JP3794248B2 - 鉄スクラップの溶解方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄スクラップの溶解方法に係わり、特に、酸素ガスを上底吹き可能な転炉において鉄スクラップを溶解してから溶鋼を溶製するにあたり、該転炉に内張りした耐火物の溶損を従来より抑制しつつ、効率良く鉄スクラップを溶解する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶鋼を溶製するに際して、酸素ガスを炉の下方と上方とから炉内に同時に供給可能な所謂「上底吹き転炉」に、予め種湯として溶銑を装入し、その中に鉄スクラップ（以下、単にスクラップという）を投入して溶解することが、一般に知られている。その場合、熱源としては、底吹き羽口及び上吹きランスを介して浴へ供給した酸素ガスのうち溶銑浴面に到達した一部の酸素が、溶銑中の炭素を燃焼して発生する一次燃焼熱、及び上吹きランスから供給した酸素ガスのうち上記一次燃焼に消費されなかった酸素が、一次燃焼で発生したＣＯガスを浴面上の空間でＣＯ₂にまで燃焼する際に発生する二次燃焼熱の２種類に大別される。このうち、効率良くスクラップを溶解させるには、スクラップが浴面に浮かんでいるので、浴外で生じる二次燃焼熱の増加が重要と言われている。つまり、従来は、スクラップの溶解処理能力の向上や溶解時間の短縮には、ランスを介しての上吹き送酸速度を高めることが有効と考えられて来た。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上吹き送酸速度を専ら高めると、余剰の酸素ガスが炉に内張りした耐火物を酸化し、耐火物の損耗を助長してしまうという問題が生じた。つまり、最近の転炉に内張りする耐火物は、耐スポーリング性向上を図るため炭素を含有したＭｇＯ−Ｃ系、あるいはＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系が多く採用されているが、これら耐火物に含まれる炭素が酸素によって燃焼、消滅し、耐火物の空隙が増大してしまうからである。
【０００４】
本発明は、かかる事情に鑑み、酸素ガスの上底吹き機能を備えた転炉で鉄スクラップを溶解して溶鋼を溶製するにあたり、鉄スクラップの溶解効率を落とさずに、転炉に内張りした耐火物の損耗を従来より抑制可能な鉄スクラップの溶解方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究し、その成果を本発明に具現化した。
【０００６】
すなわち、本発明は、炭素を含有したＭｇＯ系耐火物で内張りされ、酸素ガスの上底吹き機能を備えた転炉で、炉内に保持した溶銑上に鉄スクラップを投入して該鉄スクラップを溶解してから溶鋼を溶製するに際して、
鉄スクラップの溶解開始当初は底吹き酸素ガスのみを、装入した全主原料に対する鉄スクラップの質量比に応じて決定した酸素原単位が下式を満足する範囲になるまで送酸し、その後に上吹きでの送酸を開始することを特徴とする鉄スクラップの溶解方法である。
【０００９】
３×鉄スクラップ質量比（−）≦酸素原単位（Ｎｍ³／ｔ） …（１）本発明では、スクラップの溶解当初は、底吹きのみで送酸し、転炉上部空間に過剰な酸素が存在しないようにしたので、内張り耐火物が含有する炭素を燃焼しないようになる。その結果、該耐火物の脆化、損耗が従来に比べて格段と低減し、その寿命が延長するようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明が対象とする酸素ガスの上底吹き機能を備えた転炉は、炉内に保持した溶銑浴中に炉の下方から酸素ガスを吹き込む手段と、溶銑浴の上方から酸素ガスを吹き込付ける手段とを備えた転炉である。