JP3699658B2 - 溶銑の脱珪・脱りん方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として高炉溶銑を原料とする鉄鋼の効率的な精錬方法、特に、少ない設備費で全量安定処理可能な効率的な溶銑中の珪素、りんの除去工程に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
鉄鋼鋼材利用環境厳格化に対応するための高純度化、価格競争に伴う製造コスト削減の目的で、溶銑を主たる原料とする鉄鋼製造プロセスにおいては溶銑予備処理技術が発展して来ている。一方、精錬時に発生する副産物であるスラグはその利用先が限定的であることからその処理方法が問題となっている。
【０００３】
溶銑に含まれる不純物元素である珪素、りん、硫黄、炭素の除去は、夫々目的とする元素特有の物理化学的条件で分割して精錬・除去するのが反応の上では望ましいが、実操業においては、多段分割精錬を行うと、移し替えに伴う熱エネルギー、鉄歩留のロス増加、或いは精錬設備費用増加というマイナス面もあるので、トータルでの効率を考えた場合にはある程度の離合・集散に配慮したプロセスが種々提案されている。
【０００４】
特開平2-47212 号公報には、脱珪処理と脱りん処理を同時に行う方法が記載されている。この方法を利用すれば、脱りん処理に先立って必要とされていた脱珪処理が省略され、同一プロセスで可能となり、かつ、脱珪反応に伴う発熱をスクラップ溶解に使える、という利点があるが、これを行うためには大きな反応容器の容積が必要となる。即ち、脱珪と脱りんを同時に行わせるためには酸素供給速度を高める必要があるが、そうすると必然として脱炭反応に伴うCOガス発生量が増大するのでスラグフォーミングが著しくなり、スロッピングを助長し、操業安定性に欠けることがある。また、これを避けるためには大きな反応容器を必要とし、新設の場合には設備費用が高価となる。
【０００５】
一方、脱珪や脱りん処理におけるフォーミング防止方法については従来より種々提案されており、その中でコークス粉等の炭材添加が効果的であることは良く知られている。例えば、特開平5-287347号公報、あるいは特開平5-287348号公報には、トーピードカー処理におけるフォーミング抑制方法として、炭材の吹込み方法が提案されている。しかし、酸化精錬である脱珪・脱りん処理において還元材である炭材を使用することは珪素、りんの酸化に必要なスラグ中のFeO を還元するので、反応効率を落とし、本末転倒である。また、特開平11-193414 号公報にある様に、そもそも空間容積の大きな転炉を反応容器に使うという発想もあるが、この場合にも、炉口部を中心に溶銑、スラグが付着し、実質的な空間容積を縮小するので、望ましく無い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
反応容器として転炉を用いること自体はトーピードカーや鍋を使用するのに比べてスラグフォーミングによる体積増加、スロッピング増という問題に対しては耐性が高いが、大きな内容積を持つ転炉容器を新設するには設備費用が高くなる。あるいは溶銑装入量を制限して精錬を行う必要があるがスロッピングによる生産障害は少なくなるものの、生産性を落とすという問題がある。一方、少ない設備費用で多量の溶銑処理を行う上では、従来、転炉吹錬用として利用していた転炉を利用することは空間容積確保の点で有利ではあるが、これは、転炉吹錬容器が不足して生産量を確保するのが困難となる。
【０００７】
また、酸化精錬である脱珪や脱りん処理においてフォーミング抑制の為に炭材を添加する方法では、スラグの還元が進行し、スラグ−溶銑界面での脱りん反応に必要なFeO が不足し、脱りん効率を悪化させる。
従って、脱珪処理と脱りん処理を一つの反応容器で同時に行い、しかも設備費用の少ない、フォーミングによる問題が無く、しかも、生産性の高いプロセスを提供することが本発明の目的である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）CaO源と酸素源を添加し、溶銑の脱珪脱りん処理を行うに際し、粒径５mm未満のCaO 源を使用し、精錬後、下式で定義するスラグ塩基度が1.2 以上、2.5 未満となる様にCaO 源を添加することにより、スラグの液相率を低下させてフォーミングを抑制し、溶銑上の空間容積を溶銑１ｔ当たり 0.20m ^３ /t 以上、 0.6m ^３ / ｔ以下としたことを特徴とする溶銑の脱珪・脱りん方法。
スラグ塩基度＝（補正CaO 重量濃度）／（SiO_２重量濃度） （１）
（補正CaO 重量濃度）＝（全CaO 重量濃度）−（フリーライム重量濃度）（２）
【０００９】
