JP2024063517A - 鉄源の溶解精錬方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気炉を用いた鉄源の溶解精錬において、スラグ量が増大し、あるいはアーク出力を強化しても耐火物の溶損を抑止することのできる、鉄源の溶解精錬方法を提供する。【解決手段】電気炉を用いた鉄源の溶解精錬において、電気炉内に投入した鉄源を加熱、溶解する第一工程と、第一工程で生じたスラグの一部または全部を排出する第二工程と、温度および成分を調整する第三工程と、排滓、出湯する第四工程を含み、前記第一工程の終点においてスラグ中のＭｇＯ濃度（Ｍ）が下記（１）式を満たすことを特徴とする鉄源の溶解精錬方法。【数１】TIFF2024063517000005.tif16168（１）式において、Ｃ，Ｓ，Ａ，Ｍは各々、スラグ中の質量基準でのＣａＯ濃度（Ｃ）、ＳｉＯ２濃度（Ｓ）、Ａｌ２Ｏ３濃度（Ａ）、ＭｇＯ濃度（Ｍ）を示す。【選択図】なし

Description

本発明は、電気炉を用いた鉄源の溶解精錬方法に関するものである。

現在、自動車用鋼板の製造に適する高級鋼は主に、鉄鉱石を原料として高炉－転炉法で製造されている。高炉法では、還元材としてコークスを用いるため、ＣＯ_２が生成される。これに対して、電気炉製鋼法はスクラップを主要な原料として用いており、ＣＯ_２の生成量が少ないという特徴を有する。ゼロカーボン・スチール実現に向けて、電気炉製鋼法の高級鋼製造への適用拡大が求められている。

特許文献１には、製鋼用電気炉を用いた低リン溶鉄の製造方法として、溶鉄温度を１５００℃以上として製鋼用電気炉により生成されるスラグにおいて、その組成により前記溶鉄温度での固相率及び粘性が大きく変化することに着目し、固体鉄源と、任意選択的に溶鉄源とを装入し、電気エネルギーを用いてそれら原料の溶解時に生成したスラグの一部またはすべてを排滓し、その後脱リンフラックスを添加して脱リン処理を行う工程において、前記排滓するスラグ組成質量比ＣａＯ／（ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３）を０．２５以上０．７０以下の範囲内に調整する方法が開示されている。これにより、溶鉄の低リン化に要する石灰原単位を低減し、効率的に製鋼用電気炉で低リン溶鉄を製造することができるとしている。

電気炉の主要な原料であるスクラップ中には、Ｃｕをはじめとするトランプエレメントを含有しており、トランプエレメントは電気炉での溶解精錬で除去されずに鋼中に含有され、自動車用鋼板の製造に適しない。電気炉での高級鋼製造には、これらトランプエレメントの含有量が少ない良質な鉄源が必要であるが、良質なスクラップは資源量に限りがある。そのため、鉄源として還元鉄や銑鉄（型銑や溶銑）を活用することにより、スクラップの使用量を削減する必要がある。また、昨今の電気自動車の普及等から、モーターに用いられる電磁鋼由来のスクラップを用いる必要性も増している。

国際公開ＷＯ２０２２／０５４５５５号

電磁鋼屑のような鉄源を用いると、一般的なスクラップに比べて鉄源中に含まれるＳｉ、Ａｌ含有量が多いため、これらが酸化して生じるＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３等の生成によってスラグ量が増大する。また還元鉄中にはＣａＯ、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３等が多く含まれている。鉄源を主にアークによって加熱溶解する際、特にＳｉＯ_２等の酸化物生成量が多い場合、多量のスラグによって耐火物の損耗が生じやすい課題がある。そのため、従来の操業形態のままでは多量のスラグによって炉壁等に用いられる耐火物の化学的溶損が悪化する問題があった。また、生産性を高めようと投入電力を増やそうとすると、アークの輻射熱によって耐火物が溶損するため、アーク出力の強化に伴って耐火物の熱的溶損が生じる課題がある。一方でアーク出力を抑えると、溶解に時間を要し、生産性が低下することとなる。

