JP3577365B2 - 溶銑の予備処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶銑予備処理時の温度降下を低減し、転炉吹錬時の熱的余裕度を向上させるための溶銑を製造する溶銑予備処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
転炉等で行われる精錬処理に際して、これに先立って高炉溶銑成分や溶製鋼種の成分組成に対応した溶銑予備処理が一般に実施されている。こうした溶銑予備処理の主たる目的は、脱珪・脱燐・脱硫の予備処理精錬処理にあるが、その他予備処理工程でＭｎ鉱石を添加して銑成分を調整することも行われており、これらの結果として転炉での精錬負荷並びに成分調整負荷を軽減することができ、転炉では専ら脱炭反応を進行せしめることができる。
【０００３】
すなわち転炉精錬を実施するまでに脱燐等の処理がほぼ完了しているので転炉では、脱燐フラックス等の精錬剤の添加が殆ど不必要となり、また予備処理工程でＭｎ鉱石を添加して溶銑中のＭｎ量を高めることができるので転炉では、高価なＭｎ系合金鉄の添加を極力少なくすることができ、これらの結果、転炉精錬コストが大幅に低減するという経済効果を得ることができる。
こうした要求を解決する技術として、たとえば特開平２−２２８４１２等に溶銑予備処理時に、脱燐剤と炭材を混合して溶銑中に吹き込み、処理中に溶銑炭素濃度低下を低減する方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように溶銑予備処理は多くの利益をもたらすものであるが、その一方溶銑予備処理過程では、溶銑中珪素（以下Ｓｉと記す）や溶銑中炭素（以下Ｃと記す）が消費されて、これらの含有量が低下し過ぎるきらいがあり、転炉における熱源不足の原因の一つとなっている。
そこで熱源不足を補うために、転炉精錬における溶銑配合率を高めたり（溶銑の顕熱は重量な熱源の一つである）、昇熱用炭素源を添加する等の対応がとられている。
【０００５】
しかるに転炉操業において溶銑配合率を高めるとその分だけ、スクラップ等の投入量が制限されることになり、いわゆるリターンスクラップバランスが崩れて生産能力が低下するという問題が発生する。また転炉における昇熱用炭素源の添加は、炭素源中に不純物としてふくまれる硫黄（以下Ｓと記す）の混入をまねき、吹止め鋼中のＳ濃度が高くなる等の問題をひきおこす。
さらに予備処理工程におけるＭｎ鉱石の添加は、溶銑温度の低下を招いて溶銑配合率を一層高めなければならない要因となっており、また添加されたＭｎ鉱石を予備処理工程で還元する際に、ＳｉやＣが酸化消費されて熱源成分残存量を一層低下させていることも事実である。
【０００６】
また、溶銑予備処理中に脱燐剤と炭材を混合して吹き込む方法は、炭材と脱燐剤にふくまれる酸素含有物（酸化鉄あるいはスケールあるいは酸素ガス）が、同一の羽口から吹き込まれることにより、吐出直後の羽口近傍での炭材と酸素が反応し、炭材の歩留低下および炭材燃焼による局所的な発熱による羽口近傍の耐火物溶損が著しく低下するという課題があった。
一方酸素との反応により発生した熱の大部分は、ＣＯガス気泡にとじこめられて、溶銑に着熱することなく系外にすてられてしまうという、経済的な無駄が避けられないという課題があった。
【０００７】
さらに、吹き込まれた炭材のうち飽和Ｃを越えた分、あるいは未反応のまま浮上してスラグ中に懸濁した炭材は、スラグ中にキッシュグラファイト、あるいは炭材粉としてスラグ中に浮遊・懸濁することとなり、脱燐反応生成物（燐酸化物）としてスラグ中に捕捉されていた燐酸化物を還元してしまう結果、復燐が助長され、脱燐効率を悪化させていた。
また、スラグ中の懸濁したグラファイトは、スラグ処理に際して環境問題を引き起こすという課題もあった。