即ち、本発明は、最近一般に行われている生石灰系フラックスによる溶銑の酸化脱りん処理を脱珪処理と同時に行って事前脱珪処理を省略するための方法として酸素供給速度を0.5Nm^３/t/min〜1.7Nm^３/t/minとするが、一般的に、0.5Nm^３/t/min未満では同時脱珪脱りんは困難となり、更に1.7Nm^３/t/min超では、酸素供給に対するりんのスラグ−溶銑界面への物質移動が追いつかなくなり、脱炭反応が優先する結果を招き、脱りん反応における酸素効率の低下を招く。
【００１０】
一方、溶銑上の空間容積を確保することはスラグフォーミングによるスロッピング回避の上で有効ではあるが、設備新設等の過大な設備費用を抑えるため、空間容積は0.6m³/t を上限とした。また、後に述べる、本願発明の基本原理である粉状生石灰源使用によるフォーミング抑制効果により、空間容積は0.20m³/t以上あれば良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本願発明者らは、本願発明に至る詳細な研究の結果、以下の様な事実を明らかとした。図１は、実験室におけるスラグフォーミング高さに及ぼすスラグの液相率との関係を実験的に求めた結果である。実験方法は以下の通りである。即ち、鉄るつぼに微粉末試薬を本研究対象とした溶銑予備処理スラグの組成範囲に混合して加熱、溶解し、アルゴンガスを吹込んでフォーミングを起こさせた。この状態におけるフォーミング高さを測定し、スラグの状態図から求められる液相率とフォーミング高さの関係求めた。この様に、固−液共存のスラグでは、フォーミング高さは液相率で支配されていることが分かった。一方、実操業でのスロッピング現象に及ぼす粉体生石灰使用の影響は顕著であることも明らかとなった。即ち、塩基度をある程度確保するために粉体生石灰を使用すると、著しいフォーミング抑制、スロッピング頻度減少の作用があることがわかった。更に、フォーミングが抑制されると炉内の炉口周囲を中心とした地金、スラグの付着量が減少するので、スロッピングによる生産障害が減る、という好循環となることが分かった。
【００１２】
一方、従来、スラグの液相率が低下すると流動性が悪化して、スラグ−メタル間の反応速度が小さくなる、という一般論に対し、ある程度粒径の小さな生石灰を使うと、液相率は低くても、返って脱珪脱りん反応速度は高くなることが分かった。これは、ある程度粒径の小さな生石灰を使うと、これがスラグ中に懸濁し、そこにりん、珪素が固溶されるが、粒径が小さいとその反応の移動距離が短く、比表面積が大きいため、十分な速度で珪素、りんの固定が行われるからである。例えば10分程度の精錬時間であれば、５mm未満の粒径が望ましい。これ以上の粒径になるとこの程度の精錬時間では生石灰粒子の内部まで珪素、りんの固溶が完了しないので、未滓化のCaO が残留することとなる。即ち、何ら反応に寄与しない無駄なCaO が増える結果となる。更に、スラグの塩基度は固相率を増加してスロッピングを抑制する効果が顕著となる1.2 以上とするのが望ましいが、あまり高めても、必要な微紛生石灰の量が増えるばかりであるので2.5 を上限とすべきである。ここで注意すべきことは、大きな粒径のCaO 源を使った場合、滓化が遅いので未滓化のCaO が増える一方、スラグの液体の部分は量が多いので、フォーミング抑制効果は期待できない、ということである。即ち、従来、スラグの塩基度は（３）式のごとく、見かけの塩基度、としてスラグ中のCaO の形態に関わらず、トータルのCaO 濃度とSiO₂の濃度の比として慣用的に用いられて来たが、スラグの液相率を問題とすべきときには、（１）式で示した、フリーライム、即ち未滓化のCaO 分を差し引いた補正CaO 濃度とSiO₂の濃度比とすべきことを明らかとした。
見かけの塩基度 ＝ （全CaO 重量濃度）／（SiO₂重量濃度） （３）
【００１３】
従って、例えば、粒径の大きなCaO 源のみを用いて短時間処理を行った場合には、（３）式で示される見かけの塩基度が高くても、（１）式で示される塩基度は低く、十分に液相率を下げられないのでフォーミングが問題となるケースもある。
【００１４】
ここで、CaO 源としては脱珪反応が主として起きる精錬初期には安価な塊状のCaO 源で良く、一方、脱珪反応が終了して脱りんと脱炭反応が盛んになる末期に粉状CaO 源を使用するのが望ましい。なぜならば、精錬末期には脱炭反応によるCOガス発生速度が増大し、フォーミングが起こり易くなるから、そこで脱りん速度は低下させずに液相率を下げるのに有効な粉状CaO 源をこのタイミングで添加する。一方、精錬初期は塊状CaO 源を使っても未だスラグの塩基度が低いため、粒径が大きくても滓化速度が早いため未滓化は生じにくく、また粒径の大きいCaO 源の方が安価であるため、この方が望ましい。
【００１５】