本発明は、電気炉を用いた鉄源の溶解精錬において、鉄源に起因するＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３等の生成によってスラグ量が増大しても耐火物の溶損を抑止することができ、またアーク出力を強化しても耐火物の溶損を抑止することのできる、鉄源の溶解精錬方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
［１］電気炉を用いた鉄源の溶解精錬において、
電気炉内に投入した鉄源を加熱、溶解する第一工程と、
第一工程で生じたスラグの一部または全部を排出する第二工程と、
温度および成分を調整する第三工程と、
排滓、出湯する第四工程を含み、
前記第一工程の終点においてスラグ中のＭｇＯ濃度（Ｍ）が下記（１）式を満たすことを特徴とする鉄源の溶解精錬方法。

（１）式において、Ｃ，Ｓ，Ａ，Ｍは各々、スラグ中の質量基準でのＣａＯ濃度（Ｃ）、ＳｉＯ_２濃度（Ｓ）、Ａｌ_２Ｏ_３濃度（Ａ）、ＭｇＯ濃度（Ｍ）を示す。
［２］前記第三工程の終点において、スラグ中のＭｇＯ濃度（Ｍ）が前記（１）式を満たすことを特徴とする［１］に記載の鉄源の溶解精錬方法。
［３］前記第三工程の終点において、スラグ組成が下記（２）式を満たすことを特徴とする［１］又は［２］に記載の鉄源の溶解精錬方法。
Ｃ／（Ｓ＋０．５Ａ）≧０．８ … （２）
（２）式において、Ｃ，Ｓ，Ａは前記（１）式と同様である。

本発明は、電気炉を用いた鉄源の溶解精錬において、電気炉内に投入した鉄源を加熱、溶解する第一工程の終点においてスラグ中のＭｇＯ濃度（Ｍ）が上記（１）式を満たすことにより、耐火物の溶損を抑止することができる。

本発明の電気炉を用いた鉄源の溶解精錬においては、電気炉内に投入した鉄源を加熱、溶解する第一工程と、第一工程で生じたスラグの一部または全部を排出する第二工程と、温度および成分を調整する第三工程と、排滓、出湯する第四工程を含んでいる。

電気炉内に投入した鉄源を加熱、溶解する第一工程においては、電気炉内に鉄源としてのスクラップ、還元鉄、銑鉄（型銑や溶銑）を装入した上で、アーク加熱によって固体鉄源を溶解する。鉄スクラップ中には酸化されやすい合金成分としてＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ａｌなどを含有している。特に電磁鋼は高濃度でＳｉを含有している。還元鉄中にはＣａＯ、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３を含有しており、銑鉄中にはＳｉを含有している。鉄源中のＦｅ以外の酸化されやすい金属成分は、固体鉄源の溶解中に電気炉内に供給される酸素によって酸化され、鉄源中の酸化物成分とともに、スラグを形成する。

第一工程で鉄源の溶解が完了すると、次の第二工程において、第一工程で生じたスラグの一部または全部を排出する。これにより、引き続き行う第三工程において、溶鉄の温度および成分を調整するに際し、精錬に適切なスラグの形成が容易になる。第三工程で溶鉄の温度と成分が目標値になるように精錬を行い、その後第四工程において排滓、出湯を行う。

第一工程～第四工程のうち、第一工程は時間が長く、また固体鉄源を溶解するためにアークの出力が最も高いため、電気炉耐火物の溶損が最も進行するのは第一工程においてである。

第一工程において、鉄源由来のＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の生成量は、鉄源の種類別の配合比率によって異なるが、合計３ｋｇ／ｔ以上である。特に、鉄源として電磁鋼スクラップ、還元鉄、銑鉄を高い比率で用いた場合、鉄源由来のＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の生成量が多くなる。

電気炉の塩基性耐火物の溶損を低減する目的で、電気炉内にＭｇＯ源を添加し、スラグ中のＭｇＯ含有量を増大させる方法が知られている。ただし、本発明のように第１工程～第四工程を経る鉄源の溶解精錬において、第一工程、第三工程それぞれ、スラグ中のＭｇＯ濃度をどの程度とすると好適なのか、知られていなかった。

そこでまず、種々のスラグ組成において、ＭｇＯが溶解する最大ＭｇＯ濃度（以下「溶解限ＭｇＯ濃度」という。）について、１６００℃、（ＦｅＯ）３０％時の値をｓｏｌｇａｓｍｉｘ（多元平衡解析計算プログラム）で推定することを試みた。溶解限ＭｇＯ濃度は、スラグ中のＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の濃度によって変動する。まずは、Ａｌ_２Ｏ_３濃度が変動しても溶解限ＭｇＯ濃度が一定に保たれる、スラグ組成のパラメータを探索した。以下、スラグ中の質量基準でのＣａＯ濃度をＣ、ＳｉＯ_２濃度をＳ、Ａｌ_２Ｏ_３濃度をＡ、ＭｇＯ濃度をＭとして示す。