本発明はこうした事情に着目してなされたものであって、熱源を十分に含有する予備処理溶銑の生産方法を開発することによって転炉精錬における上記問題点を解決するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、溶銑の予備処理として脱燐処理を行うにあたり、脱燐処理中の生成スラグ中に炭素源を添加すると共に、フォーミングしたスラグを収容可能な反応槽内においてスラグ中に酸素源を吹き込んで前記炭素源を燃焼させることを特徴とする溶銑の予備処理方法によって達成される。
また上記目的は、溶銑の予備処理として脱燐処理を行うにあたり、脱燐処理中の溶銑および生成スラグ中に炭素源を添加すると共に、フォーミングしたスラグを収容可能な反応槽内においてスラグ中に酸素源を吹き込んで前記炭素源を燃焼させることを特徴とする溶銑の予備処理方法によって達成される。
【０００９】
【作用】
溶銑中のＣ濃度は飽和点に近く、そのため従来は溶銑中への炭素源の添加は困難であると考えられていた。また精錬に対する従来の常識では、炭素源は還元性材料であり、これを溶銑予備処理時、特に脱燐処理時あるいは脱燐処理後に添加すれば酸化反応である脱燐反応が阻害され、あるいは復燐反応がおこって脱燐性能が低下すると考えられていた。
このような現状のなかで、たとえば特開平２−２２８４１２号等において、溶銑中に炭材を脱燐剤と混合して吹き込む溶銑予備処理方法が開示されているが、上記課題で記述した理由により実操業への適用には大きな技術的課題があった。
【００１０】
こうした状況の中で、本発明者らは、前記課題について、種々の改善検討を実施した結果、予備処理時に溶銑中に炭材を吹き込むだけの前記方法では、課題解決方法がなく、操業への適用は困難であるとの結論を得るに至った。
そこで、本発明者らは、予備処理時の熱源確保という観点から、溶銑中にＣを供給するという従来の考え方に対して、発想の転換をはかり、処理中の温度低下を防止するという観点で鋭意検討を重ねた結果、スラグ中の酸素ポテンシャル低下を引き起こさなければ、スラグ中に炭素源が存在しても復燐反応をおこさずに操業が可能であるという知見を得た。
【００１１】
すなわちスラグ中に炭材が存在した場合の復燐メカニズムは以下の二段階のステップですすむことが熱力学的に証明されている。
▲１▼スラグ中のＦｅＯが炭素（炭材）により還元される
ＦｅＯ＋Ｃ＝Ｆｅ＋ＣＯ
▲２▼スラグ中のＦｅＯが還元され、低減したことによりスラグ中の酸素ポテンシャルが低減し、燐分配が悪化した結果、復燐が発生する。
Ｐ_２ Ｏ_５ ＝２Ｐ＋５Ｏ
【００１２】
実操業時において、スラグ中に炭素が存在した場合に復燐するように観察されるが、熱力学上は、スラグ中のＰ_２ Ｏ_５ がＣで直接還元される、
Ｐ_２ Ｏ_５ ＋５Ｃ＝２Ｐ＋５ＣＯ
という反応は起こりえない。したがって、本発明者らは、スラグ中におけるＣの存在によるＦｅＯの低下を抑制すれば、スラグ中にＣが存在しても復燐反応は起こらないという考えの基に、積極的にスラグ中に炭素源を供給し、その炭素源をスラグ中で燃焼させて溶銑に着熱させることにより、処理中の溶銑温度低下抑制方法を発明した。
【００１３】
以下本発明方法をさらに詳細に説明する。
すなわち本発明の第１の方法では、溶銑の予備処理として脱燐処理を行うにあたり、脱燐処理中の生成スラグ中に炭素源を添加すると共に、スラグ中に酸素源を吹き込んで前記炭素源を燃焼させて、その燃焼熱を溶銑に着熱させるものである。前述したように、スラグ中に炭素が存在する場合は、見かけ上スラグ中に存在する炭素により燐酸化物が還元されて復燐が発生する。しかし、そのメカニズムは炭素によるＦｅＯ還元が直接原因であり、その結果としてスラグ中酸素ポテンシャルが低下することにより復燐が発生しているものである。
【００１４】
