｖ_ｕｎｉｔは式（１）のように算出できる。

式（１）において、βの分母はαの分母よりも小さい。従って、副原料における固定炭素の含有率αを大きくするよりも揮発分の含有率βを大きくする方が、ガス発生体積Ｖ_ｕｎｉｔを増加させる効果は大きいことがわかる。また、上記で説明したように、固定炭素が一旦溶鋼に溶解してから酸化鉄と反応してガスを発生させるのに対して、揮発分は気化および熱分解するとすぐに酸素と反応してガスを発生させるため、副原料の投入後は揮発分に由来するガスの方がより早く発生する。従って、副原料における揮発分の含有率βを大きくすることは、ガスシールドを形成するガスの発生量を増加させるだけではなく、ガスを迅速に発生させるためにも有効であることがわかる。

（固定炭素分溶解の抜熱補償）
上述のように揮発分が副原料の投入後すぐに気化および燃焼し、これらがいずれも発熱反応であるのに対して、固定炭素分は酸化鉄と反応する前に一旦溶鋼に溶解（浸炭）し、この浸炭は吸熱反応である。また、副原料に含有される灰分が溶鋼上で昇温されて溶融するのも吸熱反応である。従って、溶鋼処理の安定化の観点から溶鋼温度を低下させないためには、［揮発分の気化および燃焼による発熱量］≧［固定炭素分の浸炭による吸熱量］＋［灰分の昇温による吸熱量］となるように揮発分、固定炭素分および灰分の含有量を設定することが好ましい。そこで、以下の表１のように条件を設定して、好適な各成分の含有量を算出した。

表１に示された条件のうち、ＳｉＯ_２分解熱ｂ２は、「鉄と鋼」vol.99，No.12，2013，「顕熱回収に適した製鋼スラグ連続凝固プロセスの開発」より、定圧比熱４．４２Ｊ／ｇ・ｋ×１５００Ｋ昇温として設定した。灰分含有率γ＝０．０３は、バイオマス炭化物における平均的な灰分含有率である。燃焼熱の溶鋼着熱率εは、揮発分の燃焼熱が溶鋼に伝わる比率である。なお、残りの燃焼熱は、高温の炉内雰囲気になり、例えば転炉ガス（ＬＤＧ）として回収される。また、揮発分燃焼率μは、気化した揮発分が燃焼する比率である。未燃焼の揮発分は、ＬＤＧとして回収される。上記の例では燃焼率を低めに見積もり、μ＝０．６０とした。

副原料の投入量１ｋｇあたりの反応熱は、以下のように計算することができる。
・吸熱反応分
浸炭熱＝ａ×α
揮発分分解熱＝ｂ１×β
ＳｉＯ_２分解熱＝ｂ２×γ
・発熱反応分
ＣＯ生成熱＝ｃ×β×（36/44）
Ｈ_２Ｏ生成熱＝ｅ×β×（8/44）

従って、発熱反応の熱量が吸熱反応の熱量を上回る条件は、以下のようになる。
ａ×α＋ｂ１×β＋ｂ２×γ＜ｃ×β×（36/44）＋ｅ×β×（8/44）
ａ～ｅ、γ、εおよびμに表１の値を代入し、さらにα＋β＋γ＝１、γ＝０．０３より上記の式からαを消去すると、β＞約０．２となる。従って、固定炭素分溶解の抜熱補償の観点からは、副原料における揮発分の含有率βが０．２よりも大きい、すなわち揮発分の含有量が２０質量％よりも大きいことが好ましい。

また、その後の溶鋼の脱硫処理の負荷を軽減する観点から、副原料における硫黄分の含有量は０．０２質量％以下であることが好ましい。硫黄分の含有量がこの範囲にある場合、硫黄分が溶鋼に溶解せずにスラグに吸収されるか、または揮発する方が支配的であり、脱硫処理に及ぼす影響は小さい。また、同様に脱珪処理の負荷を軽減する観点から、副原料における灰分の含有量は５％以下であることが好ましい。灰分の含有量がこの範囲にある場合、灰分に含まれる珪素分が溶鋼に溶解せずにスラグに吸収されるか、または揮発する方が支配的であり、脱珪処理に及ぼす影響は小さい。

（ガスシールドの維持）
上記で説明した本発明の実施形態では、炉内に副原料を投入する工程を継続的に実行することによって、形成されたガスシールドを維持することができる。なお、本明細書において、継続的な実行は所定の間隔で繰り返し実行することを含む。また、副原料を投入する工程が継続的に実行される間、送酸によって副原料に酸素を供給する工程も継続して実行される。以下では、直径５ｍの炉内に揮発分の含有率βの副原料を０．１ｔ／分で継続的に投入した場合に形成されるガスシールドの時間あたりの厚さを算出することによって、この点について検証する。