その結果、
塩基度Ｂ＝Ｃ／（Ｓ＋０．５Ａ） （３）
の値が一定であれば、Ａｌ_２Ｏ_３濃度（Ａ）が０～２０％の範囲で変動しても、塩基度Ｂに対する溶解限ＭｇＯ濃度が一定に保たれることが判明した。そこで以下、上記（３）式の塩基度Ｂを指標として検討を進めることとした。

塩基度Ｂと溶解限ＭｇＯ濃度との関係をｓｏｌｇａｓｍｉｘを用いて調査したところ、溶解限ＭｇＯ濃度の値は、「塩基度Ｂ＋１」に反比例して増大することが明らかとなった。そこで次に、
Ｐ＝（Ｂ＋１）^－１ （４）
を指標として、実際の電気炉操業において、第一工程のスラグ組成から計算したパラメータＰの値ごとに、耐火物溶損を抑制することのできる最低のスラグ中ＭｇＯ濃度（Ｍ）の評価を行った。その結果、
８×Ｐ≦Ｍ （５）
を満足するスラグ中ＭｇＯ濃度（Ｍ）を確保すれば、耐火物溶損を抑制することができることが明らかとなった。

電気炉での製錬工程、特に第一工程のようにアーク加熱の出力が大きくかつ処理時間が長い工程においては、アークによる耐火物の熱的溶損を低減するため、スラグをフォーミングさせてアークをスラグで覆うことが有効である。ところが、スラグ中のＭｇＯ濃度が高すぎると、スラグのフォーミングを抑制することとなり、アークが露出して耐火物の熱的溶損が進行することが判明した。そこで、同じく上記パラメータＰごとに、スラグのフォーミング抑制を防止してアークの露出を防止することができる、最大のスラグ中ＭｇＯ濃度（Ｍ）の評価を行った。その結果、
Ｍ≦６０×Ｐ （６）
を満足するスラグ中ＭｇＯ濃度（Ｍ）を保持すれば、フォーミング抑制を防止して耐火物溶損を抑制できることが明らかとなった。

そこで、上記（５）式と（６）式をまとめて一つの不等式とし、さらに（４）式と（３）式を代入することにより、以下の（１）式を導くことができた。

（１）式において、Ｃ，Ｓ，Ａ，Ｍは各々、スラグ中の質量基準でのＣａＯ濃度（Ｃ）、ＳｉＯ_２濃度（Ｓ）、Ａｌ_２Ｏ_３濃度（Ａ）、ＭｇＯ濃度（Ｍ）を示す。

（１）式左辺の係数を８としているが、係数が１０であるとより好ましい。係数が１２であるとさらに好ましい。また（１）式右辺の係数を６０としているが、係数が５２であるとより好ましい。係数が４５であるとさらに好ましい。

なお、第一工程において、前記（３）式で定めるスラグ組成のＢ＝Ｃ／（Ｓ＋０．５Ａ）の値に制限はないが、Ｂの値が０．３～３．０の範囲内にあれば、上記（１）式を満たすこととあいまって、フォーミング抑制を防止してアークの露出を防止し、耐火物溶損を十分に抑制することができるので好ましい。

本発明により、第一工程においてアークがスラグに被覆されているので、アークの出力を上げることが可能となり、高速にアーク溶解を行って第一工程を短縮できる。そのため第三工程の精錬時間を確保することが可能となり、第三工程における脱Ｐ精錬も十分に促進することができる。

