JP4063452B2

JP4063452B2 - ステンレス鋼の脱硫方法

Info

Publication number: JP4063452B2
Application number: JP21210099A
Authority: JP
Inventors: 隆二中尾; 智昭田中; 昌夫五十嵐; 伸幸槙野
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2019-07-27
Also published as: JP2001040408A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気アーク炉での溶解後、次工程の精錬炉で処理を行う工程において、ステンレス鋼の効率的な脱硫処理方法を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
電気アーク炉を有するステンレス鋼の製造工程においては、原料となる各種のスクラップや合金鉄等を溶解し、粗溶鋼を製造した後、ＡＯＤ炉やＶＯＤ炉および上底吹き転炉などの精錬炉で精錬を行い、その後取鍋での温度、成分等の調整を行った後に鋳造を行い、スラブやブルーム等の中間製品が製造される。
【０００３】
このような工程の中で、溶鋼中の［Ｓ］濃度を目標濃度まで低減させる脱硫処理は電気アーク炉と精錬炉で分担してなされるが、これまでの脱硫の主体は精錬炉であり、精錬炉での脱硫能を上げるために種々の技術改善がなされて来た。
【０００４】
近年、製品の品質を向上させるために目標の［Ｓ］濃度を下げる要求が強くなり、一方では原料コストの削減のために［Ｓ］濃度の高い安価な原料の使用比率が高くなり、精錬炉だけで脱硫の負荷を担うことが限界となってきた。
【０００５】
これを解消する手段として、精錬炉で精錬した溶鋼を取鍋に出鋼後、取鍋内にＣａＯ−ＣａＦ2 系などフラックスを吹き込み脱硫する方法があるが、使用するフラックスが高価なこと、および製品の品質に影響する非金属介在物の形態や量を変えてしまうことから、適用には限界がある。そこで、近年、電気アーク炉での脱硫能を上げる方法が注目されるようになってきている。
【０００６】
電気アーク炉での操業は、各溶解チャージ毎に目標となる成分・組成に応じた配合計画を立て、それに従って、炉内にスクラップ、合金鉄などの主原料と、場合により工場内で発生するダスト、スケール、スラグおよびＣｒ鉱石、Ｎｉ鉱石等の酸化物原料や造滓剤等の副原料を装入し、通電して溶解を開始する。
【０００７】
主原料が溶解し、スラグ層が形成されて来ると、その組成を調整することが脱硫能を確保する上から重要となる。脱硫能には一般的にスラグ塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）が指標として使われており、生成するＳｉＯ2 量に応じて経験的にＣａＯやＣａＦ2 等の添加量を求め、溶解前および溶解途中で添加を行い、ある一定値以上のスラグ塩基度を確保するようにしている。
原料の溶解後は、溶解時に酸化した［Ｃｒ］の還元、酸化物原料の還元および脱硫を目的に、昇温・精錬の時期を設けた後に、粗溶鋼をスラグと共に取鍋に出鋼する。
【０００８】
このような電気アーク炉での操業で、炉内での脱硫を促進する手段として、炉の底部に羽口を設け、窒素ガスなどの不活性ガスを吹き込み撹拌する方法などが取られているが、電気アーク炉は精錬炉に比べ浴深が浅いために、ガス流量が上げられず、撹拌力が弱いために十分な効果は得られていない。
【０００９】
そこで、近年、電気アーク炉で溶解、昇温して取鍋に出鋼した後に、取鍋内にて撹拌或いはフラックス吹込みを行い、脱硫処理を行う方法が取られるようになってきている。本方法は普通鋼で高炉より出銑した溶銑を転炉で精錬する前にフラックスを添加して脱硫処理を行う、いわゆる溶銑予備処理法に近似される方法である。ステンレス鋼での適用例としては、特開平９−２４１７１６号公報および特開平１０−１７６２１４号公報などが開示されている。
【００１０】