本発明者等は、元来スラグ中に粒鉄分（以下メタリックＦｅ：Ｍ−Ｆｅ）が約１０％程度存在していることに着目し、そのＭ−Ｆｅに酸素源を供給して炭素によるＦｅＯ還元量以上のＦｅＯ量を生成させることにより、結果としてＦｅＯ還元を防止できることを発見した。
図１にスラグ中に炭素源（コークス）と酸素源（酸素ガス）を供給した場合のスラグ酸素ポテンシャルの調査結果を示す。化学量論的等価のコークスと酸素を供給しているにもかかわらず、スラグ中のＦｅＯが増加し、一方スラグ中のＭ−Ｆｅが低減しており、Ｍ−Ｆｅ酸化により、もともとスラグ中に存在したＦｅＯが還元される以上の量のＭ−Ｆｅ酸化によるＦｅＯ供給（酸素ポテンシャル向上）が可能であることが判明した。
したがって、スラグ中に炭素源を供給すると共に、スラグ中に酸素源を吹き込むことにより、脱燐の悪化なしに炭素源の燃焼が可能となり、溶銑への着熱が得られる。
【００１５】
第２の方法は、従来の方法では、Ｃ飽和によるスラグ中へのグラファイト析出の課題があり、飽和まで溶銑中にＣを吹き込むことが不可能であった。しかし本発明では、スラグ中への供給酸素量を適当な量として設定することにより、スラグ中に析出することの懸念なしに、溶銑中に飽和するまでＣを吹き込むことが可能となる。
さらに、スラグ中への供給酸素量および吹き込み条件を適当な条件とすることにより、スラグ中への酸素供給をＭ−ＦｅおよびスラグへのＣ供給量より十分大きな値とすることにより、溶銑中の脱炭を促進し、脱炭分を溶銑中に吹き込んで供給することにより、溶銑Ｃの低下なしにＣ燃焼による温度上昇をえることが可能となり、第１の方法をさらに効果的なものとすることができる。
【００１６】
上記方法は、Ｃ燃焼により多量のＣＯガスが発生することから、スラグ中をＣＯガスが通過する際にスラグのフォーミングを引き起こす。その防止策として、フォーミングしたスラグを収容可能な反応槽を使用することが必要であり、本発明にかかる予備処理方法実施の際は、溶銑鍋に払い出された溶銑中にフリーボードを浸漬した反応容器あるいは、転炉を使用することが必要である。
該反応容器に混銑車を使用した場合も本発明法にかかるスラグ中への炭素源と酸素源の供給による溶銑への熱付与が可能であるが、送酸速度低下等のフォーミング対策が必要である。
【００１７】
また前記炭素源としては、炭素含有量が高いほど効率および炭素供給速度を早くできるという点で、コークスまたは石炭であることが望ましい。粒径は、細粒であるほど反応速度が早くなり、反応効率が向上すると言う点で、例えば最大粒径５ｍｍといった粒径の細かいものほど望ましい。
さらに前記酸素源としては、反応的には純酸素がもっとも望ましい。あるいはスラグ中への酸素源供給ノズル近傍または耐火物の溶損等の状況により、冷却用希釈ガスとして、窒素ガスを混合した酸素ガスと窒素ガスを主成分とする混合ガスが望ましい（空気も含む）。窒素ガスの配合割合は、ノズル材質・構造（水冷または冷却なし等）の必要冷却能力により、適正な配合を選択することが必要である。
【００１８】
【実施例】
表１および表２に示す成分組成ならびに温度の溶銑に対し、表記の条件で脱燐処理をおこない、処理後の溶銑成分・温度を調べたところ、表１、表２に示す結果が得られた。
従来に比較し、スラグ中へ炭材を添加し、酸素源によりスラグ中で燃焼させることにより、発生した熱を溶銑に着熱させて処理中の温度降下を低減し、結果的に処理後温度の向上・転炉での熱裕度向上を実現できた。その際の燃焼熱量の溶銑への着熱比率は、図２に示すように約２０から７０％であった。
ただし、スラグへの純炭素換算供給量は、下記のように定義する。

【００１９】
【表１】

【００２０】
【表２】

【００２１】
炭材燃焼用ガスの吹き込み用は、その含有する酸素分に換算して、下記（１）式に示すスラグ中への炭素純分（炭材量×Ｃ含有率）を燃焼するに等価な量が適当であるが、（１）式で計算される量に対して＋１００％〜−４０％までは本方法が適用可能である。