図２は本願発明を実施するに好適な転炉タイプの反応容器の横断面図である。溶銑を本設備に装入し、生石灰および、必要に応じて鉄鉱石等の固体酸素源他副原料を上方から溶銑上に添加する。底部に設けた羽口より窒素ガスをキャリヤーガスとして石灰石粉を底吹きする。なお、必要な攪拌力を確保するため、窒素ガス、石灰石粉の流量は適宜設定する。引き続き、酸素ガスをメインランスから溶銑上に吹き付け、脱りん処理を開始する。スロッピングの状況に応じ、メインランスから吹込んでいる酸素ガスをキャリアーガスとして粉状の生石灰を溶銑上に吹き付ける。この場合、粉状の生石灰を使うと、微細なカルシウムシリケートを生成し、スラグの固相率が高くなるので、フォーミングが抑制される。また、スラグの溶融部にP₂O₅として除去されたりんは上記微細なカルシウムシリケートに固溶・固定される。一方、CaO 源として塊状の生石灰のみでは、生石灰の滓化反応、即ち、カルシウムシリケート化が遅く、進行しないので、低塩基度の液体スラグが多量に生成し、フォーミングは抑制されないのでスロッピングを抑制するためには粉状の生石灰併用が望ましい。
【００１６】
勿論、この溶銑の同時脱珪・脱りん炉としては小型の転炉を新設しても良いが、同一工場にある容量の小さな転炉を使用することも可能である。更にまた、本法を用いると、従来より装入溶銑量が増やせるので、例えば複数の転炉のうちを１基を本法による脱珪・脱りん処理炉として用い、他方を従来の脱炭吹錬用転炉として用いることも可能である。この様にすると、設備費用は極めて安価である。
次に、本発明の実施例、および比較例を示す。
【００１７】
【実施例１】
高炉溶銑をスクラップとともに内容積110m³ の転炉タイプの溶銑予備処理炉に装入した。この時の溶銑上の空間体積は0.22m³/tである。次に、鉄鉱石を上方添加し、底吹き攪拌を行いながら、メインランスより酸素ガスと微粉生石灰を上吹き開始した。10min 間の脱珪・脱りん処理を行った後、炉を傾動して出湯、排滓して処理を終了した。鉄歩留まり、炉外に溢れたスラグは皆無であり安定した操業が可能であった。処理後のスラグ塩基度は1.6 であった。
【００１８】
【実施例２】
高炉溶銑をスクラップとともに内容積111m³ の溶銑予備処理炉に装入した。この時の溶銑上の空間体積は0.25m³/tである。次に、鉄鉱石、平均粒径25mmの塊状の生石灰を上方から添加し、底吹き攪拌を行いながら、酸素ガスの上吹きを開始し、脱珪・脱りん処理を開始した。５min 後から粉状の生石灰を上方から添加して更に５min 間処理を行った。処理後のスラグ塩基度は1.7 であった。
【００１９】
【比較例】
高炉溶銑をスクラップとともに111m³ の転炉タイプの溶銑予備処理炉に装入した。この時の溶銑上の空間容積は0.4m³/t である。次に、平均粒径25mmの塊状の生石灰と鉄鉱石を添加し、酸素ガスを上吹きしつつ脱珪・脱りん処理を開始した。スロッピングが激しく、酸素供給を止めて精錬を中断する必要が生じたため、20分を要した。計算塩基度は3.5 としたが、塩基度を調査した結果、1.0 に留まっており、多量の未滓化生石灰が生じていることが明らかとなった。また、脱りんも0.040%までしか進行しておらず、不調であった。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【発明の効果】
本発明により、量産鋼の脱珪・脱りんプロセスとして、短時間での脱珪と脱りん処理が、コンパクトな一つの反応容器にて可能となった。特に、工場内に稼働率が低く、ヒートサイズも小さい転炉が存在する場合にはこの方法を用いて溶銑予備処理炉として活用でき、溶銑予備処理の持つメリットを最少設備費で享受できる。なお、新設の場合も脱炭吹錬用転炉と同一サイズの設備を設置するに比べ、安価である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に至る基礎研究の過程で得られたスラグフォーミング実験の結果を示す図である。
【図２】本発明を実施するに好適な転炉容器の横断面図である。
【符号の説明】
１ 転炉
２ 溶銑
３ 酸素ランス
４ 石灰石粉ブロータンク
５ 底吹き羽口
６ 窒素ガスホルダー
７ 酸素ガスホルダー
８ 副原料ホッパー
９ スクラップ
10 生石灰粉ブロータンク

Claims (1)

1. CaO源と酸素源を添加し、溶銑の脱珪脱りん処理を行うに際し、粒径５mm未満のCaO 源を使用し、精錬後、下式で定義するスラグ塩基度が1.2 以上、2.5 未満となる様にCaO 源を添加することにより、スラグの液相率を低下させてフォーミングを抑制し、溶銑上の空間容積を溶銑１ｔ当たり 0.20m ^３ /t 以上、 0.6m ^３ / ｔ以下としたことを特徴とする溶銑の脱珪・脱りん方法。
   スラグ塩基度＝（補正CaO 重量濃度）／（SiO_２重量濃度） （１）
   （補正CaO 重量濃度）＝（全CaO 重量濃度）−（フリーライム重量濃度）（２）

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