特開平９−２４１７１６号公報の方法は電気アーク炉での精錬を低塩基度スラグにて行い、取鍋内精錬を非酸化性雰囲気下で不活性ガスにて撹拌処理を行う方法である。また、特開平１０−１７６２１４号公報の方法は、取鍋内での不活性ガスによる撹拌を雰囲気酸素濃度に応じて撹拌力を調整して行う方法である。
【００１１】
これらの方法はいずれも雰囲気の調整が必要であり、空気が存在するような酸化性雰囲気下での処理には適さない。また、処理前後のスラグ量には着目していないために、脱硫処理後に精錬炉へ持ち込まれるＳ量にばらつきを生じてしまう恐れがある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記のような課題を解消すべく発明された方法であり、電気アーク炉での溶解後、スラグと共に取鍋に出鋼した粗溶鋼の脱硫を促進し、かつ次工程の精錬炉に持ち込まれるＳ量を安定して低位にすることで、精錬炉での脱硫の負荷を軽減すると共に、原料コスト等の製造コストの低減をはかるものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、電気アーク炉でステンレス粗溶鋼を溶解し、粗溶鋼をスラグと共に取鍋に出鋼し、取鍋内にて脱硫処理を行う方法において、脱硫処理前のスラグ量を粗溶鋼トン当り２０ｋｇ以上６０ｋｇ以下に調整し、脱硫処理後のスラグ量を粗溶鋼トン当り１５ｋｇ以下に調整することを特徴とするステンレス鋼の脱硫方法である。また、脱硫処理後のスラグ塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）を１．５以上に調整し、スラグの液相率が９０％以上となるようにスラグ組成を制御することを特徴とする。さらに、脱硫処理後のスラグ塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）を１．５以上に調整し、かつスラグ中Ａｌ2 Ｏ3 濃度を１５ｍａｓｓ％以下、ＭｇＯ濃度を５ｍａｓｓ％以上に調整することを特徴とするステンレス鋼の脱硫方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、電気アーク炉でステンレス粗溶鋼を溶解し、粗溶鋼をスラグと共に取鍋に出鋼し、取鍋内にて脱硫処理を行う方法において、取鍋内での脱硫を促進し、かつ次工程の精錬炉への持ち込むＳ量を安定して低位にするためには、脱硫処理前後のスラグ量を適正にすることが重要であり、次に脱硫処理後のスラグ組成を適正な条件範囲に制御することが重要であることを見出した。
【００１５】
一般に、脱硫反応は下記（１）式で表され、反応平衡定数Ｋは（２）式で表される。
（ＣａＯ）＋［Ｓ］＝（ＣａＳ）＋［Ｏ］・・・・・（１）
Ｋ＝ａCaS ａO ／ａCaO ａS ・・・・・（２）
ここで、ａCaS はスラグ中（ＣａＳ）の活量
ａO は溶鋼中［Ｏ］の活量
ａCaO はスラグ中（ＣａＯ）の活量
ａS は溶鋼中［Ｓ］の活量
をそれぞれ示す。
【００１６】
（１），（２）式より脱硫反応は溶鋼−スラグ間の反応であり、溶鋼側の条件を一定とした場合、溶鋼からの脱硫を進行させるにはスラグ量とスラグ組成が重要であることがわかる。
【００１７】
電気アーク炉でのステンレス粗溶鋼の溶解時に生成するスラグ量は溶解する原料、および昇温・精錬期での狙いのスラグ塩基度によって変化するが、一般的には粗溶鋼トン当り７０ｋｇから１２０ｋｇにも達する。このスラグをそのまま脱硫処理に供した場合には、処理後のスラグ組成の制御が困難になると共に、処理時のスラグ・スプラッシュの発生を防止するために、不活性ガスによる撹拌が制限されることになる。そこで、脱硫処理前のスラグ量の調整が必要になる。
【００１８】