第一工程における鉄源投入は、連続的に行うこととしても良い。これにより、スラグ組成制御がよりやりやすくなる。

本発明の鉄源の溶解精錬方法では、第一工程での鉄源の加熱、溶解を行った後、第二工程でスラグを排出し、第三工程で溶鉄の温度および成分の調整を行う。第三工程は、第一工程に比較して処理時間が短い場合が多く、また固体鉄源の溶解が伴わないのでアークの発熱量も第一工程より少ない。そのため、電気炉の耐火物に対するアタックも、第三工程は第一工程に比較すると激しくはないが、第三工程においても耐火物の溶損対策を行うことは効果を発揮する。そして第三工程においても、第一工程と同様、第三工程の終点において、スラグ中のＭｇＯ濃度（Ｍ）が前記（１）式を満たすことにより、好適な結果を得ることができる。第三工程の終点におけるスラグ中のＭｇＯ濃度（Ｍ）が（１）式左辺より大きい値を取ることにより、耐火物の損耗度合いを低減することができる。また、ＭｇＯ濃度（Ｍ）が（１）式右辺より小さい値を取ることにより、スラグが適度にフォーミングしてアークの露出を防止し、耐火物の損耗度合いを低減することができる。

第三工程においても、（１）式左辺の係数が１０であるとより好ましい。係数が１２であるとさらに好ましい。また（１）式右辺の係数が５２であるとより好ましい。係数が４５であるとさらに好ましい。

第三工程で実施する溶鉄の成分調整については、単純に合金成分を添加することによる成分調整のみの場合もあるが、溶鉄の脱Ｐ精錬を目的とする場合もある。第三工程でのスラグに脱Ｐ能力を持たせ、酸化精錬を行うことによって溶鉄中のＰ濃度の低減を図る。本発明では、前記（３）式で定義した塩基度Ｂ＝Ｃ／（Ｓ＋０．５Ａ）を指標として、前記第三工程の終点において、スラグ組成が
Ｂ＝Ｃ／（Ｓ＋０．５Ａ）≧０．８ … （２）
を満たすことにより、第三工程で良好な脱Ｐ精錬を行うことができる。（２）式において、Ｃ，Ｓ，Ａは前記（１）式と同様である。Ｂ≧１．０であるとより好ましい。塩基度Ｂの上限は特に定めないが、Ｂ≦４．５とすれば、過飽和となるＣａＯの量を抑えることができ、好ましい。

なお、排滓に際しては炉内のスラグが炉外に排出できれば任意の操作方法を用いてよく、例えば排滓中にアーク加熱や炉体傾動等の操作を行うか否かは任意に選択できる。また、第一工程において加熱、溶解と並行してスラグを流出させてもよい。第三工程において温度および成分調整と並行してスラグを流出させてもよい。

溶鉄量が１７５トンのアーク電気炉を用い、本発明の鉄源の溶解精錬方法を実施した。製造した１７５トンの溶鉄のうち、１１０トンを出鋼し、６５トンを電気炉内に残して次ヒートの種湯とした。鉄源として、前記種湯に加えて固体鉄源としてスクラップと還元鉄を使用した。固体鉄源に占める還元鉄の割合は５０％とした。還元鉄中のＣａＯ濃度は１質量％、ＳｉＯ_２濃度は２質量％、Ａｌ_２Ｏ_３濃度は０．５質量％程度であった。

電気炉内に投入した鉄源をアーク加熱によって溶解する第一工程と、第一工程で生じたスラグの一部または全部を排出する第二工程と、温度および成分を調整する第三工程と、排滓、出湯する第四工程をこの順番で実施した。

第一工程で生成するスラグ成分のうち、ＣａＯ源としては還元鉄中のＣａＯ源に加えて生石灰を添加し、ＳｉＯ_２源としては還元鉄中のＳｉＯ_２、スクラップ中のＳｉが酸化して生成するＳｉＯ_２源に加えて必要に応じて珪石やＦｅＳｉ合金を添加し、Ａｌ_２Ｏ_３源として還元鉄中のＡｌ_２Ｏ_３、スクラップ中のＡｌが酸化して生成するＡｌ_２Ｏ_３源に加えて必要に応じてアルミドロスやアルミナ煉瓦屑、ボーキサイトを添加した。ＭｇＯ源としては軽焼マグネシアを添加した。

第一工程での溶解が完了した後、第二工程において、第一工程で生じたスラグのうちの３０～７０％を排出した。

続く第三工程においては、電気炉内に残存するスラグに加えて、必要に応じてＣａＯ源として生石灰、ＭｇＯ源として軽焼マグネシアを添加し、酸化精錬によって脱Ｐ精錬を行った。脱Ｐ精錬終了後、第四工程として、第三工程で生じたスラグのうちの７０～９０％を排出し、溶鉄１７５トンのうち１１０トンを出鋼した。炉内に残存した６５トンの溶鉄は次ヒートの種湯とした。