この場合、炉の下方への酸素ガスの吹き込みは、炉の底あるいは横に設けた羽口によるのが良い。炉の上方からの酸素ガスの吹き付けは、炉上から垂下したランスあるいは炉の側壁を貫通し斜め上方からランスやパイプあるいは羽口を介して行うことができる。具体的には、製鋼で普及している所謂「上底吹き転炉」が最も好ましく適合する。以下、発明をなすに至った経緯を交え、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
【００１１】
図１は、溶銑中でスクラップの溶解を行なってから精錬し、溶鋼を溶製する上底吹き転炉１である。従来の操業では、溶銑（脱炭され途中で溶鋼になっている場合も含むので、以下溶湯という）５を転炉１内に装入した後にスクラップ６を投入し、転炉１内に上方から挿入した上吹きランス２を介して該溶湯５に向けて上吹き酸素ガス７を吹き付け、且つ転炉１の炉底に設けた底吹き羽口３を介して底吹き酸素ガスやそれに加えて窒素ガス等の溶湯撹拌用ガスを吹き込む。底吹き酸素ガス８と溶湯５中の炭素（以下、記号Ｃで示す）は、Ｃ＋１／２Ｏ₂→ＣＯで表すような一次燃焼反応を生じ、これによって生成したＣＯガスは、溶湯５の浴面から転炉１の上部空間内を上昇する。上吹きした酸素ガス７の一部も、溶湯５の浴面まで到達し、前記同様に溶湯５中のＣとのＣ＋１／２Ｏ₂→ＣＯで表す反応を生じ、これによってＣＯガスを生成する。また、上吹きした酸素ガス７のうち一次燃焼に消費されなかった分は、前記ＣＯガスと炉上方空間でＣ〇＋１／２Ｏ₂→ＣＯ₂で表すような二次燃焼反応を起す。さらに、溶湯５中のＣのみでは発熱量が不足する場合においては、副原料シュート９から炉内に供給したコークス等のカーボン源１０と、底吹き酸素ガス８及び上吹き酸素ガス７を反応させることもある。これらの一次燃焼反応及び二次燃焼反応は、発熱反応であり、それらによる反応熱によりスクラップ６が溶解される。
【００１２】
かかるスクラップ溶解を短時問で行なうためには、上吹き酸素ガス７及び底吹き酸素ガス８の量を増加させて、発熱量の増大を図るのが有効である。しかしながら、底吹きガス８を増加させる場合には、底吹き羽口３の羽口径アップといったガス吹き込み装置の改造が必要になったり、底吹き羽口３の損耗速度が上昇し、所謂「炉底寿命」が低下するといった弊害を招く可能性があるため、従来は、専ら上吹きする酸素ガス７の増加が指向されていた。ところが、上吹き酸素ガス量７の増加を行なうと、内張り耐火物が脆化、損耗し、その寿命が低下する問題があったことは上述した通りである。
【００１３】
そこで、発明者は、まず、このような耐火物の損耗がどのようなメカニズムによって発生するかを詳細に調査した。そして、以下に説明する知見を得るに到った。
【００１４】
すなわち、上吹き酸素ガス７を専らにアップしても、スクラップ溶解の初期段階においては、溶湯５の浴面上に未溶解スクラップ６が覆い被さっているので、上吹きランス２からの上吹き酸素ガス７が溶湯５の浴面まで到達し難い。そのため、上吹き酸素ガス７が溶湯５中のＣと十分反応しない。その結果、ＣＯガスの発生量が少ないので、前記したＣＯガスの二次燃焼に用いられる上吹き酸素ガス７の比率も小さく、炉上部空間には未反応の酸素ガスが多量に含まれることとなる。
【００１５】
一方、転炉１に内張りする耐火物４は、近年、その耐スポーリング性を改善するため、炭素を含有させたＭｇＯ−Ｃ系やＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系のレンガで構成されることが多い。そのため、上記未反応の酸素ガスは、該耐火物４が含有する炭素を燃焼して消失させるので、耐火物４に空隙が生じ、脆化により損耗する。