本発明者らは、脱硫処理前のスラグ量が粗溶鋼トン当り２０ｋｇ以上６０ｋｇ以下であれば容易に処理後のスラグ組成の制御が可能であり、かつ不活性ガスによる撹拌も大きな制限がなく行えることを見出した。また、この量であれば、特開平９−２４１７１６号公報に示されているような非酸化性雰囲気にする必要のないことを見出した。これは、この程度のスラグ量であれば、粗溶鋼と雰囲気がスラグによって完全に遮断され、スラグへの雰囲気からの酸素侵入速度は粗溶鋼に比べ非常に遅いために、酸化性雰囲気であってもスラグによる雰囲気の遮断により、粗溶鋼からの脱硫反応が阻害されないためである。
【００１９】
一方、スラグ量が粗溶鋼トン当り２０ｋｇ未満になると、特開平９−２４１７１６号公報に示されているような非酸化性への雰囲気制御が必要になることを見出した。また、この量では脱硫量を稼ぐために極端にスラグ塩基度を上げ、前記（２）式のａCaO を上げることが必要になり、脱硫反応の制御が難しくなる。
【００２０】
以上より、脱硫処理前のスラグ量は粗溶鋼トン当り２０ｋｇ以上６０ｋｇ以下に調整することが有効である。電気アーク炉から取鍋へ粗溶鋼と共に移されたスラグは一般的には液相状態にある。そのために取鍋からの除去によるスラグ量の調整は、取鍋を傾けることによって、容易に行える。また、スラグ量は取鍋内のスラグ厚みを測定することで、容易に求めることが可能である。
【００２１】
ステンレス粗溶鋼の［Ｃ］濃度は、使用されるスクラップや合金鉄等の原料の使用比率により変化するが、一般的に０．５から４．０ｍａｓｓ％程度である。この粗溶鋼を精錬炉では、まず製品に要求される［Ｃ］濃度まで下げる脱炭精錬が行われる。脱炭精錬は溶鋼中に酸素ガスを吹込み、溶鋼中［Ｃ］をＣＯガスとして系外に除去することによって行われる。これより、脱炭精錬では前記（２）式のａO が大きくなるために、脱硫とは逆の復硫反応が進行し、スラグ中（Ｓ）の殆どが溶鋼中へ移行することになる。
【００２２】
したがって、取鍋での脱硫処理後に精錬炉へ持ち込むスラグ量は少ないほど、かつスラグ中（Ｓ）濃度は低いほど、復硫量が抑えられることになる。本発明者らは、脱硫処理前のスラグ量が粗溶鋼トン当り２０ｋｇ以上６０ｋｇ以下であれば、脱硫処理後のスラグ量を粗溶鋼トン当り１５ｋｇ以下に調整することで、精錬炉での脱炭精錬時の復硫量は低く抑えられることを見出した。
【００２３】
図１に脱硫処理後にスラグ量の調整（以下、排滓処理という）を行った後のスラグ量と精錬炉に持ち込まれたＳ量の関係を示す。なお、持ち込まれたＳ量とは粗溶鋼中［Ｓ］とスラグ中（Ｓ）を合わせた量であり、粗溶鋼中の濃度に換算した値である。また、図中の●印は脱硫処理前スラグ量が粗溶鋼トン当り２０ｋｇ以上６０ｋｇ以下の場合、□印はスラグ量が２０ｋｇ未満の場合、△印はスラグ量が６０ｋｇを越える場合の例である。なお、各場合とも、原料中の［Ｓ］濃度の合計は５００ｐｐｍ程度であり、取鍋での脱硫処理で粗溶鋼中［Ｓ］濃度１００ｐｐｍ程度まで脱硫したものである。
【００２４】
図１より脱硫処理前のスラグ量が粗溶鋼トン当り２０ｋｇ以上６０ｋｇ以下であれば、脱硫処理後の排滓処理でスラグ量を粗溶鋼トン当り１５ｋｇ以下とすることで、精錬炉に持ち込まれたＳ量を低位安定化することが可能である。なお、脱硫処理前のスラグ量が粗溶鋼トン当り６０ｋｇを越える場合も低位安定化するが、この場合は処理後の［Ｓ］濃度を達成するためには、多量のフラックス添加が必要であり、かつ処理時間が長くなるために、処理コストが高くなり不利である。
【００２５】
なお、脱硫処理後の排滓処理は脱硫処理前に比べ、スラグ量を少なくする必要があるために、取鍋を傾けて排滓するだけでは難しく、スラグ掻き出し機などの機械的な手段で強制的に排滓する必要がある。
【００２６】
次に、本発明者らは、脱硫処理を効率的に行うためのスラグ組成条件について求めた。図２に脱硫処理前のスラグ量を粗溶鋼トン当り２０ｋｇ以上６０ｋｇ以下に調整後、脱硫処理を行った場合の処理後スラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2）と脱硫率の関係を示す。なお、処理前［Ｓ］濃度は４００ｐｐｍ程度であり、処理後のスラグ液相率が９０％以上の場合である。また、脱硫率は溶解した原料の［Ｓ］濃度に対する脱硫処理後の粗溶鋼中［Ｓ］濃度の除去比率を示す。