実験の結果から、溶鋼の湯面上に投入された副原料の揮発分は、１分程度でほぼ全てが気化することがわかっている。副原料が炭材「（ＣＨ_２）_ｎ・Ｃ_ｋ・Ｓｉ_ｍ」であり、投入後に揮発分である（ＣＨ_２）_ｎが気化し、さらにその半分が燃焼すると仮定すると、ガスを発生させる反応は以下のように表される。この場合において発生するガスは、揮発分が気化および燃焼した場合のＣＯならびにＨ_２Ｏ、および揮発分が気化するだけで燃焼しなかった場合のＣ_３Ｈ_８である。なお、熱分解した揮発分はさまざまな炭素数の気体になるが、ここでは平均として炭素数３のプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）を仮定している。
（ＣＨ_２）_ｎ＋Ｏ_２→（1/2）｛ｎ（ＣＯ）＋Ｈ_２Ｏ｝＋（1/2）（1/3）（Ｃ_３Ｈ_８）

副原料は０．１ｔ／分で投入されるため、上記の反応式におけるｎの値は１分あたりでβ×0.1÷14×10⁶になり、発生ガスの量は以下のようになる。
ＣＯおよびＨ_２Ｏ： 1/2×2×β×0.1÷14×10⁶ｍｏｌ／分
Ｃ_３Ｈ_８：1/2×1/3×β×0.1÷14×10⁶ｍｏｌ／分
合計：（2＋1/3）（1/2）×β×0.1÷14×10⁶ｍｏｌ／分

さらに、発生したガスは燃焼熱によって約１５００℃まで昇温し、体積が膨張する。この体積膨張を考慮して発生ガスの体積Ｖ［ｍ^３／分］を算出すると、以下のようになる。
Ｖ＝（2＋1/3）（1/2）×β×0.1÷14×10⁶×（22.4×10^-3）×｛（273＋1500）÷273｝
上記の式において揮発分の含有率β＝０．２とすると、Ｖ＝２４２ｍ^３／分である。この体積Ｖのガスが直径５ｍの炉内に一様に広がると仮定した場合、形成されるガスシールドの厚さｔは以下のようになる。
ｔ＝２４２÷π×５^２＝３．０９［ｍ／分］≒５［ｃｍ／秒］
上記の例では、直径５ｍの炉内に揮発分の含有率β＝０．２の副原料を０．１ｔ／分で継続的に投入することによって、１秒あたりで約５ｃｍの厚さのガスシールドを新たに形成することができる。これによって、発生ガスが炉内雰囲気に拡散する分を補ってガスシールドを維持することができる。

一方、上記の式において揮発分の含有率β＝０．０５とした場合、形成されるガスシールドの厚さｔは０．７７［ｍ／分］≒１［ｃｍ／秒］である。この場合、発生ガスが炉内雰囲気に拡散する分を十分に補うことが難しく、ガスシールドは維持されない。既に述べているように、揮発分の含有量が２０質量％よりも大きい（β＞０．２）副原料を投入することによって、固定炭素分の溶解による抜熱を補償しつつ効率的にガスを発生させ、継続的な投入によって形成されたガスシールドを維持することができる。なお、副原料における揮発分の含有量の上限は特に限定されないが、例えば８０質量％または９０質量％である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれらの例に限定されない。本発明の属する技術の分野の当業者であれば、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得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１…処理炉、２…溶鋼、３…副原料、４…送酸ランス、５…湯面、６…ガスシールド。

Claims

溶鋼が貯留された炉内に揮発分の含有量が２０質量％よりも大きい副原料を投入する工程と、
前記炉内に投入された前記副原料に酸素を供給する工程と、
前記副原料の揮発分と前記酸素との反応によって発生したガスで前記溶鋼の湯面にガスシールドを形成する工程と
を含む、溶鋼処理炉の操業方法。
前記副原料を投入する工程は継続的に実行され、
前記酸素を供給する工程は、少なくとも前記副原料を投入する工程が継続的に実行される間は継続的に実行される、請求項１に記載の溶鋼処理炉の操業方法。
前記副原料は、硫黄分の含有量が０．０２質量％以下、かつ灰分の含有量が５質量％以下である、請求項１または請求項２に記載の溶鋼処理炉の操業方法。
前記副原料は、廃プラスチックもしくはバイオマスを乾留処理することによって得られる炭化物、または乾留処理されていない廃プラスチックである、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の溶鋼処理炉の操業方法。
揮発分の含有量が２０質量％よりも大きく、硫黄分の含有量が０．０２％以下、かつ灰分の含有量が５％以下である、溶鋼処理炉の副原料。