【００１６】
そこで、発明者は、耐火物の損耗に著しい影響を与えるスクラップ溶解の初期での未反応酸素ガスを可及的に低減することを考え、種々の実験を行い、スクラップの溶解時間を大幅に延長することなく、耐火物の損耗を抑制して効率良くスクラップの溶解を可能にする本発明を完成したのである。
【００１７】
つまり、スクラップの溶解初期においては、上吹き酸素ガスは、炉内発生ＣＯガスの二次燃焼に寄与はするものの、炉内発生ＣＯガス量そのものが少ないために、その大部分は利用されず耐火物中炭素を酸化してしまう。そこで、本発明では、まず、このようなスクラップ溶解初期の耐火物に悪影響を与える酸素ガスの上吹きを行わないことにしたのである。その場合、底吹き酸素ガスのみで送酸することになるので、炉内での発生熱量が上吹き酸素を併用した場合に比べて小さくなる。従って、スクラップの全量を底吹き酸素ガスの吹き込みのみで溶解しようとすると長時間を要することが懸念される。
【００１８】
発明者は、上記の懸念に関してさらに実験と検討を繰り返し、浴面を覆っているスクラップが溶解し、ある程度の溶湯面が露出すると、上吹き酸素ガスと溶湯中で発生したＣＯガスとの接触が円滑に生じるようになり、上吹き酸素ガスの過剰による耐火物中炭素の酸化が問題とは成らなくなることを発見し、その時期以降は、上吹きを併用し、スクラップの溶解速度を速めることにした。そのため、上吹き酸素の吹き込みを開始する時期を定めることが必要であるが、その時期についても鋭意検討し、底吹き酸素ガスの原単位で評価することにした。つまり、酸素原単位は、（吹き込む酸素ガスの流量）×（吹き込み時間）を主原料として装入した鉄源１トンあたりにした値（単位：Ｎｍ³／ｔ）であるから、（吹き込む酸素ガスの流量）及び（吹き込み時間）をそれぞれある値に固定したくない時に都合が良いからである。ここに、主原料とは、溶銑、溶鋼等の溶融した鉄源、スクラップ、冷銑等の全体を指す。
【００１９】
そして、実機の上吹き転炉において、スクラップの溶解初期を底吹き酸素ガスのみで行ない、その後上吹きランスからの酸素吹込みを併用する実験を行ない、その際に上吹酸素の併用を開始する時期を種々変化させると共に、上吹酸素併用開始後５分間にわたって炉の上部空間から雰囲気ガスのサンプリングを行なって酸素の有無を検出した。該酸素の検出と上吹き酸素ガスの併用開始までに吹込んだ底吹き酸素の原単位との関係を整理した。その結果を表１及び図２に示すが、転炉に装入したスクラップの全主原料に対する質量比（単位：無次元）に応じて、酸素が検出されなくなる上記原単位の値が異なっている。また、上吹き酸素ガスの併用を開始しても、炉の上部空間に酸素が検出されなくなる範囲は、下記（１）式で表現でき、該（１）式を満足する範囲の酸素原単位を上吹き酸素ガスを吹き込み開始する時期の目安とした。
【００２０】
３×鉄スクラップ質量比（−）≦酸素原単位（Ｎｍ³／ｔ） …（１）
【００２１】
【表１】

【００２２】
具体的には、スクラップを含む主原料の装入後、上吹き酸素を使用しないで底吹きのみによって送酸を開始し、最低で３×スクラップ重量比（−）となるまで底吹き送酸を続けると、十分な浴面の露出が達成され、その後は上吹き酸素を併用しても問題がなくなるのである。底吹きのみでの送酸をどの時点まで続けるかは、本発明では特に限定するものではないが、必要以上に長く継続すると製錬時間が長引き好ましくないので、最大でも底吹きＯ₂原単位にして２Ｎｍ³／ｔ以内にとどめておくことが好ましい。
【００２３】
【実施例】