【００２７】
図２より、（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）が１．５以上であれば、安定して脱硫率５０％以上を達成出来る。なお、（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）が２．４以上のデータは殆どないが、これはスラグの液相率９０％以上を確保することが難しくなるためである。
【００２８】
スラグの液相率はスラグ温度およびスラグ組成によって決まるものである。スラグ温度が高いほど、（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）が低いほど、また、スラグ中Ａｌ2Ｏ3 濃度が高く、ＭｇＯ濃度が低いほど液相率は高くなる。液相率はスラグを目視で観察することで大まかな判断が可能であり、またＳｏｌｇａｓｍｉｘ，Ｔｈｅｒｍｏｃａｌｃ等の熱力学平衡計算解析ソフトによる計算でも定量的に求められる。
【００２９】
図３に脱硫処理前のスラグ量を粗溶鋼トン当り２０ｋｇ以上６０ｋｇ以下に調整後、脱硫処理を行った場合の処理後スラグの液相率と脱硫率７０％以上を確保するための脱硫処理コスト指数の関係を示す。なお、処理後スラグの（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）は全て１．５以上である。また、脱硫処理コスト指数はスラグの（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）が２．０で液相率が１００％での脱硫処理に使用したガス量、添加フラックスおよびスラグ排滓等の費用の平均値を１として、換算した値である。図３より、処理後スラグの液相率が９０％以上であれば、処理コストを低位に維持出来る。
【００３０】
図４に脱硫処理前のスラグ量を粗溶鋼トン当り２０ｋｇ以上６０ｋｇ以下に調整後、脱硫処理を行った場合の処理後スラグ中Ａｌ2 Ｏ3 濃度とＭｇＯ濃度の関係での脱硫率５０％の達成状況を示す。図中の○印は脱硫率５０％以上を達成した条件、×印は達成出来なかった条件を示す。なお、処理前粗溶鋼の［Ｓ］濃度は４００ｐｐｍ程度であり、処理後スラグの（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）は全て１．５以上の場合である。図４より、処理後スラグ中Ａｌ2 Ｏ3 濃度１５ｍａｓｓ％以下、ＭｇＯ濃度５ｍａｓｓ％以上で安定して５０％以上の脱硫率が達成出来る。
【００３１】
以上より、脱硫処理後のスラグ塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）を１．５以上に調整し、スラグの液相率が９０％以上となるようにスラグ組成を制御すること、および脱硫処理後のスラグ塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）を１．５以上に調整し、かつスラグ中Ａｌ2 Ｏ3 濃度を１５ｍａｓｓ％以下、ＭｇＯ濃度を５ｍａｓｓ％以上に調整することで安定して効率的な脱硫が達成出来る。なお、これらのスラグ組成の条件は、前記（２）式のａCaO を上げる条件であり、液相率はスラグと溶鋼間の反応速度を上げる条件に相当する。
【００３２】
なお、脱硫処理終了時点での粗溶鋼温度は［Ｃ］濃度および次工程の精錬炉の形態などにより異なるが、一般的に１３５０℃から１５００℃の範囲にあり、スラグの液相率９０％以上を確保する観点より、（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）は２．４以下、Ａｌ2 Ｏ3 濃度は３ｍａｓｓ％以上、ＭｇＯ濃度は１５ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００３３】
なお、処理後スラグの組成および液相率の目標範囲への制御は、電気アーク炉から取鍋へスラグと共に粗溶鋼を出鋼した時点で、温度測定およびスラグの組成分析を行い、範囲を満足する場合は不活性ガスによる撹拌のみで脱硫処理を行い、満足しない場合はＣａＯやＭｇＯ等のフラックスの添加を行い、脱硫処理を行うことで、可能である。