第一工程終点と第三工程終点の電気炉内スラグサンプルを採取し、スラグ成分を分析した。スラグ中の質量基準でのＣａＯ濃度（Ｃ）、ＳｉＯ_２濃度（Ｓ）、Ａｌ_２Ｏ_３濃度（Ａ）を、それぞれＣ，Ｓ，Ａとして、表１の「Ｃ／（Ｓ＋０．５Ａ）」欄およびＭｇＯ欄に結果を記載した。表１には、上記分析値を用いて算出した（１）式左辺と（１）式右辺の値も記入している。

表１に各実施例のスラグ組成および評価結果を示す。本発明範囲から外れる数値に下線を付している。

表１に示す各水準の操業条件を連続して１００ヒート実施した。

耐火物損耗速度指標については、溶解終了時の湯面高さでの耐火物残寸を測定し、１００ヒートでの変化を下記基準で評点付けした。
◎ ：平均０．１ｍｍ／ヒート以下
〇 ：平均０．１ｍｍ／ヒート以上 ０．５ｍｍ／ヒート未満
× ：平均０．５ｍｍ／ヒート以上

脱Ｐ指数については、
Ｗ_P_in＝種湯中のＰ量＋鉄源中のＰ持ち込み量
Ｗ_P_out＝精錬終了時点での溶鉄中Ｐ量
を評価した上で、
脱Ｐ率＝（Ｗ_P_in－Ｗ_P_out）／Ｗ_P_in×１００
として脱Ｐ指数（％）を算出した。１００ヒートでの脱Ｐ率の平均値を下記基準で評点付けした。
○ ：７０％以上
△ ：３０％以上７０％未満
× ：３０％未満

総合評点を以下の基準で評価した。
◎ ：耐火物損耗速度指標◎、かつ、脱Ｐ指数○
〇 ：耐火物損耗速度指標○、かつ、脱Ｐ指数○
または 耐火物損耗速度指標◎、かつ、脱Ｐ指数△
× ：耐火物損耗速度指標×

表１の本発明例１～１１が本発明例であり、比較例１、２が比較例である。

本発明例１～１１はいずれも、第一工程のスラグＭｇＯ含有量が本発明範囲に入っており、耐火物損耗速度指数は◎または○であって良好であった。本発明例１、３、４、６～１１は第三工程でのスラグ中ＭｇＯ含有量も本発明の好適範囲を満たしており、耐火物損耗速度指数が◎であった。本発明例９は、第三工程でのスラグ「Ｃ／（Ｓ＋０．５Ａ）」が本発明の好適範囲を満たしていないことから、第三工程での脱Ｐ能力が十分ではなく、脱Ｐ指数が△であった。

比較例１は第一工程のスラグＭｇＯ含有量が本発明範囲を上限に外れ、比較例２は第一工程のスラグＭｇＯ含有量が本発明範囲を下限に外れ、いずれも耐火物損耗速度指標が×であった。

Claims (3)

1. 電気炉を用いた鉄源の溶解精錬において、
   電気炉内に投入した鉄源を加熱、溶解する第一工程と、
   第一工程で生じたスラグの一部または全部を排出する第二工程と、
   温度および成分を調整する第三工程と、
   排滓、出湯する第四工程を含み、
   前記第一工程の終点においてスラグ中のＭｇＯ濃度（Ｍ）が下記（１）式を満たすことを特徴とする鉄源の溶解精錬方法。
   

   

   
   （１）式において、Ｃ，Ｓ，Ａ，Ｍは各々、スラグ中の質量基準でのＣａＯ濃度（Ｃ）、ＳｉＯ_２濃度（Ｓ）、Ａｌ_２Ｏ_３濃度（Ａ）、ＭｇＯ濃度（Ｍ）を示す。
2. 前記第三工程の終点において、スラグ中のＭｇＯ濃度（Ｍ）が前記（１）式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の鉄源の溶解精錬方法。
3. 前記第三工程の終点において、スラグ組成が下記（２）式を満たすことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鉄源の溶解精錬方法。
   Ｃ／（Ｓ＋０．５Ａ）≧０．８ … （２）
   （２）式において、Ｃ，Ｓ，Ａは前記（１）式と同様である。