以上述べた本発明を、図１に示した上底吹き転炉で多数チャージのステンレス鋼を溶製する際のスクラップ溶解で確認し、その実施成績を従来の方法による成績と比較した。なお、従来の方法とは、吹錬開始と同時に上吹きランスから酸素ガスを炉内に供給するスクラップ溶解方法のことである。
【００２４】
本発明の適用例では、各チャージのサイズは１５０〜１７０ｔ／ｃｈとし、温度が１２００℃で、炭素濃度が４．３ｍａｓｓ％の予備脱燐した溶銑を炉内に装入した上に１０〜７０ｔ／ｃｈのスクラップを投入した後、直ちに底吹き羽口３から底吹き酸素ガス８を０．３Ｎｍ³／ｍｉｎ／ｔｏｎで吹き込み、溶解を開始した。そして、底吹きのみで前記（１）式を満たす所定の送酸原単位を確保したのち、上吹き酸素ガスを３．０Ｎｍ³／ｍｉｎ／ｔｏｎで送酸し、併用するようにした。また、必要に応じて、炭素源１０としてコークスを０．９ｋｇ／酸素ガスＮｍ³の割合で転炉１内に添加した。一方、従来の方法を行なった場合には、吹錬開始と同時に、つまり底吹き酸素ガスの吹込み開始と同時に、上吹きランスから酸素ガスの吹込みを開始したことを除いては、本発明例と同様の条件で操業を行なった。
【００２５】
図３に、一例として、チャージサイズが１５０ｔ／ｃｈで、スクラップ投入量６０ｔ／ｃｈ（スクラップ質量比０．４）の条件で、スクラップを溶解し、溶湯の温度が１５６０℃となるまでの吹錬時間を比較して示す。底吹き酸素ガスのみでの送酸が３．６分間あるが、未反応酸素ガスが生じないため、スクラップの溶解時間の全体は従来に比べて延長されないことが明らかである。
【００２６】
また、図４には、１炉代（炉内張耐火物の張り替えから次の張り替えまでの操業期間）通しての転炉上部（絞り部という）に内張りしたＭｇＯ−Ｃ耐火物の損耗速度（レーザ式炉体プロフィール計での測定による）を従来での結果と比較する。図４より、その耐火物の損耗速度は、従来の２．３ｍｍ／ｃｈから１．８ｍｍ／ｃｈと大幅に改善されている。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、上底吹き転炉で溶銑に多量のスクラップを用いて溶鋼を溶製するに当たり、スクラップの溶解時間を従来より大幅に延長することなく、転炉内張り耐火物の脆化、損耗を抑制して、効率の良いスクラップ溶解が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な上底吹き転炉でのスクラップ溶解状況を示す図である。
【図２】スクラップ溶解の開始当初の底吹き酸素ガスの単独吹込み時期から上吹き酸素ガスの併用開始時期を判断する関係を示す図である。
【図３】本発明に係る方法と従来の方法でスクラップを溶解した場合の溶解時間を比較した図である。
【図４】本発明に係る方法と従来の方法でスクラップを溶解した場合の耐火物損耗速度を比較した図である。
【符号の説明】
１ 上底吹き転炉
２ 上吹きランス
３ 底吹き用羽口
４ 内張り耐火物
５ 溶湯
６ 鉄スクラップ
７ 上吹き酸素ガス
８ 底吹き酸素ガス
９ 副原料投入シュート
１０ 添加炭素源（コークス）

Claims (1)

1. 炭素を含有したＭｇＯ系耐火物で内張りされ、酸素ガスの上底吹き機能を備えた転炉で、炉内に保持した溶銑上に鉄スクラップを投入して該鉄スクラップを溶解してから溶鋼を溶製するに際して、
   鉄スクラップの溶解開始当初は底吹き酸素ガスのみを、装入した全主原料に対する鉄スクラップの質量比に応じて決定した酸素原単位が下式を満足する範囲になるまで送酸し、その後に上吹きでの送酸を開始することを特徴とする鉄スクラップの溶解方法。
   ３×鉄スクラップ質量比（−）≦酸素原単位（Ｎｍ ^３ ／ｔ） …（１）

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