【００３４】
また、脱硫処理方法はスラグの量、組成の条件より、不活性ガスによる撹拌、フラックス吹込み（インジェクション）、機械的撹拌など自由に適用可能であり、処理時間は一般的には１０分から３０分の処理が必要である。
【００３５】
【実施例】
ＳＵＳ３０４（１８ｍａｓｓ％Ｃｒ−８ｍａｓｓ％Ｎｉ）ステンレス鋼の電気アーク炉、ＡＯＤ炉、連続鋳造からなる製造工程において、電気アーク炉とＡＯＤ炉間で粗溶鋼の脱硫処理を実施した。電気アーク炉ではスクラップ、合金鉄を主原料とし、ダスト、スケール等も加えて、溶鋼量６０トン、［Ｓ］濃度４００ｐｐｍになるように配合し、合わせて、ＣａＯ、ＣａＦ2 等の造滓剤を加えて溶解を行った。
【００３６】
溶解後、約１０ｍｉｎ間の昇温・精錬を行った後に、粗溶鋼をスラグと共に取鍋に出鋼した。取鍋では所定のスラグ量になるように傾けて排滓を行った後、脱硫処理を実施した。脱硫処理は所定のスラグ組成を満足する場合は窒素ガスによる撹拌のみを行い、満足しない場合はＣａＯ−ＣａＦ2 系フラックスを窒素ガスと共に吹き込んだ。脱硫処理はいずれも２０ｍｉｎ間の処理を行った。脱硫処理後、スラグ掻き出し機を用いた強制的な排滓を行い、ＡＯＤ炉へ装入した。
【００３７】
表１に脱硫処理前条件、脱硫処理時のフラックス吹込み有無、脱硫処理後条件、脱硫処理での脱硫率、排滓後のスラグ量、ＡＯＤ炉への持ち込みＳ量および脱硫コスト指数をまとめて示す。なお、脱硫コスト指数はＮｏ．１での脱硫コストを１とした場合の比較換算値で示す。また、Ｎｏ．１〜１２は本発明例、Ｎｏ．１３〜２２は本発明の条件外の比較例示す。
【００３８】
本発明例では安定して、高い脱硫率が得られ、ＡＯＤ炉への持ち込みＳ量も低く、かつ脱硫コストも低く抑えられる。一方、比較例では脱硫率がばらついており、ＡＯＤ炉への持ち込みＳ量も高い例が多い。また、持ち込みＳ量が低く抑えられた場合には脱硫コストが高くなっている。
【００３９】
【表１】

【００４０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明のステンレス鋼の脱硫方法は、安定して高い脱硫率が得られ、次工程の精錬炉への持ち込みＳ量も低位に抑えられて、精錬炉の脱硫負荷が解消される。また、脱硫コストも低く抑えられることから、工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】排滓処理後の粗溶鋼トン当りのスラグ量と精錬炉に持ち込まれたＳ量の関係を示す図。
【図２】脱硫処理後のスラグ塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）と脱硫率の関係を示す図。
【図３】脱硫処理後のスラグ液相率と脱硫処理コスト指数の関係を示す図。
【図４】脱硫処理後のＭｇＯ濃度とＡｌ2 Ｏ3 濃度の関係での脱硫率の達成状況を表す図。

Claims

電気アーク炉でステンレス粗溶鋼を溶解し、粗溶鋼をスラグと共に取鍋に出鋼し、取鍋内にて脱硫処理を行う方法において、脱硫処理前のスラグ量を粗溶鋼トン当り２０ｋｇ以上６０ｋｇ以下に調整し、脱硫処理後のスラグ量を粗溶鋼トン当り１５ｋｇ以下に調整することを特徴とするステンレス鋼の脱硫方法。
脱硫処理後のスラグ塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）を１．５以上に調整し、スラグの液相率が９０％以上となるようにスラグ組成を制御することを特徴とする請求項１に記載のステンレス鋼の脱硫方法。
脱硫処理後のスラグ塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）を１．５以上に調整し、かつスラグ中Ａｌ2 Ｏ3 濃度を１５ｍａｓｓ％以下、ＭｇＯ濃度を５ｍａｓｓ％以上に調整することを特徴とする請求項１に記載のステンレス鋼の脱硫方法。