＋１００％を越えて酸素を供給すると、投入した炭素分がＣＯ_２ まで完全燃焼してもなお余剰となる酸素が発生することとなり、結果的に鉄酸化に消費されることとなるために、鉄歩留の悪化を招く。
一方−４０％以下では、スラグ中にＣ分が残留し、キッシュグラファイト析出によりスラグ処理ができない等の操業に重大な影響を及ぼすことから不適当である。
Ｃ＋Ｏ＝ＣＯ ・・・（１）
【００２２】
（１）式をもとに算出され、上記範囲に示された範囲の酸素量を供給して操業した結果、従来の溶銑中に炭素源を添加した際に課題となっていたスラグへのキッシュグラファイト析出の発生も全くなく、脱燐スラグの処置も従来方法を変更する必要はなかった。
炭材燃焼用ガスの供給は、上吹でスラグ中にガスを供給する方法、または脱燐剤インジェクション法においては、インジェクションランスのスラグ位置にガス吹き込み用ノズルを新たに設置して、スラグ中にガスを吹き込む方法または、炭材燃焼用ガス専用のランスをガス吐出ノズルの位置がスラグ位置になるように設置する方法のいずれか、または２つ以上の方法を組み合わせて実施してもよい。
【００２３】
また、フリーボードを使用することにより、スラグ中での炭素源燃焼の際発生するＣＯガスによるスラグフォーミングによる操業への影響なしに実施することが可能となった。転炉を使用した際には、その特性である大きな炉内フリーボードの機能を十分活用できるため、さらに安定した操業が実現できる。
表１，２の実施例では炭素源として粉コークスのみを表記したが、石炭を使用しても同等の効果が得られる。また、使用する炭素源の粒度は、集塵系に飛散することによるロスのない範囲で、細粒であるほど反応効率が向上、あるいは反応速度向上の効果が得られる。
【００２４】
また、スラグ中炭素源燃焼に使用するガスとしては、酸素ガスあるいは酸素ガスと窒素ガスの混合ガスが望ましいが、その中の窒素ガスは酸素ガスの希釈ガスとしての役割をはたしており、炭素と反応せずに火点近傍の冷却を実現するためであるならば、窒素ガスに代替して例えばＡｒやＣＯ_２ ガスを使用することにより同等の効果が得られる。ただし、ガスコスト上昇を引き起こすため、工業生産的には窒素ガスが最も望ましい。
本発明法における予備処理方法は、表１，２で示すが如く脱燐処理の前に脱硅処理を行う場合のみならず、脱燐処理の前に脱硅処理を行いかつ脱燐処理の前、あるいは後に脱硫処理を行う場合においても適用可能である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、以上のような手段をとるものであり、製鋼工程における熱源（溶銑予備処理後の温度）向上を実現した結果、転炉におけるＭｎ鉱石投入量増大による吹止Ｍｎ向上と、高価なＦｅ−Ｍｎ合金鉄使用量削減という点で、多大な経済的効果を得ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】スラグ中に炭素源と酸素源を供給した際のスラグ酸素ポテンシャルを示す図
【図２】スラグへの炭素供給量と処理中温度降下低減代を示す図

Claims (2)

1. 溶銑の予備処理として脱燐処理を行うにあたり、脱燐処理中の生成スラグ中に炭素源を添加すると共に、フォーミングしたスラグを収容可能な反応槽内においてスラグ中に酸素源を吹き込んで前記炭素源を燃焼させることを特徴とする溶銑の予備処理方法。
2. 溶銑の予備処理として脱燐処理を行うにあたり、脱燐処理中の溶銑および生成スラグ中に炭素源を添加すると共に、フォーミングしたスラグを収容可能な反応槽内においてスラグ中に酸素源を吹き込んで前記炭素源を燃焼させることを特徴とする溶銑の予備処理方法。

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